Расчет теплового аккумулятора: Расчет теплоаккумулятора

Содержание

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятора - с необходимыми пояснениями

Чтобы работа системы отопления была максимально экономичной, но, естественно, без потери своей эффективности, имеет смысл аккумулировать выработанное ею тепло, не востребованное в текущий момент, с тем расчётом, чтобы использовать его в то время, когда котел «отдыхает». Эта проблема решается установкой теплоаккумулятора с соответствующей обвязкой.

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятораКалькулятор расчета объема теплоаккумулятора

А как определить, какой объём воды потребуется, чтобы гарантированно сберечь весь выработанный котлом тепловой потенциал? Для этого имеется специальный алгоритм, и он воплощен в размещенный ниже калькулятор расчета объема теплоаккумулятора.

Необходимые пояснения будут приведены ниже.

Калькулятор расчета объема теплоаккумулятора

Перейти к расчётам

На чем строится и как проводится расчет?

Безусловно, монтаж, запуск и отладка сложной системы отопления должны проводиться специалистами, иак как существует множество нюансов, который может знать только опытный мастер. Тем не менее, минимально необходимый объем теплоаккумулятора можно рассчитать самостоятельно хотя бы с тех позиций, чтобы предусмотреть место, достаточное для его установки.

Особую важность теплоаккумулятор приобретает в системах отопления, в которых основными источниками тепла выступают твердотопливный или электрический котлы.

  • Функционирование котла, работающего на твёрдом топливе, имеет особенность – своеобразную цикличность. Заправка его топливом проводится с определенной периодичность. В процессе активного горения выработанное тепло может быть избыточным, невостребованным в текущий момент, так как хорошо настроенные контура со своими термостатическими регуляторами возьмут ровно столько, сколько им требуется. А вот после прогорания топлива, до очередной загрузки, следует период простоя, и в этот промежуток времени как раз и пригодится тот тепловой потенциал, который был накоплен в аккумуляторе.
  • С электрическим котлом – несколько другой «расклад». Имеет смысл основную его работу спланировать на время действия ночного льготного тарифа, а затем днем использовать накопленное за этот срок тепло.

Кроме того, теплоаккумулятор позволяет подключать к системе отопления и альтернативные источники тепловой энергии, например, солнечные коллекторы – в погожий день они способны дать весомую прибавку в общий энергетический потенциал.

Итак, что необходимо для расчета.

  • Указать паспортную номинальную тепловую мощность котла отопления.
  • Указать «период активности котла». Под этим условным термином понимается:

— для твердотопливного котла – известное хозяевам время прогорания топливной загрузки.

— для электрического котла – продолжительность действия ночного льготного тарифа на электроэнергию.

  • Рассчитанная для конкретного дома необходимая тепловая мощность для качественного отопления. В период «активности» котла значительная часть энергии будет уходить по прямому предназначению – на обогрев помещений.

Как самостоятельно произвести расчет необходимой тепловой мощности? Можно перейти по ссылке к соответствующему калькулятору.

Необходимо сразу сделать важную ремарку – принято считать, что установка теплоаккумулятора тогда станет оправданной, когда мощность источника тепловой энергии хотя бы вдвое превышает потребное ее количество для качественного обогрева помещений.

  • Желательно учесть и КПД котла – как ни крути, а потери тепловой энергии в этом плане неизбежны.
  • Наконец, алгоритм расчета требует учета разницы температур в трубе подачи на входе из котла, и в «обратке». Необходимо указать соответствующие значения, которые, в принципе, несложно определить опытным путем.

Полученное значение (в литрах или в кубометрах) является минимальным.

2016-08-18_202905Для чего нужен и как работает теплоаккумулятор?

Подробнее о достоинствах и недостатках, устройстве, схемах подключения и других нюансах, касающихся теплоаккумуляторов для котлов отопления – читайте в специальной публикации нашего портала.

Расчет объема теплоаккумулятора для отопления частного дома, онлайн калькулятор

Теплоаккумулятор – емкость, в которой можно накопить теплоноситель с излишками тепла, вырабатываемыми при использовании твердотопливного котла, солнечных коллекторов или любого другого источника. Далее эту энергию можно использовать для отопления или нагрева горячей воды, когда источники неактивны.

Более подробно о этих емкостях, схемах подключения и особенностях вы можете прочитать здесь.

Что бы теплоаккумулятор правильно и эффективно работал необходимо рассчитать его объем. В противном случаи, при недостаточном объеме, часть тепла будет теряться и КПД вашей системы отопления будет ниже. При значительно большем объеме, чем нужно, вы потратите лишние деньги на само оборудование, а температура в емкости будет немного ниже. Что бы избежать этих проблем можно воспользоваться формулой расчета емкости или нашим онлайн калькулятором.

Онлайн калькулятор

*Если калькулятор показывает 0 (ноль), значить у вас нет излишков энергии, которые можно накопить.

Это приблизительная цифра, максимально приближенная к реальности без учета таких переменных как: вид топлива, КПД котла, энергоэффективность здания. 

Пояснения

Мощность котла по паспорту – каждый производитель указывает ее с документации к оборудованию. Если котел был изготовлен самостоятельно и его мощность неизвестна, примерно определить ее можно опытным путем.

На дом площадью 100 м2 достаточно котла 10 кВт. Если ваш агрегат справляется с задачей обогрева вашего дома, при средней загрузке топки, возьмете за основную величину площадь этого помещения и определите мощность. Нужно понимать что это будут очень средние данные, без учета теплопотерь, энергоэффективности здания и тд.

Мощность, необходимая для отопления вашего дома. Это та энергия, которая нужна для поддержания необходимой температуры. Ее расчет проводит специалист на основе сложных формул и многих переменных. Например, для дома в 100м2 необходимо 8,5 кВт энергии в час. Опят же это очень усредненная цифра.

Температура теплоносителя, подача и обратка. Разница между этими цифрами и будет излишком, который нужно сохранить.

Теплоемкость воды. Это – табличная величина, которая равна 4,19 кДж/кг×°С или 1,164 Вт×ч. Она принимает участие в расчетах и является статистической величиной.

Как рассчитать объем без калькулятора

Расчеты производятся на основе остаточной энергии. За основу берется мощность котла в час и расход энергии на отопление. Так же вычисляется разница между температурой теплоносителя которая подается в систему и возвращается.

Формула выглядит так: m = Q / 1.163 х Δt,

Где:

  • Q – расчетное количество тепловой энергии, которую мы можем накопить. Это разница вырабатываемой мощности котла и необходимой нам для отопления;
  • m – масса воды в резервуаре, кг. Ее мы хотим вычислить;
  • Δt – разница между начальной и конечной температурами теплоносителя, °С;
  • 1.163 кВт/кг – удельная теплоемкость воды.

Часто задаваемые вопросы


Как влияет размер дома на объем необходимой емкости?
Объем дома не влияет никак, влияет эффективность системы отопления и мощность котла. Ведь такие переменные как необходимое тепло для отопления в час и разница между подачей и обраткой как раз являются показателями качества вашей системы.


Чем лучше утеплен теплоаккумулятор, тем эффективнее он будет работать?
По требованиям к установке такая емкость должна находится только в помещении с плюсовой температурой. В этом случаи стандартного утеплителя 10 см толщиной вполне будет достаточно.

Есть случаи когда такие емкости закапывают в землю для сохранения большего количества энергии, однако дальнейшее обслуживание системы становится очень затруднительным.



Эта емкость подходит только для отопления?
Ее можно использовать несколькими способами. Для обеспечения системы отопления или горячей воды. В качестве источника может использоваться твердотопливный котел, электрический котел (пример работающий ночью при установленном двух зонном счетчике и льготном тарифе). При использовании солнечного коллектора, солнечных панелей или ветрогенератора.

Посмотреть все строительные мифы

 

 

Как правильно подобрать объем теплоаккумулятора для частного дома?

Чтобы правильно подобрать объём теплового аккумулятора (ТА) в системе с твердотопливным котлом, нужно учесть сразу несколько факторов. В первую очередь ориентируйтесь на площадь отапливаемых помещений. Чем она больше, тем более вместительную буферную ёмкость потребуется установить. Второй важный момент — это качество утепления в конкретном частном доме. Если теплоизоляция здания выполнена плохо, то его тепловые потери могут значительно превышать стандартные показатели. В результате, общие рекомендации по расчёту объёма теплоаккумулятора для отопления могут не подойти.

Расчет объема теплоаккумулятора для дома по площади

Существуют усреднённые показатели объёма буферной ёмкости для дома с хорошим утеплением. Величина указывается в зависимости от площади помещений и лежит в пределах от 35 до 50 литров на 10 м². Так, например, для дома 100 м² потребуется тепловой аккумулятор вместительностью от 350 до 500 литров, а для дома 150 м² нужно будет установить более просторный резервуар объёмом 500-750 литров.

Тут важно сказать про качество утепления. Суммарные теплопотери дома измеряются в зависимости от его площади. По актуальным СНиПам они не должны превышать 50 Вт на 1 м² в среднем за самые холодные 7 дней в году. То есть потери тепла для дома 100 м² составят 5 кВт·час. Достичь этого можно только если в процессе строительства использовались современные теплоизоляционные материалы с правильным расчётом термозащитного слоя.

Для каждого типа ограждающих конструкций, от фундамента до крыши, существуют свои нормы и предписания по использованию тех или иных материалов с определёнными характеристиками теплопроводности. На теплопотери дома влияет также качество установленных стеклопакетов и дверей. Вместе с тем важно понимать, что даже если эти элементы ограждающих конструкций дома обладают высокой теплозащитой, то ошибки, допущенные в процессе установки хороших окон и дверей могут свести на нет все их положительные качества.

Кроме того, в зависимости от погоды за окном, скорость остывания постройки сильно отличается и расход тепловой энергии для поддержания комфортного уровня температуры будет разным. В межсезонье, когда за окном +3° — +5°, небольшая буферная ёмкость вполне способна выполнять свои прямые задачи и резервуар большего объёма просто не требуется. Но зимой, при -25 °С, чтобы не приходилось ночью вставать и идти подбрасывать дрова в топку, лучше иметь теплоаккумулятор из расчёта не менее 50 л на 10 квадратных метров.

 

Видео с нашим специалистом по подбору теплоаккумулятора?

Как лучше выбирать тепловой аккумулятор

Описанная выше технология подбора основана на практическом опыте установки теплоаккумуляторов в теплосистемы десятков частных домов. Разброс в конечном показателе вместительности ёмкости объясняется не одинаковыми потребностями различных систем отопления. Определяющим фактором здесь является то, насколько часто владелец частного дома готов подбрасывать топливо в свой твердотопливный котёл. Если есть необходимость максимально продлить период между закладками дров, то и объём теплового аккумулятора надо брать по верхней рекомендованной границе.

В то же время, не следует размещать слишком просторный резервуар для теплоносителя. Превышение указанного диапазона делает систему отопления слишком инерционной и снижает её эффективность. Всегда учитывайте, что по законам физики любой дополнительный элемент в системе понижает её КПД. Именно по этой причине более выгодно не выходить за пределы 50 л на 10 м² отапливаемой площади.

С другой стороны, установка буферной ёмкости с большим запасом может быть вполне уместной, если вопрос экономии топлива не стоит остро. Чем больше объём теплоносителя в резервуаре, тем больше тепла он способен запасти и тем дольше он будет поддерживать нужную температуру воды в батареях без необходимости запуска котла. Единственное неудобство, которое здесь появится — это скорость прогрева теплоаккумулятора. Если он значительно больше, чем рекомендовано, то для полноценного нагрева теплоносителя до 85-88 °С может понадобится от 2 до 4 закладок топлива.

С другой стороны, избыточную вместительность буферной ёмкости можно скомпенсировать увеличенной мощностью котла. Но тут уже нужно ориентироваться по размеру бюджета, отведённого на организацию системы отопления. Совокупная стоимость производительного теплогенератора на твёрдом топливе и теплового аккумулятора соответствующего объёма может обойтись недешево. Ходить в котельную только один раз в сутки, конечно, удобно, но и два раза в сутки вполне приемлемый интервал, чтобы не переплачивать в полтора — два раза на создании системы отопления.

Оптимальный объем теплоаккумулятора по мощности котла

Если ориентироваться на мощность установленного теплогенератора, то наиболее выгодным решением будет приобретение резервуара, объёмом по 50 литров на каждый кВт мощности котла. Опять же, цифра усреднённая и берётся исходя из наличия хорошего утепления конструкции дома. Например, если стоит вопрос, как рассчитать объем теплоаккумулятора для твердотопливного котла 12 кВт, то оптимальная вместительность ёмкости составит 600 литров.

Разница в работе ТТ котла с и без теплоаккумулятора

Такое соотношение позволит закладывать топливо в котёл в среднем два раза в сутки. Важно также, чтобы теплоаккумулятор был правильно подключён. Только соблюдение всех правил монтажа и грамотный расчёт каждого элемента системы отопления даст возможность тепловому аккумулятору эффективно накапливать энергию, произведённую котлом. Ошибки в обвязке твердотопливного теплогенератора способны не только заметно снизить КПД работы теплового аккумулятора, но и вообще свести на нет пользу от него.

Главный вопрос при выборе теплоаккумулятора

Система без теплового аккумулятора — это очень нестабильная и капризная теплосистема. При естественных температурных колебаниях на улице, режим работы котла всё время будет нуждаться в регулировке. Без буферной ёмкости, единственный вариант настройки количества теплоотдачи устройства лежит в ограничении интенсивности горения топлива. Процесс может быть реализован только увеличением или уменьшением тяги, то есть регулировкой подачи и оттока свежего воздуха в камере сжигания.

Такой способ контроля производительности теплогенератора неизбежно приводит к неполноценному сгоранию топлива. Вследствие этого в дымовых газах присутствует повышенное количество смолы и сажи, которые постоянно налипают на стенках котла и дымохода. В итоге эксплуатация такой системы отопления требует постоянного техобслуживания в виде трудоёмкой очистки внутренних поверхностей теплогенератора и дымовых каналов от прочного слоя дёгтя.

Можно ещё долго перечислять недостатки теплосистемы без буферной ёмкости, но лучше сразу сказать, что сейчас включение теплоаккумулятора в систему — это необходимость. И лучший вариант, безусловно, размещать резервуар, подбор объёма которого выполнен по указанным выше нормам. Однако, если бюджет ограничен, то установка ёмкости даже меньшей вместительности всё равно заметно облегчит процесс использования твердотопливного котла.

Чем ближе будет объём теплового аккумулятора к рекомендуемым в статье цифрам, тем реже придётся заниматься докладкой топлива в камеру сгорания. И здесь уже надо смотреть на размеры доступного бюджета. Если есть средства на размещение полноразмерного резервуара — хорошо. Если бюджет ограничен, то вполне уместно будет поставить даже небольшой ТА, так как он всё равно продлит время работы теплосистемы от одной загрузки дров. Кроме того, любой теплоаккумулятор защищает систему отопления от перегрева и от возникновения так называемого теплового удара.

Также обязательно принимайте во внимание вместительность вашей котельной. Специалисты рекомендуют устанавливать котёл и буферную ёмкость в отдельно стоящем помещении вне стен частного дома. Однако, это не всегда возможно и нередко котельная находится непосредственно внутри жилого здания. В этом случае её объём может быть ограничен, и установить туда можно только небольшой резервуар.

Если на момент возникновения вопроса «Как подобрать объём теплоаккумулятора?», в наличии есть достаточное количество средств, то оптимальным решением станет обращение к специалистам. Самостоятельное выполнение требуемых расчётов возможно, но только профессиональный инженер по проектированию теплосистем сможет точно сказать, какая ёмкость более предпочтительна для конкретного частного дома.

Теплоаккумулятор

Несмотря на простоту устройства, и очевидность пользы от использования теплоаккумуляторов, данный вид оборудования пока не очень распространен. В этой статье мы постараемся рассказать о том, что такое аккумулятор тепла и преимущества, которые приносит его использование в системах отопления.

 

Что такое теплоаккумулятор (буферная емкость) и его назначение.

Назначение теплоаккумулятора (ТА) будет легче описать на нескольких примерах-задачах. 

Задача первая. Система отопления построена на основе твердотопливного котла. Постоянно отслеживать температуру теплоносителя на подаче и вовремя подбрасывать дрова нет возможности, в результате чего температура подачи то превышает нужную нам, то снижается ниже нормы. Как обеспечить поддержание требуемой температуры теплоносителя?

Задача вторая. Дом отапливается электрокотлом. Электроснабжение – двухтарифное. Как снизить затраты на электроэнергию, уменьшив энергопотребление днем и увеличив ночью?

Задача третья. Имеется система отопления, в которой тепло вырабатывается теплогенераторами, работающими на различных видах топлива и энергии – напр. газе, электричестве, солнечной энергии (гелиоколлекторы), энергии земли (тепловой насос). Как обеспечить их эффективную работу без потерь выработанного тепла, когда в нем нет потребности, при этом обеспечить дом теплом в период пикового энергопотребления?

Не особо вдаваясь в теорию теплотехники, для всех задач напрашивается решение в виде установки в систему буферной емкости, которая служила бы резервуаром для теплоносителя и в которой его температура поддерживалась бы на заданном уровне. Именно такой буферной емкостью и является теплоаккумулятор. Для решения этих задач, теплоаккумулятор обычно включается "в разрыв" системы с образованием котлового и отопительного контуров. Условная схема включения теплоакумулятора в систему отопления изображена ниже на рисунке.

 

Рис. Принципиальная схема включения буферной емкости (теплоакумулятора)

С различными способами включения буферной емкости в систему отопления можно ознакомиться в статье "Схемы подключения теплоаккумулятора". 

В настоящее время тепловые аккумуляторы чаще всего используются в системых отопления с твердотопливными котлами. В этих системах использование теплоаккумулятора позволяет реже загружать топливо, обеспечить комфортное обеспечение теплом независимо от колебаний температуры теплоносителя на выходе из котла. Часто буферные емкости устанавливаются с электрокотлами для экономии средств за счет пониженного ночного тарифа и в комбинированных системах с одновременным использованием твердотопливных и электрических котлов.
Теплоаккумулятор (ТА) бывает полезным в системах и с газовыми котлами, особенно, когда минимальная тепловая мощность котла превышает тепловую нагрузку объекта. За счет более продолжительных периодов «загрузки» ТА (нагрева теплоносителя) удаётся избежать «тактования» котла.

Кроме использования в качестве буферной емкости, ТА выполняет функцию гидравлического разделителя. Особенно это свойство теплоаккумулятора востребовано в системах с генераторами тепла, работающих на различающихся видах энергии (в т.ч. альтернативной). Как правило, эти источники тепла работают на специальных теплоносителях, которые не допускают смешения с другими типами, требуют уникального температурного и гидравлического режима, часто несовместимого с режимами контура отопления (радиаторного, теплого пола). Так, например, диапазон температур теплового насоса составляет обычно ~5°C, а в контуре распределения тепла диапазон температур может быть значительно больше (10-20°С). Для разделения контуров, теплоаккумулятор может быть оборудован дополнительными встроенными теплообменниками.

Основные функции буферной емкости (теплоаккумулятора):
- накопление и поддержание запаса тепловой энергии в виде определенного объема теплоносителя заданной температуры с возможностью ее использования в нужный период времени или при прекращении генерации тепла основными его источниками;
- организация системы отопления на нескольких генераторах тепла разного типа, которые работают с различными температурными и гидравлическими режимами и с использованием разных теплоносителей, а также в различные временные периоды;
- гидравлическое разделение контуров генераторов тепла и отопительного контура, согласование температурных режимов в различных контурах и создание благоприятных условий для работы оборудования, в частности котлов отопления, с максимальной эффективностью. 

Устройство и объем теплоаккумулятора

Типовая конструкция буферной ёмкости.

В базовом исполнении, теплоаккумулятор представляет собой теплоизолированный бак с патрубками подачи и обратки для котлового контура и патрубками для отопительного контура. В самом простом варианте, буферная емкость может иметь всего по одному патрубку – для подачи и обратки.
Если система отопления имеет теплогенераторы на альтернативных источниках энергии, то используются тепловые аккумуляторы более сложной конструкции. Как правило в них имеется один или несколько змеевиков-теплообменников для организации автономных контуров. Емкости для таких систем могут быть укомплектованы насосно-смесительными узлами для различных контуров в заводском исполнении. Дополнительный теплообменник может быть установлен, если теплоаккумулятор используется также для приготовления горячей воды для бытовых нужд. 

Рис. Буферная емкость базовой конструкции

Рис. ТА с дополнительным теплообменником

 

В некоторых случаях в ТА требуется обеспечить качественное разделение слоёв с различной температурой. Для этой цели внутри бака может предусмотрена специальная мембрана. В ряде случаев, в конструкции предусматривается возможность установки электронагревательного элемента.
На видео, которое приведено ниже можно ознакомиться с конструкцией многофункциональной буферной емкости компании Buderus.

Видео. Многофункциональная буферная емкость - теплоаккумулятор Buderus Logalux.

 

Расчёт ёмкости теплового аккумулятора 

Имеется несколько методик расчета объема буферной емкости. Например в одних источниках рекомендуется подбирать ТА из расчета не менее 40 литров на каждый киловатт мощности теплогенераторыа. По другим источникам минимум снижен до 20-ти литров/кВт. Поэтому имеющиеся рекомендации могут не в полной мере отвечать требованиям конкретной системы отопления. Оптимальный объем бака ТА зависит от множества факторов - мощности источника тепла, периодичности выработки тепла, температурного режима отопительного контура, требуемого периода автомномности работы и т.п. На первый взгляд, было бы логично руководствоваться принципом - чем больще ТА, тем лучше, но это правило работает далеко не всегда, так как объем теплоаккумулятора должен быть согласован с возможностью теплогенератора по его наполнению, с учетом экономических факторов (стоимости топлива, электроэнергии и т.п.). 
В расчетах, для упрощения, плотность теплоносителя будем принимать равной единице.

Расчет объема ТА по EN 303-5

В качестве примера, приведем формулу подбора теплоаккумулятора для работы совместно с твердотопливным котлом в соответствии с европейскими нормами.

Расчет объема буферной ёмкости по EN 303-5

Vта=15*Тг*Qн*(1-0,3*Qп/Qmin), где:

 

Vта - Объем теплоаккумулятора, л.;
Тг - Продолжительность горения загрузки топлива при номинальной мощности, час;
Qн - Номинальная тепловая мощность, кВт;
Qп - Потребность объекта в тепле, кВт;
Qmin - Минимальная тепловая мощность котла, кВт.
1,163 - удельная теплоемкость воды (Вт*ч/(кг*К))

Как правило, в расчетах при подборе ТА к твердотопливному котлу, номинальная и минимальная мощность равны.

Пример расчета объема теплоаккумулятора для работы с твердотопливным котлом.

Исходные данные:

Тг - 3 час;
Qн - 25 кВт;
Qп - 20 кВт;
Qmin - 25 кВт

Итого, рекомендуемый объем буферной ёмкости составит Vта=15*3*25*(1-0,3*20/25)=855 л.

Расчет ТА по мощности имеющегося котла

Данный способ расчета напоминает предыдущий и основан на том, что теплоаккумулятор должен вместить все тепло, которое вырабатывает котел за время горения топлива при полной загрузке, при одновременном расходовании его на нужды отопления.  Как уже упоминалась в статье "Схема твердотопливного котла", рекомендуется, чтобы мощность котла превышала максимальную нагрузку системы отопления на ~30%. Формула для такого расчета приобретет следующий вид:

V = (Qн-Qп) *Тг/1,163*(tmax-tн)

Где:
Qн - Номинальная тепловая мощность котла, кВт;
Qп - Потребность объекта в тепле, кВт;
Тг - Продолжительность горения загрузки топлива при номинальной мощности, час;
tmax - максимальная температура теплоносителя в буферной емкости;
tн - расчетная температура подачи в системе отопления.

Пример расчета

Исходные данные:
Тг - 3 час;
Qн - 39 кВт;
Qп - 30 кВт;
tmax - 90°;
tн - 55°С.

Итого, рекомендуемый объем буферной ёмкости составит:  V = (39-30) *3/1,163(90-55)= 663 л.

Оценочный расчет емкости теплового аккумулятора

Иногда используется, так называемый, "оценочный" метод расчета объема ТА. Он применяется тогда, когда нужно определить, на какое время хватит накопленного в буферной емкости тепла, например, для отопления дома без использования котла отопления. Принцип расчета такой же, как и при определении объема бойлера, который мы рассматривали в статье о подборе водонагревателя. В расчете мы сначала вычисляем количество тепла, которое накоплено в баке, затем расчитываем на какое время нам этого тепла хватит. Поясним на примере.

Исходные данные:
Потребность объекта в тепле, Qп - 10 кВт;
Ёмкость теплоаккумулятора, Vта - 800 л;
Температура теплоносителя в ТА, Ттн - 80°С;
Расчетная температура подачи в отопительном контуре, Тп - 50°С
Расчетная температура температура обратки, То - 40 °С

1. Сначала определим полезное количество тепла, накопленного в теплоаккумуляторе. К сожалению, мы не можем использовать всю имеющуюся тепловую энергию. Реально (при небольшом приближении) будет использоваться энергия, высвобождаемая при остывании теплоносителя с максимальной температуры (в нашем случае - 80°С) до рабочей температуры в системе отопления (у нас - 50°С). После этого будет запущен котел отопления. Количество тепла (в квт*час) считаем по следующей формуле (для упрощения расчетов плотность теплоносителя примем за единицу):

Q=1.163*(Ттн-Т)*m 

где: Q- количество тепла, Вт*час, m - масса теплоносителя. 

До снижения температуры в баке до температуры подачи(Тп), ТА работает в автономном режиме без запуска котла. Посчитаем, какое время это займёт:

Q= 1,163 * (80 - 50) * 800 = 18608 Вт*час

18608 Вт*час/10000 Вт = 1,86 часа. Таким образом, в автономном режиме теплоаккумулятор будет обеспечивать дом теплом в течение почти 2-х часов. 

Если котел отопления (например электрокотел) в этом режиме настроен на температуру, равной температуре подачи; то вместе с работой котла будет продолжаться полезно использоваться и тепловая энергия теплоаккумулятора, пока не сравняется с температурой обратки, а это еще дополнительно съэкономленных 9,3 кВт*часа.

 

 

Как рассчитать теплоаккумулятор для твердотопливного котла. Калькулятор

Теплоаккумулятор и Laddomat рекомендуется устанавливать в систему отопления с твердотопливным котлом потому что он дает возможность:

  • котлу - работать в оптимальном тепловом режиме, что существенно продлевает срок службы котла;
  • экономить до 50% топлива;
  • реже растапливать котел;
  • оптимизировать график растопки котла: например, запасать тепло днем и расходовать его ночью.

 

Схема подключения твердотопливного котла с теплоаккумулятором и 3-ходовым термоклапаном


Расчет теплоаккумулятора

Рассчитать мощность теплоаккумулятора можно по формуле:

Q = (C x M x ΔT),

где
Q - мощность теплоаккумулятора, кВт·час
С - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/кг·К
M - масса теплоносителя, кг
ΔT - разница температур в верхней и нижней частях теплоаккумулятора.

Например, возьмем теплоаккумулятор объемом 2000 л, теплоноситель - вода (С = 4200 Дж/кг·К), ΔT возьмем равным 35оС, тогда:

Q = 4200 х 2000 х 35 = 252 МДж = 81,7 кВт·ч.

 

Для дома площадью 200 кв.м примем теплопотери 10 Вт на 1 кв.м площади, т.е. 20 кВт·ч.

Разделив мощность теплоаккумулятора Q на теплопотери дома, получим время нагрева теплоаккумулятора котлом: 81,7 / 20 = 4 часа 5 мин.

Для подбора теплоаккумулятора можно калькулятор.
 

Расчет теплоаккумулятора. Калькулятор

 
Объем ТА Время работы ТА Время зарядки ТА
500 л 0 0
750 л 0 0
1000 л 0 0
1500 л 0 0
2000 л 0 0

Расчет потерь теплоаккумулятора. На сколько хватит теплоаккумулятора?

Как долго теплоаккумулятор сможет обеспечивать теплом систему отопления зависит от трёх основных факторов. Зная каждый из них, можно достаточно точно рассчитать время эффективной теплоотдачи ёмкости. В первую очередь следует учитывать мощность котла, затем во внимание принимаются теплопотери дома и объём буферной ёмкости. Также некоторое влияние будут оказывать объём жидкости в системе, особенности её устройства и другие факторы.

Подробный тепловой расчёт сможет предоставить только специалист, после выезда к вам на участок и детального изучения конкретной отопительной системы. В то же время, установить период эффективной работы теплоаккумулятора можно с хорошей точностью, основываясь на знании только трёх показателях, указанных ранее.

Теплопотери дома

Основой высокой эффективности отопления является качественно выполненная теплоизоляция отапливаемых помещений. Очень важно изначально закладывать в проект дома усиленные меры по теплозащите. Так, например, комнаты многоквартирных домов в большинстве своём состоят из стен, смежных с соседними квартирами. Таким образом, теплопотери жилья в городской многоэтажке ниже, и отсутствие хорошей теплоизоляции в меньшей степени сказывается на комфорте проживания в холодное время года.

Для частного дома хорошее утепление имеет критическое значение. Даже очень мощный котёл не сможет прогреть здание, если ему придётся большую часть своей энергии тратить на нагрев улицы. Если для теплоизоляции вашего дома применялись только базовые технологии, а толщина утепления на крыше и стенах оставляет желать лучшего, рекомендуем попробовать усилить теплоизоляцию. Полученная в результате экономия энергоресурсов вас приятно удивит.

Итак, для расчёта теплопотерь конкретного здания нужно будет выполнить измерения количества затраченной энергии на поддержание в нём тепла. Для определения того, как долго держит тепло буферная ёмкость, нам потребуется узнать потери тепла через конструкции, а также через вентиляцию. Для систем с горячим водоснабжением существует также отдельный показатель потерь через слив нагретой воды в канализацию. Так как в любом случае нам нужны общие данные, которые включают все перечисленные факторы, отдельно их рассчитывать нет смысла.

Расчёт общих теплопотерь

Самый простым методом для определения тепловых потерь конкретной постройки основывается на экспериментальном наблюдении. Нужно измерить какое количество тепла подаётся в систему отопления для поддержания в доме стабильно комфортной температуры. Очевидно, что это значение будет зависеть от температуры на улице, то есть в расчётах будет использоваться разница между внешней и внутренней температурой.

Для начала изучите паспортные данные вашего котла и устройство системы отопления. Допустим, что теплогенератор 24 кВт работает на полную мощность и нагревает воду до 80 °С. Если вода в системе в течение дня была на уровне 65 °С, то котёл работал не в полную мощность. Чтобы получить его актуальную производительность, можно составить простую пропорцию. Выйдет (24кВт*65°С)/80°С = 19,5 кВт. Учитывайте также, что паспортные данные указываются для воды, если в вашем контуре пропиленгликоль, то котёл выдаёт на 20% меньше мощности. Для нашего примера — это 19,5 кВт*0.8 = 15,6 кВт.

Знать только мощность теплогенератора, которая потребовалась для поддержания комфортной температуры, недостаточно. Нужно ещё учитывать разницу температур между показателями внутри дома и на улице. Выполняя наблюдения за температурой воды в системе отопления, фиксируйте также показатели термометра внутри и снаружи дома. Таким образом, вы получите мощность котла для конкретной дельты температур. На основе этих двух показателей уже можно точно установить теплопотери определённого здания.

Допустим, ваши измерения проводились при температуре -37°С на улице, а внутри дома было +20°С. Тогда дельта температур будет 57°С. Если в вашем регионе средняя температура воздуха в отопительный период составляет -20°С, то требуемая мощность котла будет ниже, чем экспериментально установленная вами изначально. Допустим, вам нужно получить в помещениях +23°С при -20°С снаружи, тогда дельта температур = 43°С. Узнаем мощность котла на основе экспериментального значения 15,6 кВт для дельты 43°С. Для этого 15,6 кВт * (43°С/57°С) и получим 11,76 кВт.

Нормы тепловых потерь дома

В нормативной документации указываются тепловые потери для 1 м² жилой площади. В выбранном нами примере площадь дома была 120 м². Для получения точного значения для 1 кв. метра нужно 11760 Вт / 120 м². Получится примерно 98 Вт/м². Эта цифра является достаточно высокой и превосходит нормы, которые рекомендуют актуальные СНиПы, примерно вдвое. Нормативные документы устанавливают стандарт теплопотерь в размере 50 Вт/м².

Тем не менее, не стоит рассчитывать, что, если ваш дом обладает хорошей теплозащитой, значение теплопотерь в нём составит 50 Вт/м². Для примера приведём дом площадью 180 м² из газобетонных блоков Д500 с утеплением стен пенопластом толщиной 10 см, пола — 20 см, а также 40 см плит минеральной ваты на крыше. Так вот, у него теплопотери находятся в пределах 52-53 Вт/м².

Мощность котла

Производительность котла, как правило, выбирается ещё на стадии проектировки системы отопления. Теплогенератор устанавливают из расчёта примерно 1 кВт мощности на 10 м² площади дома. Если котёл больше указанного значения, установка теплоаккумулятора является практически необходимым решением. Буферная ёмкость соберёт все излишки тепла, выработанные котлом и постепенно будет их отдавать в систему ещё долго после остывания топки.

В то же время, даже если ваш теплогенератор оптимально подходит под площадь дома, установка теплового аккумулятора также рекомендуется. Дополнительный резервуар позволит значительно повысить комфортность использования теплосистемы. Температура в доме будет поддерживаться теплом из ТА, когда топливо в котле уже полностью сгорит. Это позволит реже подходить к котлу для обновления закладки топлива.

Среднее значение объёма теплоаккумулятора для каждого «лишнего» киловатта мощности котла составляет 50 литров. Если в вашем доме 100 м² установлен котёл 15 кВт, достаточно будет разместить небольшой ТА на 250-300 литров.

Время «разрядки» теплоаккумулятора

Рассмотрим, как надолго будет хватать теплоаккумулятора, в зависимости от тепловых потерь дома и размеров ёмкости. Расчёт теплопотерь был подробно рассмотрен ранее, поэтому остановимся на стандартной величине 50 Вт/м². Напомним, что это значение следует принимать только для дома с очень хорошими мерами по теплоизоляции. На практике, самостоятельно выстроенный дом с обычной теплоизоляцией может иметь потери до 100 Вт/м².

Если ваш дом строили специалисты, которые выполняли теплоизоляцию по СНиПу, то его теплопотери составят 50 Вт/м² для самой холодной недели в вашем регионе. Для Москвы средняя температура в самую холодную неделю составляет -28 °С. Дому площадью 100 м² потребуется 5 кВт тепла каждый час для поддержания стабильной температуры внутри. За сутки это значение составит 120 кВт.

Минимальная дельта температур, на которую рекомендуется нагревать теплоноситель в буферной ёмкости составляет 40 °С. Выполним расчёт, который покажет, сколько накопит энергии теплоаккумулятор с 1000 л воды. 1 тонна воды требует 1,16 кВт⋅ч энергии для нагрева на 1 °С. Чтобы нагреть 1000 л воды на 40 °С нужно 46,4 кВт⋅ч. Примерно такое же количество тепла в результате отдаст тепловой аккумулятор в систему отопления.

Исходя из этого, зная точные теплопотери дома и размер ТА, можно установить время охлаждения ёмкости на дельту, равную 40 °С. Для примера возьмём дом 100 м² с теплопотерями 5 кВт в час.

Учитывайте, что указанные в таблице цифры могут не совпадать с актуальным временем для вашей системы отопления. Чтобы вычислить самостоятельно, на сколько хватает теплоаккумулятора определённого объёма, вам нужно объём ТА умножить на количество тепла, требуемое для нагрева/охлаждения 1 л на 40 °С и разделить это значение на теплопотери дома. В приведённой таблице для ёмкости 250 л пример расчёта будет выглядеть так: (250 л * 0,0464 кВт⋅ч)/5 кВт⋅ч = 2.32 часа, что составляет примерно 2 часа 20 минут.

Устанавливаем тепловой аккумулятор своими руками

Содержание:

1. Принцип работы тепловых аккумуляторов
2. Правила монтажа теплоаккумулятора в частном доме
3. Сфера применения тепловых отопительных аккумуляторов

Отопление – одна из важнейших систем жилого помещения. На сегодняшний день существует большой выбор приборов, упрощающих хозяевам процесс нагрева жилых построек и отличающихся высоким уровнем функциональности и эффективности. Однако не многие знают о таком оборудовании, как тепловой аккумулятор, принцип работы которого заключается в накапливании тепла на протяжении некоторого времени.

аккумулятор тепла для системы отопления

Типов таких механизмов существует несколько, кроме того, важно отметить, что наибольшей эффективности такие устройства достигают в том случае, если они монтируются в тех отопительных системах, которые работают на твердом топливе. Поэтому следует более детально рассмотреть, каким образом можно соорудить тепловой аккумулятор своими руками, а также изучить особенности его монтажа.

Принцип работы тепловых аккумуляторов


Тепловой аккумулятор в системе отопления работает по следующему принципу: часть тепла, поступающего от котла, идет к дополнительному устройству, помещенному в большой резервуар.

Изначально эти агрегаты не отдают тепло, накапливая его на протяжении некоторого промежутка времени, но при заполнении емкости они могут выделять тепловую энергию при условии неисправности основного оборудования. Это значит, что в том случае, если отопительный аппарат не функционирует, то особый датчик приводит в действие насос, вследствие чего теплоноситель поступает в охлажденную систему.

Безусловно, это приведет к некоторому снижению уровня воды, однако качественная термоизоляция позволит сохранить нужную температуру.

тепловой аккумулятор в системе отопления

Правила монтажа теплоаккумулятора в частном доме


Сконструировать аккумулятор тепла своими руками абсолютно реально, но для этого следует четко соблюдать установленный порядок действий:
  1. Тепловой аккумулятор для отопления имеет в своей конструкции следующие детали:
    - теплоноситель, которым может выступать не только вода, но и, например, камень;
    - электрический нагреватель;
    - теплообменник спиралевидной формы;
    - подводная и отводная части;
    - термометр;
    - элемент, закрепляющий теплообменник и термометр;
    - бетонное основание;
    - бетонный корпус;
    - теплоизоляция;
    - слив теплоносителя.
  2. Подобная система имеет некоторое сходство с принципом функционирования стандартного термоса. Корпус такого аккумулятора можно создать из обычной бочки из металла с объемом не менее 200 литров (почитайте: "Правильная схема отопления с теплоаккумулятором").
  3. Создавая самодельный тепловой аккумулятор, верхнюю часть применяемой бочки нужно обернуть изоляцией, которой может выступать привычная всем минеральная вата. После ее фиксации требуется накрыть всю систему фольгой, а затем закрепить полученную конструкцию скотчем.
  4. Чтобы обеспечить воде качественный обогрев до нужной температуры, тепловые аккумуляторы для индивидуального отопления оснащаются специальными змеевиками или ТЭНами (трубчатыми электронагревателями). Змеевиком может послужить труба из меди диаметром в 2 см, свернутая в спираль.
  5. Верхнюю часть ранее описанной бочки, которая и представляет собой аккумулятор тепла для системы отопления, нужно оснастить парубком отвода, а снизу оборудовать деталь подвода. Так, снизу будет поступать холодный теплоноситель, а сверху выходить уже в нужной степени прогретый.
  6. Изготавливая тепловые аккумуляторы фазового перехода, очень большое значение следует придать такому его свойству, как пожаробезопасность. При возникновении трудностей в процессе монтажа и во избежание неприятностей всегда можно обратиться за советом и квалифицированной помощью к специалистам, способным не только предоставить фото образцов этих устройств, но и выполнить расчет теплового аккумулятора и правильно установить этот механизм.

тепловые аккумуляторы фазового перехода

Сфера применения тепловых отопительных аккумуляторов


Используются эти бытовые нагревательные приборы для разных целей, в частности:
  1. Для того чтобы увеличить эффективность обогрева теплоносителя при острой потребности в постоянном потреблении горячей воды.
  2. При использовании ночного тарифа на электричество. Зарядка аккумулятора будет проходить ночное время, что позволить сэкономить на электроэнергии, а непосредственно в светлое время суток водяной тепловой аккумулятор будет отдавать накопленное за ночь тепло.
  3. В случае, когда используемое топливо относится к твердому типу (уголь, дрова и пр.). При сгорании этих материалов тепловой энергии выделяется с избытком, поэтому значительную ее часть можно направить к аккумулятору. Читайте также: "Как сделать теплоаккумулятор для отопления своими руками – конструкция, особенности устройства".

Подробнее о тепловых аккумуляторах смотрите на видео:



Основываясь на всем вышесказанном, можно с уверенностью утверждать, что тепловой топливный аккумулятор – это универсальное и эффективное оборудование, позволяющее сократить значительную часть расходов на электричество и обеспечивающее помещение дополнительным нагревом. Кроме того, применение таких аппаратов позволит в значительной степени продлить эксплуатационный срок всей отопительной системы.

Расчет теплового индекса

Поиск по городу или почтовому индексу. Нажмите Enter или выберите кнопку Go, чтобы отправить запрос

Местный прогноз от
"Город, ул." или почтовый индекс
Искать WPC

Ежеквартальный информационный бюллетень NCEP
ДПК Дом
Аналитика и прогнозы
Национальный прогноз
Графики
Национальный максимум и минимум
Обсуждения WPC
Анализ поверхности
Дни ½-2½ КОНУС
Дни 3-7 КОНУС
Дни 4-8 Аляска
QPF
PQPF
Чрезмерное количество осадков

Mesoscale Precip
Обсуждение
Прогноз наводнений
Зимняя погода
Сводные данные о штормах
Индекс жары
Тропические продукты
Ежедневная карта погоды
Продукты ГИС
Текущие часы /
Предупреждения
Спутниковые и радиолокационные изображения
GOES-East Satellite
GOES-West Satellite
National Radar
Архив продуктов
Проверка WPC
QPF
Средний диапазон
Диагностика модели
Обзоры событий
Зимняя погода
Международные бюро
Разработка и обучение
Стенд WPC HydroMet
Развитие
Экспериментальные
Продукты
Обзор WPC
О WPC
Миссия и видение
Staff
История WPC
О нашей продукции
Другие сайты
Часто задаваемые вопросы
Метеорологические калькуляторы
Свяжитесь с нами
О нашем сайте
О нашей продукции


Метеорологические преобразования и расчеты

Калькулятор теплового индекса

Как рассчитать индекс жары?

Выберите подходящий калькулятор и введите значения.Затем нажмите «Рассчитать».

Использование температуры точки росы Использование относительной влажности
Температура воздуха

o F o С
Температура точки росы

o F o С

Тепловой индекс =

Температура воздуха

o F o С
Относительная влажность
%

Тепловой индекс =

* Обратите внимание: расчет теплового индекса может дать бессмысленные результаты для температуры и точки росы. вне диапазона, указанного на приведенной ниже диаграмме теплового индекса.

Высокая температура Индексная диаграмма и пояснения

Прогнозы индекса тепла WPC

Больше метеорологических Конверсии и расчеты


NOAA / Национальная метеорологическая служба
Национальные центры экологических прогнозов
Центр прогнозирования погоды
5830 Университетский исследовательский суд
Колледж-Парк, Мэриленд 20740
Веб-группа центра прогнозирования погоды
Заявление об ограничении ответственности
Кредиты
Глоссарий
Политика конфиденциальности
О нас
Карьера
Последнее изменение страницы: Пятница, 3-июл-2020 19:13:13 UTC
.

Расчет теплоизоляции и теплопотерь воздуховодов

Перейти к основному содержанию Home Авторизоваться
  • EN
  • CZ
  • RU

Форма поиска

Поиск

  • Товары
    • Единицы
      • AeroMaster Cirrus
      • AeroMaster XP
      • AeroMaster FP
      • Vento
      • ТОРТ
    • Воздушные завесы
      • DoorMaster C
      • DoorMaster D
      • DoorMaster P
    • Системы управления
      • VCS
      • Мобильное приложение
  • заявка
    • Нормальная вентиляция
    • Бассейновые залы
    • Чистые помещения и здравоохранение
    • Сейсмические районы
  • Ссылки
  • Служба поддержки
    • Программное обеспечение для проектирования AeroCAD
    • Форма гарантийного требования
  • Сервисы
  • О нас
    • Профиль компании
    • Новости
    • Материалы для скачивания
  • Контакты
    • Штаб-квартира
    • Отдел продаж CZ / SK
    • Дилерский центр
    • Отдел обслуживания
    • отдел кадров
  • Скачать
  • диаграмма h-x
  • Расчет свойств влажного воздуха
  • Расчет площади вентиляционной установки
  • Расчет поперечного сечения воздуховодов
  • Расчет теплоизоляции и теплопотерь воздуховодов
  • Расчет удельной потери давления в воздуховоде
  • Конвертер единиц массового расхода воздуха
  • Общий расчет потери давления при местном сопротивлении
  • Расчет состояния воздуха при нагреве и мощность нагревателя

тел.+420 571 877 778

факс +420 571 877 777

электронная почта [email protected]
  • © 2020 REMAK a.s. | Администрация Gapanet solution s.r.o.
.Коэффициент теплопередачи

- Calculator.org

Что такое коэффициент теплопередачи?

internals of industrial heat exchanger

В химической и механической инженерии коэффициент теплопередачи используется для расчета теплопередачи между жидкостью и твердым телом, между жидкостями, разделенными твердым телом, или между двумя твердыми телами, и является обратной величиной для теплоизоляции . Коэффициент теплопередачи выражается в единицах СИ Вт / (м 900 · 10 2 K) и рассчитывается следующим образом:

h = ∆Q / (A ∆T ∆t)

где h - коэффициент теплопередачи, ∆Q - подвод тепла в систему или потери тепла, A - площадь поверхности, по которой передается тепло, ∆T - разница температур между продаваемой поверхностью и окружающей средой, и ∆t - изменение во времени, включающее период времени, в котором произошла теплопередача.

В зависимости от способа передачи тепла коэффициент теплопередачи рассчитывается различными способами. Большинство твердых веществ обладают известной теплопроводностью, которую можно использовать в качестве основы для расчета коэффициента теплопередачи. Очень распространенная инженерная проблема - передача тепла между жидкостью и твердой поверхностью. Наиболее распространенный способ решения этой проблемы - разделение теплопроводности конвекционной жидкости на масштаб длины. Также принято вычислять коэффициент с числом Нуссельта (одна из множества безразмерных групп, используемых в гидродинамике).

В условиях принудительной конвекции (тип теплопередачи, при котором движение жидкости создается внешним источником, а не просто плавучестью нагретой жидкости), можно определить коэффициент теплопередачи с помощью корреляции Диттуса-Боелтера. Это может быть полезно при разработке теплообменников, которые представляют собой устройства, предназначенные для передачи тепла от одной среды к другой в коммерческих целях. Одним из примеров теплообменника является радиатор в вашем автомобиле, но есть и многие другие.Теплообменники используются в холодильном оборудовании, кондиционировании воздуха, химических заводах и обогреве помещений, и это лишь некоторые из них. Хотя корреляция Диттуса-Боелтера не совсем точна, она полезна для некоторых приложений и, по оценкам, имеет точность в пределах 15 процентов. Используя корреляцию Диттуса-Боелтера, коэффициент теплопередачи можно рассчитать следующим образом с использованием двух дополнительных безразмерных групп, числа Рейнольдса и числа Прандтля:

h = (k w / D H ) * Nu

, где k w - теплопроводность жидкости, D H - гидравлический диаметр, а Nu - число Нуссельта, которое определяется по следующему уравнению:

Nu = 0.023 Re 0,8 Pr n

В этом уравнении Re - это число Рейнольдса, которое равно:

Re = (м D H ) / (μ A)

А Pr - число Прандтля, равное:

.

Pr = (C p * μ) / k w

Для числа Рейнольдса m равно массовому расходу, а A - площадь поперечного сечения потока, взятого из трубки. Для числа Прандтля C p равно теплоемкости (при условии постоянного давления), и в обоих уравнениях μ - это вязкость рассматриваемой жидкости.Число Рейнольдса является мерой относительной важности вязких и инерционных сил (которые вызывают турбулентность). Когда у нас есть все эти факторы, мы можем получить достойную оценку скорости теплопередачи через конкретный тип теплообменника, который мы планируем разработать.

Уравнение для скорости теплопередачи Q записывается следующим образом:

Q = 1 / ((1 / ч) + (т / к)) A ΔT

где t - толщина стенки, через которую передается тепло, A - площадь передачи, а k - теплопроводность среды.

Теплообменники во многом похожи на электрические цепи. Тепловой поток аддитивен по параллельным «контурам» и обратно аддитивен по последовательно включенным процессам теплообмена. Таким же образом работает и коэффициент теплопередачи. Для параллельно соединенных процессов теплообмена общее значение h равно:

h = h 1 + h 2 + h 3 + ... + h n

, где каждый подпроцесс имеет собственный коэффициент теплопередачи.Для последовательно соединенных процессов теплопередачи уравнение записывается как:

ч = 1 / ч 1 + 1 / ч 2 + 1 / ч 3 + ... + 1 / ч n

Добавьте эту страницу в закладки в своем браузере, используя Ctrl и d или используя одну из следующих служб: (открывается в новом окне) .

Расчет радиаторов

Расчет радиаторов

Введение

При проектировании электронных схем малой мощности тепловой расчет часто может можно пренебречь, но если схема имеет дело с большей мощностью, как в силовой усилитель или источник питания, тепловая оценка является обязательной.

Если силовые транзисторы (и силовые компоненты) не охлаждаются должным образом, они перегревается и обычно взрывается через несколько минут (или даже несколько секунд).

Оценка мощности, рассеиваемой силовыми транзисторами, занимает много времени. сложная история, зависящая от конфигурации схемы и режима работы схемы (точка смещения, рабочий цикл, частота, ...). Но здесь мы полагаем, что эта информация известна. Если нет, то все еще можно попытаться угадать, зная, например, эффективность схемы или применяя закон Джоуля ( P = U · I ) на предполагаемые составляющие напряжение и ток.

В конце тестовая фаза с мониторингом всех температур в течение нескольких часов. очень хорошая идея: любая ошибка или неправильная оценка в тепловом расчете легко обнаружить и исправить.

Старое эмпирическое правило "если вы можете держать его за руку, это не слишком hot "по-прежнему хорошо применяется; обратное не обязательно верно ( транзистор при 80 ° C слишком горячий, но может работать нормально). В любом случае, иметь очень горячие компоненты - плохая идея, потому что вы можете получить травму, если вы случайно прикоснетесь к ним. Если вам нужно, вам придется добавить некоторые защиты, такие как сетки или ограждения. чтобы избежать случайных контактов. А у холодных компонентов срок службы больше, чем у горячих.


Тепловые эквивалентные схемы

Тепло самопроизвольно и естественно перетекает от горячего тела к холодному за счет проводимость, конвекция, излучение или комбинация этих трех.Количество поступающего тепла примерно пропорционально температуре разница между двумя телами и обратно пропорциональна так называемой "термическое сопротивление", которое является свойством материала между два тела. Материалы с высоким термическим сопротивлением называют теплоизоляторами (дерево, минеральная вата и многие пластмассы - хорошие теплоизоляторы) и материалы с низким термическим сопротивлением называются теплопроводниками (медь и алюминий являются очень хорошими проводниками тепла).

Аналогия с минимумом Ома проста. По закону Ома ток пропорционален разности напряжений и обратно пропорционально электрическому сопротивлению. Поэтому мы можем использовать следующую замену:

Электрооборудование Тепловой
Напряжение (разность потенциалов)
[В]
Разница температур
[K] или [° C]
Ток
[A]
Тепловой поток (мощность)
[Дж / с] = [Вт]
Электрическое сопротивление
[Ом] = [В / А]
Тепловое сопротивление
[К / Вт] или [° C / Вт]

Тепло измеряется в Джоулях, а тепловой поток - в Джоулях в секунду, что также является размерность мощности (1 Вт = 1 Дж / 1 с).Таким образом, тепловой поток - это не что иное, как передаваемая тепловая энергия.

Тепловое сопротивление обычно выражается в К / Вт или в ° C / Вт. Поскольку он основан на разнице температур, а не на абсолютном температуры, обе единицы абсолютно эквивалентны, что означает, например, что 3,5 К / Вт ≡ 3,5 ° C / Вт. На этой странице используются ° C / Вт, потому что температуры также выражаются в ° C, но K / W будет точно таким же.

Возьмем пример: у нас есть компонент, рассеивающий мощность 10 Вт.Тепловое сопротивление между компонентом и окружающей средой составляет 2 ° C / Вт. Температура окружающей среды 25 ° C. Мы хотим знать температуру компонента. В нашей эквивалентной схеме мощность, рассеиваемая нашим компонентом, равна представлен источником «тока», создающим поток мощностью 10 Вт. Термическое сопротивление представлено "сопротивлением" 2 ° C / Вт, а температура окружающей среды представлена Источник «напряжения» 25 ° С. Предполагается, что потенциал земли равен 0 ° C, но это значение не является допустимым. важно, потому что все основано на разнице температур и никогда не появляется в расчетах.Эта схема показана на картинке ниже:


Пример тепловой эквивалентной схемы описан в тексте.

Легко понять, что 10 Вт при тепловом сопротивлении 2 ° C / Вт вызывают повышение температуры на 10 Вт · 2 ° C / Вт = 20 ° C. Эта температура добавляется к температуре окружающей среды, и мы находим 20 ° C + 25 ° C = 45 ° C и это это температура, которую мы ищем. Нет ничего, кроме минимума Ома, и уравнения действительно просты.

Этой очень простой модели достаточно для проектирования большинства радиаторов, используемых в электроника: вычисляет установившееся состояние тепловой цепи или в другом Словом, состояние системы после долгой эксплуатации. Можно также смоделировать теплоемкость, добавив эквивалентные конденсаторы между каждый (соответствующий) узел и «тепловое» заземление. Это позволило бы вычислить тепловой отклик как функцию времени, чтобы увидеть сколько тепловых импульсов усредняется, но было бы за пределами возможности калькуляторы на этой странице; вам понадобится "карандаш" и бумажная "работа или использование и симулятор аналоговой схемы".


Рассеивание без радиатора

Иногда достаточно рассеивания одного компонента и радиатора не требуется. обязательный. А некоторые компоненты вообще не предназначены для установки на радиатор. Но если мощность рассеивания значительна по сравнению с размером компонента, в любом случае следует провести тепловую оценку.

В этом случае тепловая схема очень проста и представлена ​​в диаграмма ниже:


Эквивалентный тепловой контур без радиатора.

Следующий калькулятор выполнит вычисления за вас, просто введите 3 из 4 значения, оставляя неизвестное пустым. Затем нажмите кнопку «рассчитать», чтобы рассчитать и заполнить отсутствующее значение.


Калькулятор радиатора

Для увеличения рассеиваемой мощности требуется радиатор. Эквивалентная тепловая схема немного сложнее, но все же очень проста, как видно на рисунке ниже:


Эквивалентный тепловой контур с радиатором.

Здесь нам нужно иметь дело с большим количеством переменных, и нам может потребоваться больше, чем один неизвестный. Введите все известные данные в калькулятор ниже и оставьте поля пустыми. для вычисления, затем нажмите кнопку "вычислить", чтобы вычислить и заполнить в заготовках. Возможны не все комбинации; если данных недостаточно; всплывающее окно коробка предупредит вас. Убедитесь, что неизвестные поля полностью пусты: пробел не будет работай.

Коэффициент принудительного воздушного потока F учитывает дополнительный вентилятор, который нагнетать холодный воздух через ребра радиатора (увидеть ниже).Установите F на 1, если нагнетатель не используется.


В спецификациях компонентов вы обычно найдете все необходимые данные о тепловой расчет. Иногда техническое описание недоступно, поэтому можно использовать следующую таблицу. удобен для примерной оценки необходимых параметров по корпус транзистора (или ИС).

Некоторые транзисторы имеют лучшие тепловые характеристики, чем другие, даже если они у них такой же корпус, но по порядку величины такой же. Имея представление об ожидаемых тепловых характеристиках компонента также помогает обнаруживать ошибки в расчетах или в таблицах данных.В случае сомнений выберите более высокое тепловое сопротивление и более низкий уровень спая. температура.

В таблице выше представлены пять характеристик: R th, J-C , R th, J-A , P до @ T A , P до @ T C и T J .

R th, J-C - тепловое сопротивление между полупроводниками. соединение (например, кремниевый чип) и корпус (или часть корпуса, которая предполагается установить на радиатор).

R th, J-A - термическое сопротивление между переходом (микросхемой) и эмбиент напрямую. Это особенно важно, если компонент монтируется без нагрева. тонуть. Когда используется радиатор, им можно пренебречь, поскольку R th, J-C намного ниже.

P tot @ T C - максимальная тепловая мощность, которую транзистор может сопротивляться при высокой температуре корпуса, в то время как P tot @ T A - мощность при сохранении корпус транзистора при температуре окружающей среды (с очень большим радиатором).Второе значение обычно намного больше. Имейте в виду, что при использовании большого количества транзисторов вам нужно уменьшить мощность, если она работает при высокой температуре, чтобы избежать других проблем с кремнием, таких как вторая разбивка, но это выходит за рамки цели данной страницы. Если возможно, взгляните на таблицу транзисторов.

T J - максимальная температура перехода (чипа). Обычно кремний может нагреваться до 200 ° C, но многие производители указывают более высокую температуру. консервативная 150 ° C или даже меньше. Если вы все еще разрабатываете с использованием старых германиевых транзисторов, T j не должен превышают 90 ° C.Я обычно уменьшаю значение, указанное в таблице, на 30% для большей безопасности. прибыль.


Тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором зависит от от способа монтажа транзистора и размера контактной площадки. Маленькие транзисторы типа ТО-126 имеют более высокое тепловое сопротивление, чем большие. вроде ТО-3. Опять же, если у вас есть точные данные производителя, используйте их. Если нет, то следующая таблица может дать вам представление об этом дополнительном тепловое сопротивление.

Есть несколько способов установить транзистор на радиатор в зависимости от между транзистором и стоком должна быть электрическая изоляция или не. Необходимо найти тонкий баланс между тепловой эффективностью, безопасностью и время сборки и электрические характеристики. Если электрическая изоляция не требуется, это приводит к лучшему тепловому связаться, но это решение не всегда возможно. Часто радиатор необходимо заземлить, особенно если по соображениям безопасности он расположен снаружи корпуса.Внутренние радиаторы могут быть изолированы от корпуса и установлены на плаву. разный потенциал, позволяющий прямую установку транзисторов, но случайный Емкость все еще может быть проблемой на высоких частотах. Внутренние радиаторы менее эффективны, чем внешние, если только не установлен вентилятор. используемый.

Если транзистор необходимо изолировать, используйте тонкий теплопроводящий Необходимо использовать электроизоляционную фольгу. Эти изоляторы бывают двух основных типов: слюды и изоляторы на основе кремния. изоляторы.Слюдяная фольга тонкая, твердая, хрупкая и прозрачная. Они очень похожи на стекло и легко ломаются при сгибании. Изоляторы на основе кремния немного толще, гибче, похожи на резину из фольги.

Если ваши транзисторы доступны извне (например, TO-3 на внешнем радиаторов), на них следует надеть изолирующие крышки, чтобы предотвратить случайное контакты и возможные короткие замыкания из-за внешних металлических предметов.

Даже не думайте об использовании куска картона или пластика для изоляции вашего дома. транзисторы: подавляющее большинство электроизоляторов плохо греют проводники, что приводит к плохой теплопередаче.Ваш транзистор не прослужит долго! Используйте только слюду или специальные изолирующие прокладки.

Проблема слюды (и всех твердых поверхностей) в том, что поверхность не идеально гладкая, предотвращая идеальную теплопередачу. Обычно используется специально разработанная смазка для радиаторов; это термически проводящий, но электрический изолятор. Эта смазка заполняет микроскопические зазоры между двумя поверхностями и улучшает теплопроводность. Это отличная идея: всегда используйте его с подушечками из слюды (с обеих сторон) и даже когда транзисторы устанавливаются напрямую без какой-либо электрической изоляции: теплопроводность значительно улучшена.Требуется совсем немного смазки: просто вставьте мм 3 или около того в посередине, и при затяжке крепежного винта (-ов) он будет в основном выдавливаться.


На этом рисунке показаны слюдяная изолирующая прокладка и тюбик с термопастой.

Но есть альтернатива слюде и смазке: подушечки на основе силикона. Они мягкие: при сжатии заполняют зазоры и дают хороший термический контакт. Смазка не требуется, поэтому руки (и тряпки) не будут заполнены ею. белый материал.


На этом рисунке слева показаны изоляторы на основе кремния и немного слюды. изоляторы справа.

При установке силовых транзисторов на радиаторы не используйте пластиковые винты: они размягчаются от тепла и больше не сталкивают две поверхности вместе, что приводит к резкому увеличению термического сопротивления. Используйте металлические винты с изолирующими втулками и пружинной шайбой. Втулка предотвращает соприкосновение винтов с транзистором и пружиной. шайба толкает все детали вместе, даже когда металл сжимается и расширяется при изменении температуры.

На следующем рисунке все необходимые элементы для правильного монтажа показаны транзисторы: слева направо сначала винт M3 подходящая длина. Если используются винты с дюймовой шкалой, обычно используются # 4-40. Тогда есть дополнительный тег провода, если вам нужно подключить провод к корпус транзистора. Он следует за изолированным вводом и силовым транзистором. Затем у нас есть изоляционная прокладка на основе силикона (которую можно заменить слюдяная фольга, смоченная с обеих сторон термопастой) и радиатор.Если радиатор не имеет резьбового отверстия (как это), с другой стороны сбоку еще понадобится шайба и гайка.


На этом изображении показаны все необходимые компоненты в правильном порядке для установите силовой транзистор на радиатор.


Когда вы покупаете новый радиатор, у вас обычно есть вся необходимая информация в даташите, предоставленном производителем. Но когда вы используете подержанный радиатор из своего мусорного ящика, шансы что вы не найдете точных данных.Итак, следующая таблица будет полезна при поиске аналогичного радиатора и угадать термическое сопротивление. Большие радиаторы имеют низкое тепловое сопротивление и наоборот.

*: Поскольку этот радиатор предназначен для 4 транзисторов, каждый видит тепловую сопротивление в 4 раза выше. При установке более одного транзистора на одном приемнике представьте, что врезаете его равные части и затем поместите каждый транзистор в середину каждого "раздел"; не кладите их близко друг к другу на одной стороне раковины.


Правильное положение установки четырех силовых транзисторов на одном нагревателе тонуть. Красные пунктирные линии представляют виртуальное деление на четыре равных меньших. радиаторы.

Имейте в виду, что радиаторы из прозрачного металла имеют на 10% больше тепла. сопротивление, чем у черных анодированных, и это причина того, что большие Большинство радиаторов черные: просто они более эффективны.

Если вы установите радиатор горизонтально, а не вертикально, естественный воздушный поток будет менее эффективным, а тепловое сопротивление увеличится на около 25%.


Небольшие радиаторы индивидуальной конструкции

Небольшие радиаторы, состоящие из куска листового металла (алюминия), могут быть рассчитывается по следующей эмпирической формуле [1], что справедливо только для небольших поверхностей, скажем, менее 100 см 2 :

Где A HS - поверхность металлической пластины в см 2 и R th, HS-A - это тепловое сопротивление от радиатора к окружающей среде. в ° C / Вт.

Металлическая поверхность должна быть необработанной (блестящий металлический цвет) и толщина должна превышать 1.5 мм. Радиатор предполагается устанавливать вертикально, вертикальных изгибов нет. Соответствующий. Конечно, металлическая пластина должна быть максимально квадратной (или слегка прямоугольной формы), а горячий транзистор следует разместить посередине. Если форма металла представляет собой очень длинный прямоугольник, полученный термический сопротивление будет выше. Если вы используете черный анодированный алюминий, уменьшите тепловое сопротивление на 10%. Используйте исключительно хорошие теплопроводы, такие как алюминий или медь.

Следующий калькулятор вычислит эту формулу за вас:


Когда вентилятор пропускает воздух через радиатор, ситуация становится сложнее.Следующая эмпирическая формула значительно упрощает задачу [1]:

Где F - безразмерный коэффициент, а D - расход воздуха в м 3 / ч.

Таким образом, фактическое тепловое сопротивление радиатора уменьшается на (мультипликативную) Коэффициент F зависит от расхода воздуха: чем больше расход, тем меньше коэффициент F.

Эта формула действительна только для потоков от 30 до 350 м 3 / ч.

Следующий калькулятор вычислит эту формулу за вас:

При использовании воздуходувки необходимо убедиться, что весь воздушный поток проходит через радиатор целиком, просто обдуть радиатор с расстояния недостаточно.Также имейте в виду, что вам необходимо создать «канал» для прогнать воздух через радиатор. Поток должен быть организован таким образом, чтобы воздух мог попадать в воздуходувку. с одной стороны пройти через раковину и выйти с другой стороны. Просто продуть тот же воздух внутри герметичного корпуса малоэффективно: вы должны позволить свежему воздуху входить в корпус, а горячий воздух выходить из другая сторона. Старайтесь не размещать входные и выходные отверстия для воздуха на одной стороне корпус, чтобы избежать всасывания горячего воздуха.Размер, форма и количество отверстий, через которые поступает (и выходит) воздух, равны важно и может значительно уменьшить воздушный поток вентилятора: более открытый поверхность, тем лучше.

Иногда нагнетатели выходят из строя, и ваша схема может перегреться: это хорошая практика. включить термовыключатель на раковине, который отключит питание, если температура поднимается слишком высоко.


Вы можете подумать, что температура окружающей среды T a самая легкая. число, чтобы вычислить, но оно заслуживает мудрой оценки.Кто-то выбирает для комнатной температуры 20 ° C, кто-то выберите 25 ° C или даже 27 ° C (300 K), но эти температуры слишком низкие для нашего расчета. Всегда следует учитывать максимально возможную рабочую температуру Схема: в жаркий летний день можно легко превысить указанные значения. Для домашнего применения обычно значения около 50 ° C, для промышленного приложения нередко повышаются до 60 ° C и более.

Тогда, если у вас нет нагнетателя и все охлаждение осуществляется естественным конвекция, безопаснее дополнительно увеличить ее на 5-10 ° C, особенно если у вас внутренний радиатор.Причина в том, что без вентилятора температура по соседству радиатора выше, чем в остальной части комнаты.


Изображение внутреннего радиатора. Обратите внимание, как два транзистора расположены на раковине, чтобы каждый из них находится в середине своей половины радиатора.

При использовании внутреннего радиатора убедитесь, что на нем установлены большие вентиляционные решетки. снизу и сверху корпуса, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха через раковину.Естественная конвекция воздуха всегда направлена ​​вверх: вход и выход воздуха должны быть очень близко к радиатору, избегая неэффективных длинных горизонтальных путей.


Заключение

Простой метод проектирования радиатора и теплового потока энергии. полупроводники. Многие стандартные значения для общих компонентов сведены в несколько таблиц. чтобы сделать "хорошее предположение", если точные данные от производителя недоступно, так как это почти всегда бывает, когда вы строите что-то с компоненты вашего мусорного ящика.

Все тепловые расчеты необходимо проверить на практике, особенно если вы сделали много гаданий. Дать вашей схеме поработать несколько часов, контролируя температуру сообщит вам, насколько хорош ваш расчет и приближаетесь ли вы к завершению до максимальной температуры, возможно, вам придется немного изменить свой дизайн.


Библиография и дополнительная литература

[1] Nuova Elettronica. Accidenti поставляется с коротким транзистором. 1978, том 11, страницы 58-102
[2] Nuova Elettronica. Все без исключения раффреддаменто. 1995, rivista 180, страницы 2-21
[3] П. Горовиц, В. Хилл. Искусство электроники. 2 nd Edition, Cambridge University Press, 2001, страницы 312-316


.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *