(495) 766-86-01603-971-803
Мы работаем по выходным - тел. 8-926-197-21-13
 

Как повысить теплоотдачу батареи отопления


повышаем температуру в отопительный сезон

Часто в квартирах, особенно старой застройки, с каждым годом зимой становится всё холоднее. Людям приходится приобретать и использовать электрические отопительные приборы, что приводит к существенному повышению стоимости коммунальных услуг. Но зачем переплачивать за перерасход электроэнергии, если есть более дешёвые варианты исправления ситуации? Сегодня мы расскажем о простых способах увеличения теплоотдачи батарей отопления, которые не требуют значительных затрат, воплотить в жизнь которые вполне по силам любому домашнему мастеру. Стоит рассмотреть и причины, приводящие к снижению температуры в помещении.

Забитые каналы секций радиатора – частая причина снижения температуры в помещении

Содержание статьи

Частые причины уменьшения теплоотдачи батареи отопления

Чаще всего причиной уменьшения теплоотдачи радиаторов становится накипь и ржавчина, скапливающаяся внутри. Если сам радиатор промыть (что должны делать коммунальные службы ежегодно), то теплоотдача значительно увеличится. То же касается и стояков отопления. Однако, своими силами такую процедуру произвести не удастся по причине того, что при производстве подобных работ (даже летом) необходим слив воды из системы. Без помощи специалистов здесь не обойтись. Это же касается и замены радиаторов с чугунных на биметаллические – они имеют большую теплоотдачу. Поэтому на столь сложных и трудоёмких вариантах мы останавливаться не будем. Лучше рассмотрим более простые способы, выполнить которые сможет любой домашний мастер, даже не имеющий опыта работ в подобной области.

Теплоотдача биметаллических радиаторов выше, чем у чугуна

Используем экран-отражатель: применение вспененного полиэтилена

Использование отражающего экрана – довольно популярный метод увеличения теплоотдачи. Вспененный полиэтилен с фольгированным покрытием с одной стороны прекрасно подходит для этих целей. Такой экран (он должен быть больше самого радиатора) помещается за батареей фольгой в направлении комнаты и фиксируется на стене на двухсторонний скотч или жидкие гвозди. Вспененный полиэтилен обеспечивает дополнительное утепление, а фольга отражает тепло, которое до установки экрана прогревало стену, направляя его в помещение.

Важная информация! Лучше всего, когда такие моменты продумываются ещё на этапе монтажа батарей отопления. В этом случае за радиатором можно закрепить стальной ребристый щит, который будет накапливать тепло, после чего направлять его в комнату. Такие щиты удобны, если часто происходят отключения отопления.

Примерно так выглядит экран из фольгированного вспененного полиэтилена

Также в роли экрана неплохо себя зарекомендовали базальтовые плиты с алюминиевым покрытием.

Увеличение теплоотдачи при помощи дополнительных приспособлений и окраски

Для увеличения температуры воздуха в помещении используют специальные кожухи из алюминия, которые одеваются на радиатор. С их помощью увеличивается площадь батареи отопления и, как следствие, их теплоотдача. Стоимость подобных кожухов невелика, а эффект довольно значителен.

Цвет, в который окрашены батареи отопления , тоже имеет большое значение. Лучше для этих целей выбрать более тёмные оттенки. К примеру, радиатор, окрашенный в коричневый цвет имеет теплоотдачу больше, чем белые, на 20-25%.

Такой кожух улучшает внешний вид и увеличивает теплоотдачу

Улучшение конвекции, путём увеличения циркуляции воздуха

Каждый знает, что улучшение циркуляции воздуха способствует более быстрому прогреву помещения. Для этих целей можно использовать вентилятор, который устанавливается таким образом, чтобы достигнуть максимального потока тёплого воздуха в сторону помещения.

Полезная информация! Если дома имеются кулеры от компьютеров, которые не используются, можно их установить под радиатором, направив поток воздуха вверх. Это максимально увеличит конвекцию, в результате чего в комнате станет значительно теплее.

Увеличить конвекцию (если радиатор утоплен под подоконником) можно, прорезав в подоконнике отверстия и закрыв их экранами или декоративными крышками . Таким образом, тёплый воздух не будет задерживаться в нише, что улучшит циркуляцию.

Эту страну не победить! Самостоятельный монтаж вентиляторов для улучшения конвекции:

Общие правила улучшения теплоотдачи радиаторов отопления

Для того чтобы в будущем не сталкиваться с уменьшением теплоотдачи батарей, стоит об этом подумать ещё на этапе монтажа радиаторов. Основными правилами являются:

  • обязательное утепление стены за радиатором, возможная установка стального экрана;
  • установка биметаллических батарей взамен чугунных;
  • монтаж кранов на входе и выходе радиатора (это позволит при необходимости самостоятельно промыть секции или добавить дополнительные без отключения и слива всей системы).

Если соблюдать эти нехитрые правила при монтаже, впоследствии будет намного проще увеличить температуру в помещении без обращения за помощью к специалистам. А это дополнительная экономия семейного бюджета.

Не очень удачное решение:решётка перекрывает путь теплу, а подоконник добавляет проблем с конвекцией

Подведём итог

Способов увеличить теплоотдачу радиаторов отопления очень много. Сегодня мы рассмотрели лишь основные из них. Однако, следует помнить, что всегда проще всё продумать заранее, на стадии монтажа, чем прикладывать множество усилий впоследствии, без уверенности в том, что результат будет значительным. К сожалению, в России всё делается на «авось». Заключительным советом редакции Homius.ruбудет такая рекомендация: думайте о будущем и не жалейте средств при монтаже. Сэкономленные сегодня финансовые средства могут завтра обернуться затратами, которые в разы превысят Вашу экономию.

Наиболее оптимальный вариант – всё тепло поднимается вверх, благодаря чему создаётся нормальный теплообмен

Надеемся, что изложенная в сегодняшней статье информация была интересна и полезна нашему Уважаемому читателю. Несмотря на то, что мы постарались изложить всё достаточно подробно, возможно, у Вас остались вопросы по материалу. В этом случае задавайте их в обсуждениях ниже – редакция Homius.ru с удовольствием на них ответит в максимально сжатые сроки. Если вы знаете способ улучшить теплоотдачу радиаторов, который не нашёл отражения в сегодняшней статье, просим поделиться им с другими домашними мастерами – эта информация будет весьма полезна. А напоследок предлагаем посмотреть короткий, но достаточно информативный видеоролик по сегодняшней теме.

 

Предыдущая

Инженерия🔥 Невидимое тепло: гипсокартонное инфракрасное отопление

Следующая

Инженерия☀ Тепловая завеса на входную дверь: комфортная температура в помещении при любом морозе

Понравилась статья? Сохраните, чтобы не потерять!

ТОЖЕ ИНТЕРЕСНО:

ВОЗМОЖНО ВАМ ТАКЖЕ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

Теплопередача и энтропия | IntechOpen

1. Введение

Когда вы читаете стандартный учебник по термодинамике (например, [1-3]) в качестве одной из наиболее фундаментальных формул, вы обнаружите, что

указывает на то, что (процесс) количество тепла (δQ), очевидно, близко связаны с (государственной) количественной энтропией (dS), здесь обе записаны как бесконечно малые величины.

Если же вы проделаете то же самое со стандартным учебником по теплопередаче (например, [4] с 1024 страницами или [5] с 1107 страницами), вы не найдете энтропии ни в указателе этих книг, ни в тексте. .

Для этого могут быть две причины: либо энтропия оказалась несущественной для анализа теплопередачи, либо энтропия сознательно игнорируется сообществом теплопередачи, несмотря на ее актуальность. Что является правдой - это пока открытый вопрос, и на него можно ответить только при учете термодинамических соображений.

В термодинамике значение энтропии по отношению к теплопередаче не вызывает никаких споров, в ее значимости должно быть убеждено сообщество теплопередачи.Лучше всего это можно сделать, продемонстрировав преимущества включения энтропии в анализ теплопередачи, а также продемонстрировав недостатки, с которыми приходится сталкиваться, когда энтропия игнорируется.

2. Термодинамический взгляд на теплообмен

2.1. Общие соображения

Инженеры, использующие фразу «теплопередача», не будут обеспокоены представлением о том, что тепло перемещается через границу системы и затем накапливается в ней, увеличивая ее теплосодержание.

Однако такая аргументация нарушает как минимум два принципа термодинамики и упускает из виду важный момент.С точки зрения термодинамики тепло - это величина процесса, которая описывает определенный способ передачи энергии через границу системы. И, конечно, это количество не может быть сохранено, может храниться только энергия, перемещаемая им.

И решающий момент: передача энергии в виде тепла в систему коренным образом отличается от передачи энергии в процессе работы. Энергия, передаваемая в виде тепла и работы, хотя и может быть одинаковым, имеет совсем другое качество, поскольку является частью энергии системы.Чтобы выразить это в простой и пока еще не точной форме: в процессах передачи энергии (например, теплопередача) учитывается не только количество энергии, но также качество энергии и ее изменение в процессе передачи. . Если это правда, то должна быть мера качества и его потенциального ухудшения в процессах передачи энергии. Здесь энтропия играет решающую роль - даже в рассмотрении теплопередачи.

Из очень четкого принципа сохранения энергии (термодинамически сформулированного как первый закон термодинамики) мы знаем, что энергия, заданная как первичная энергия, никогда не теряется при использовании в технических устройствах, а в конечном итоге оказывается частью внутренней энергии окружающей среды.Но тогда это уже бесполезно. Очевидно, что энергия обладает определенным потенциалом, который может потеряться на пути от первичной энергии к части внутренней энергии окружающей среды.

В термодинамике есть полезное определение, с помощью которого можно охарактеризовать качество энергии, которое было впервые предложено в [6]. Это определение в первую очередь относится к энергии, которая подвергается процессам передачи работы или тепла. Согласно этому определению энергия состоит из двух частей: эксергии, и энергии, .В рамках этой концепции эксергия - драгоценная часть энергии. Это та часть, которую можно использовать в работе, пока она не станет частью внутренней энергии окружающей среды. Иногда эксергия также называется , доступная работа . Оставшаяся часть энергии называется анергией. Согласно второму закону термодинамики эксергия может потеряться (может быть преобразована в анергию) в необратимых процессах, но никогда не может возникнуть. Любая передача энергии работой или теплом, таким образом, может либо сохранить эксергетическую часть энергии в обратимом процессе, либо уменьшить ее в необратимом.

Что касается теплопередачи, важны два аспекта: первый - это количество энергии, передаваемой теплом, а второй - количество эксергии, теряемой в этом (теплопередающем) процессе. Игнорирование энтропии означает, что можно учесть только первый аспект. Для полной характеристики процесса теплопередачи должны быть учтены оба аспекта, то есть должны быть указаны две физические величины. Они могут быть

В процессе теплопередачи обе величины не зависят друг от друга, потому что определенное количество энергии (q˙) может передаваться с различным снижением качества, т.е.е. с разной степенью необратимости (ΔT). Здесь ΔT является косвенной мерой снижения качества энергии в процессе передачи, поскольку ΔT = 0 является обратимым пределом необратимого процесса с ΔT> 0. Когда требуются две независимые величины, тогда необходимы два безразмерных параметра в контексте безразмерного описания процессов теплопередачи. В разделе 3 будет обсуждаться, чего не хватает, когда число Нуссельта Nualone используется для характеристики процесса теплопередачи.

В термодинамике два аспекта переноса энергии и ее обесценивания необратимыми процессами количественно оцениваются путем введения энтропии и ее генерации в ходе необратимых процессов. В этом контексте энтропия является мерой структуры системы, хранящей рассматриваемую энергию, то есть энергия может храниться более или менее упорядоченным образом. Это снова может быть выражено в терминах эксергии по сравнению с анергией переданной и накопленной энергии.

2.2. Изменение энтропии в процессах передачи энергии

Для большинства соображений представляет интерес не абсолютная величина энтропии, а ее изменение во время определенного процесса, такого как процесс передачи тепла.Это изменение энтропии в процессе переноса обычно бывает двояким:

  1. Перенос - изменение энтропии в обратимом процессе,

  2. Генерация - изменение энтропии, когда процесс переноса необратим, то есть необратим.

Таким образом, в реальном (необратимом) процессе изменение энтропии всегда является суммой обоих, то есть (i) + (ii).

Для процесса теплопередачи между двумя температурными уровнями Ta и Tb две части (i) и (ii) равны

dgS˙ = δQ˙ (1Ta − 1Tb) = δQ˙Ta− TbTaTb = δQ˙ΔTTaTbE3

Уравнение (2) соответствует к эк.(1) во введении, теперь в терминах скорости непрерывного процесса. Уравнение (3) утверждает, что генерация энтропии приводит к увеличению энтропии, когда энергия передается от одной системы (a) с высокой температурой (то есть с низкой энтропией) к другой системе (b) с низкой температурой (то есть с высокой энтропией). Таким образом, общее изменение энтропии в таком процессе составляет

. На рисунке 1 такой процесс проиллюстрирован для конвективной теплопередачи от потока в системе (a) с m˙ato потоком в системе (b) с m˙b.Стена между обоими потоками - диабатическая, стенки в окружающую среду - адиабатические.

Изменение энтропии в ур. (3) строго говоря, это только приближение. Он основан на предположении, что в (a) и (b) реальные распределения температуры могут быть аппроксимированы их (постоянными) средними значениями и что падение температуры от (a) до (b) полностью происходит в стенке между ними. системы, см. рисунок 1 для иллюстрации этого приближения. В разделе 4 учитывается реальное распределение температуры, чтобы определить изменение энтропии при образовании без приближения.

Хотя это не тема данной главы, следует упомянуть, что (i) и (ii) являются для передачи энергии работой:

с δΦ δ как скорость диссипации механической энергии в поле потока, участвующем в передаче обработать. То, что всегда dtS˙ = 0, справедливо для рабочей передачи энергии, показывает фундаментальное различие двух способов передачи энергии, то есть посредством тепла или работы, ср. экв. (2) для передачи энергии теплом.

Рис. 1.

Конвективная теплопередача от потока в (a) к потоку в (b) над элементом поверхности dA (1) Распределение реальной температуры (2) Модель средней температуры

2.3. Обесценивание энергии в процессе теплопередачи и концепция энтропийного потенциала

Когда в процессе передачи энергии теряется эксергия, «ценность» энергии уменьшается, поскольку эксергия как драгоценная часть энергии уменьшается. Это называется девальвацией энергии во время процесса передачи и непосредственно связано с генерированием-изменением энтропии, ср. экв. (3).

Потеря эксергии и генерируемая энтропия взаимосвязаны так называемой теоремой Гуи-Стодолы, см., Например, [7].Он читается как

Здесь T∞ - температура окружающей среды, а Ele - потеря мощности эксергии E˙e уровня энергии E˙ после подразделения E˙ на эксергетическую и анергическую части, E˙e и E˙a, соответственно. .

Для одной операции передачи, обозначенной it, тогда существуют конечные потери эксергии

с S˙g, ias генерация энтропии в операции передачи i. Эту генерацию энтропии можно и нужно рассматривать в контексте тех девальваций скорости передачи энергии E˙, которые произошли до операции передачи i и будут происходить впоследствии.Эта идея принимает во внимание, что определенная энергия (скорость) всегда начинается как первичная энергия, являющаяся эксергией в целом, и, наконец, заканчивается как часть внутренней энергии окружающей среды, затем как анергия в целом. В [8] это было описано как «цепочка девальвации» по отношению к скорости передачи энергии E˙ с процессом, охватывающим одно звено этой цепи.

Для суммы всех однократных операций передачи, которые полностью обесценивают энергию со 100% эксергии до 100% анергии,

удерживается.Здесь S˙g - это общее образование (скорость) энтропии, то есть увеличение энтропии окружающей среды, когда E˙ становится частью его внутренней энергии.

В [8] эта величина называется энтропийным потенциалом :

энергии E˙, участвующей в процессе передачи энергии (здесь: тепла). Принимая это за эталонную величину, так называемое число девальвации энергии

Ni≡ S˙g, iS˙g = T∞S˙g, iE˙E11

указывает, какая часть энтропийного потенциала энергии используется в определенной передаче. процесс i с Ni = 0 для обратимого процесса.Примеры будут приведены позже.

3. Инженерный взгляд на теплопередачу

Как упоминалось ранее, инженеры, обученные решать проблемы теплопередачи с помощью таких книг, как [4], мало или совсем не заботятся об энтропии. Они характеризуют ситуации теплопередачи коэффициентом теплопередачи

или, более систематически, числом Нуссельта

В обоих случаях q˙w и ΔT объединяются в одной оценочной величине, так что два независимых аспекта теплопередачи

  • сумма, связанная с q˙wand

  • , изменение качества, связанная с ΔT

, отдельно не фиксируется.Вторая величина оценки требуется для исчерпывающей характеристики ситуации теплопередачи. Это может быть число девальвации энергии Nia согласно ур. (11).

Когда Nia учитывает качество теплопередачи, число Нуссельта охватывает количественный аспект в следующем смысле. Часто либо ΔTor q˙ware назначают в качестве теплового граничного условия. Затем число Нуссельта количественно определяет теплопередачу, предоставляя возникающий тепловой поток или требуемую разницу температур, соответственно.Оба аспекта являются количественными, поэтому вопрос о качестве остается открытым. Тогда это решается числом обесценения энергии Ni.

Так как число Нуссельта хорошо известно в сообществе теплопередачи, а число обесценивания энергии Ni - нет, Ni будет дополнительно объяснен в связи с его физическими предпосылками в следующем разделе.

4. Физика, лежащая в основе девальвации энергии. Число

Согласно закону теплопроводности Фурье, см., Например, [4] или [9],

δQ˙ → = −k (grad T) dAE14

i.е. тепловой поток возникает по (отрицательному) градиенту температуры. Передаваемая таким образом энергия уменьшает свою эксергетическую часть, поскольку эта эксергетическая часть равна

с коэффициентом Карно

Здесь снова T∞ - это температура окружающей среды, так что эксергетическая часть Q˙ после того, как ее уровень температуры Thas достигнет температуры окружающей среды, равно нулю.

Эти постоянные эксергетические потери, когда теплопередача происходит с gradT> 0 (необратимая теплопередача) в соответствии с теоремой Гуи-Стодола (7), сопровождаются генерацией энтропии, которую здесь можно записать как

или после интегрирования локальной скорости генерации энтропии S˙g '' 'как

, что в декартовых координатах означает

dgS˙ = kT2 [(∂T∂x) 2+ (∂T∂y) 2+ (∂T∂z) 2] dVE19

Обратите внимание, что это уравнение .(19) сводится к ур. (3) когда существует линейное распределение температуры только в направлении x, так что ∂T / ∂x = ΔT / Δx, dV = dAΔx и ∂Q˙ = −k (ΔT / Δx) dA.

Сравнение ур. (3) и (19) показывает, что

в модели средней температуры в соответствии с ур. (3) и рисунок 1 (2) представляет собой интегрирование относительно δQ˙, в то время как с реальным распределением температуры в соответствии с ур. (19) и рис. 1 (1) это интегрирование по объему, учитывающее скорость генерации локальной энтропии.

В обоих случаях определяется S˙g, i, которое представляет собой генерацию общей энтропии за счет теплопроводности в процессе передачи i.Число девальвации энергии относится к энтропийному потенциалу Q˙, то есть к Q˙ / T∞, так что

Ni = k T∞Q˙∫V1T2 [(∂T∂x) 2+ (∂T∂y) 2 + (∂T∂z) 2] dVE21

- это процент используемого энтропийного потенциала энергии E˙, который в процессе i передается в виде тепла Q˙. Обратите внимание, что часть энтропийного потенциала уже использовалась на пути E˙старта в качестве первичной энергии в ситуации, когда она передается в виде тепла, а оставшаяся часть энтропийного потенциала после процесса теплопередачи может быть использована в последующих процессы передачи энергии.Это может проиллюстрировать, почему важно видеть определенный процесс передачи в контексте общей цепочки обесценивания энергии, начиная с первичной энергии и заканчивая частью внутренней энергии окружающей среды. Подробнее об этой концепции см. [8] .

5. Конвективная теплопередача

Часто конвективная теплопередача происходит в технических приложениях, таких как электростанции, системы отопления или охлаждения. Затем задействован второй поток энергии, который представляет собой рабочую скорость потока, которая необходима для поддержания потока, в котором или из которого происходит передача тепла.Этот поток энергии, применяемый в качестве работы, представляет собой чистую эксергию, которая теряется в процессе рассеяния во время конвективной теплопередачи.

5.1. Потери из-за рассеяния механической энергии

В гидромеханике потери в поле течения обычно характеризуются коэффициентом сопротивления cD для внешних потоков и коэффициентом потери напора K для внутренних потоков, которые представляют собой безразмерную силу сопротивления FD и безразмерную потерю давления Δp соответственно . В таблице 1 оба определения показаны вместе с альтернативным подходом, основанным на скорости генерации энтропии S˙g, D из-за рассеяния механической энергии (индекс: D).Подробнее об этом альтернативном подходе см. [10]. Поскольку оба коэффициента, cD и K, учитывают скорость диссипации Φ˙ в поле потока и согласно уравнению. (6) δΦ˙ = TdgS˙ диссипация механической энергии соответствует потере эксергии только при T = T∞, ср. экв. (7). Когда поток возникает при температуре, отличной от температуры окружающей среды T∞, cD и K учитывают диссипацию, но не потерю эксергии в потоке.

Тогда необходим второй коэффициент, который лучше всего определяется как число разрушения эксергии NE, аналогичное числу девальвации энергии, ур.(11), т.е.

традиционный подход альтернативный подход
внешний поток cD = FDρ2u∞2A cD = Tρ2u∞165 внутренний , D расход K = Δpρ2um2 K = Tρ2um3AS˙g, D

Таблица 1.

Коэффициенты сопротивления и потери напора; общепринятые и альтернативные определения из [10]. u∞: скорость набегающего потока, um: средняя скорость в поперечном сечении

, которая для внешнего потока с E˙ = u∞22m˙ = ρ2u∞3Ais (c.f. таблица 1):

NE = T∞TcD (число разрушения эксергии) E23

и для внутреннего потока с E˙ = um22m˙ = ρ2um3Ais (см. таблицу 1):

NE = T∞TK (число разрушения эксергии) E24

Примечание что NE не является числом девальвации энергии в смысле его определения в ур. (11) поскольку эталонная величина E˙in eq. (22) не является скоростью передачи энергии (которая может быть обесценена в процессе передачи). Вместо этого в конвективном процессе участвует кинетическая энергия. Он служит эталонной величиной для работы потока, необходимой для поддержания потока.

Отличается от Ни в соответствии с ур. (11), для которого по определению всегда 0≤Ni≤1, NE не ограничивается этим диапазоном. Например, NE = 3 для внутреннего потока означает, что потери эксергии (разрушение эксергии) во время этого процесса в три раза выше, чем кинетическая энергия, участвующая в конвективном процессе. Обратите внимание, что обесценивается не кинетическая энергия, а энергия, которая входит в систему в виде работы потока, являясь чистой эксергией вначале и частично или полностью преобразованной в анергию в процессе диссипации.

5.2. Оценка конвективной теплопередачи

Поскольку обе энергии в процессе конвективной теплопередачи (необходимая работа потока и передаваемая тепловая энергия) подвергаются обесцениванию, они обе должны учитываться при оценке процесса конвективной теплопередачи, например, с целью его оценки. оптимизация.

Что касается потерь, то учитывается потерянная эксергия обеих энергий, участвующих в процессе конвективной теплопередачи. Эти эксергетические потери характеризуются соответствующими скоростями образования энтропии S˙g, iin eq.(11) и S˙g, Din eq. (22). Они могут быть добавлены для обеспечения общей скорости генерации энтропии в процессе конвективной теплопередачи и служат в качестве целевой величины в процедуре оптимизации. Это разумный критерий для всех тех случаев, когда эксергетическая часть процесса передачи энергии учитывается как цикл мощности. В таком процессе эксергия, теряемая перед турбиной, не может быть преобразована в механическую энергию в турбине, что снижает эффективность энергетического цикла.

Когда скорость генерации энтропии должна быть определена из подробных численных решений процесса конвективной теплопередачи, S˙g, если следует из ур.(19), (20) в то время как S˙g из-за диссипации определяется как

S˙g = ∫ dgS (число разрушения эксергии) ˙E25

с

dgS˙ = μT (2 [(∂u∂x) 2+ ( ∂u∂y) 2+ (∂u∂z) ​​2] + (∂u∂y + ∂v∂x) 2+ (∂u∂z + ∂w∂x) 2+ (∂v∂z + ∂w∂y) 2) dVE26

Когда поток турбулентный, dgS˙ согласно ур. (19) и (26) подходят только для подхода прямого численного моделирования (DNS) в отношении турбулентности, как в примере, показанном в [11]. Поскольку решения DNS с их чрезвычайными вычислительными требованиями не могут использоваться для решения технических проблем, вместо них решаются усредненные по времени уравнения (усредненные по Рейнольдсу Навье-Стокса: RANS).Затем также необходимо усреднить dgS˙ по времени, что приведет к:

dgS˙C = dgS˙C¯ + dgS˙C'E27

и

dgS˙D = dgS˙D¯ + dgS˙D'E28

с dgS˙ C¯ и dgS˙D¯ для генерации энтропии в усредненном по времени поле температуры и скорости, а также dgSÀC'и dgSÀD' для усредненных по времени вкладов соответствующих флуктуирующих частей.

Все четыре части равны

dgS˙C¯ = kT2 [(∂T¯∂x) 2+ (∂T¯∂y) 2+ (∂T¯∂z) 2] dVE29dgS˙C '= kT2 [(∂ T'∂x) 2¯ + (∂T'∂y) 2¯ + (∂T'∂z) 2¯] dVE30dgS˙D¯ = μT (2 [(∂u¯∂x) 2+ (∂u¯ ∂y) 2+ (∂u¯∂z) 2] + (∂u¯∂y + ∂v¯∂x) 2+ (∂u¯∂z + ∂w¯∂x) 2+ (∂v¯∂z + ∂ w¯∂y) 2) dVE31dgS˙D '= μT (2 [(∂u'∂x) 2¯ + (∂u'∂y) 2¯ + (∂u'∂z) 2¯] + (∂u '∂y + ∂v'∂x) 2¯ + (∂u'∂z + ∂w'∂x) 2¯ + (∂v'∂z + ∂w'∂y) 2¯) dVE32

с результатами для турбулентного поле потока из уравнений RANS, dgS˙C¯ и dgS˙D¯ могут быть определены, но не dgS˙C 'и dgS˙D'.Для этих условий необходимы модели турбулентности, как, например, в [12].

5.3. Безразмерные параметры

Когда необходимо оценить весь процесс конвективной теплопередачи (включая потери эксергии в температуре и в поле течения), это опять же следует делать с помощью безразмерных параметров. Введены безразмерные параметры:

  • Число Нуссельта Nu / экв. (13), что указывает на силу теплопередачи по сравнению с ее необратимостью;

  • Число девальвации энергии Ni / экв.(11), что указывает на потерю энтропийного потенциала переданной энергии;

  • Коэффициент потери напора K / таблица 1, указывающая скорость рассеяния в поле потока;

  • Число разрушения эксергии NE / экв. (24), что указывает на потерю эксергии в поле течения.

Если теперь интересны общие потери эксергии для процесса конвективной теплопередачи, то это, в основном, сумма эффектов, охватываемых Ni и NE. Однако поскольку оба параметра не обезразмериваются одинаково, их нельзя просто добавить.E = 0 для процесса, в котором вся эксергия теряется из-за ее преобразования в анергию.

6. Примеры

Будут приведены два примера, в которых параметры, которые были введены выше, будут использоваться для характеристики ситуации теплопередачи. С помощью этих примеров должно стать очевидным, что энтропию и / или ее образование не следует игнорировать, когда процессы теплопередачи рассматриваются в практических промышленных приложениях.

6.1. Полностью развитая труба потока с теплопередачей

Этот простой пример может проиллюстрировать, насколько важно учитывать генерацию энтропии, которая является ключевым аспектом в девальвационном числе энергии Nia согласно его определению (11).

То, что обычно можно найти в качестве характеристики теплопередачи полностью развитого трубного потока, - это число Нуссельта Nu. Предположим, что Nu = 100, и это происходит на верхнем температурном уровне энергетического цикла, то есть перед турбиной этого устройства преобразования энергии. Предположим также, что эта ситуация теплопередачи с Nu = 100 и тепловым потоком q˙w = 103 Вт / м2 на длине L = 0,1 происходит в двух разных энергетических циклах:

  • Паросиловый цикл (SPC) с водой в качестве рабочего тела и верхнего температурного уровня Tm, u = 900 К.

  • Органический цикл Ренкина (ORC) с аммиаком Nh4 в качестве рабочего тела и верхним температурным уровнем Tm, u = 400 К.

Когда в обоих циклах Nu, q˙wand Lare одинаковы, разница температур ΔTin Nuaccording к эк. (13) для аммиака в 2,6 раза больше, чем для воды. Это связано с разными значениями теплопроводности k воды (при Tm, u = 900 K и p = 250 бар) и аммиака (при Tm, u = 400 K и p = 25 бар), принимая типичные значения для температуры и давления уровни в обоих циклах.

Для дальнейшего сравнения обратите внимание, что число обесценения энергии согласно ур. (11) в этом случае с dgS˙ согласно ур. (3) и проинтегрировали для получения

S˙g, i = Q˙w, i (1Tw − 1Tm, u) ≈Q˙w, i ΔTTm, u2E35

с E˙ = Q˙wis

Таблица 2 показывает число девальвации энергии Ни для обоих случаев в соответствии с этим приближением. Он показывает, что только 0,37% энтропийного потенциала используется для теплопередачи в случае SPC, но почти 5% в случае ORC, «хотя» обе ситуации теплопередачи имеют одинаковое число Нуссельта Nu = 100 и одинаковое количество энергия передается.Обратите внимание, что только та часть энтропийного потенциала, которая еще не используется, доступна для дальнейшего использования после рассматриваемого процесса.

Цикл / жидкость кВт / мК T∞K Tm, uK ΔTK SPC
300 900 10 0,0037
ORC / аммиак 0.038 300 400 26 0,049

Таблица 2.

Теплопередача при Nu = 100, q˙w = 103 Втм2, L = 0,1 мин, два разных цикла мощности

6.2. Использование CFD для оценки теплообменника

В предыдущем примере были рассмотрены два аналогичных процесса при двух разных уровнях температуры. Такой поток в трубе с теплопередачей является частью ситуации теплопередачи, показанной на рисунке 1: холодная сторона (b) нагревается.

Во втором примере вычислительная гидродинамика (CFD) используется для оценки нагрева жидкости в канале пластинчатого теплообменника, пытаясь найти наилучшую точку работы устройства.Сначала мы опишем устройство и то, как оно моделируется, а затем обсудим результаты и способы их использования. Более подробную информацию можно найти в [14].

6.2.1. Геометрия устройства

Пластинчатые теплообменники состоят из гофрированных пластин, которые расположены в стопке пластин, образующих каналы между пластинами. Пластины сконструированы таким образом, что две жидкости отделяются друг от друга по пути через соседние каналы.

В зависимости от гофры пластины каналы имеют постоянно меняющееся поперечное сечение, но имеет повторяющийся геометрический рисунок.и период Λ; c.f. [15]

6.2.2. Моделирование устройства

Первое упрощение, сделанное для облегчения моделирования, состоит в том, что пластина (и, следовательно, теплообменник) предполагается иметь бесконечную длину. Таким образом, можно пренебречь воздействием на поток, вызываемым областями входа или выхода: поток развивается гидравлически. Это имеет два последствия:

  • канал можно смоделировать как бесконечно повторяющуюся полосу конечной длины, см. Рисунок 3 (a),

  • , только половину канала необходимо моделировать, см. Рисунок 3 (b).

Полученная геометрия домена показана на рисунке 4.

Рисунок 3.

Упрощенная геометрия теплообменника: (а) симметричная полоса; (б) область решения из-за предположения симметрии.

Рис. 4.

- вид полосы смоделированного пластинчатого теплообменника.

Второе упрощение состоит в том, что теплообменник работает со сбалансированным противотоком: производительность m˙cp одинакова на горячей и холодной стороне, так что разница температур между ними, а также flux q˙ware одинаков во всех точках между входом и выходом.

6.2.3. Граничные условия

На основе предположений, сделанных выше, периодические граничные условия могут применяться к полю потока в основном направлении потока x (см. Рисунок 3). Граничное условие, применяемое по отношению к полю давления, представляет собой так называемое граничное условие «веер», которое устанавливает постоянный перепад давления между впускным и выпускным участками. В плоскости симметрии накладывается граничное условие симметрии, а граничные условия прилипания выполняются на всех стенках.

Рисунок 5.

Общая скорость генерации энтропии S˙g, скорость генерации энтропии из-за диссипации S˙g, D и скорость генерации энтропии из-за проводимости S˙g, C (нормализованная с минимальной скоростью генерации энтропии при Re≈2000) при различных числах Рейнольдса , для моделирования прохода теплообменника.

Температурное поле имеет граничное условие вентилятора с положительной разностью температур ΔTio между впускным и выпускным участками. Это приводит к нагреванию жидкости при ее прохождении через смоделированный проход.Граничное условие, используемое для верхней и нижней стенок, - это линейно возрастающий температурный профиль в среднем направлении потока. Увеличение температуры ΔTω, io совпадает с ΔTio. Вместе эти два граничных условия моделируют уравновешенную противоточную конфигурацию теплообменника. Граничное условие нулевого градиента используется для прокладки, которая моделируется как адиабатическая стенка.

Изменение перепада давления приводит к разной средней скорости потока. Чтобы сохранить постоянный тепловой поток q˙w, необходимо было соответственно отрегулировать разницу температур между входом и выходом (ΔTw, io = ΔTio = q˙wA / m˙cp).

6.2.4. Результаты моделирования

Результаты, полученные в результате моделирования CFD, дают доступ к полям скорости, давления и температуры u, p и T. Их можно использовать для расчета коэффициента теплопередачи и коэффициента потери напора для рассматриваемой конвективной теплопередачи.

Расчет полей давления и скорости - дорогостоящая часть моделирования. Когда предполагается, что все свойства жидкости постоянны, т.е. не зависят от давления и температуры, температурное поле можно даже смоделировать как пассивный скаляр, что требует очень небольших вычислительных затрат.Четыре части генерации энтропии (S˙g, C¯, S˙g, C ', S˙g, D¯, S˙g, D', см. Уравнения (29) - (32) в разделе 5.2. ) являются величинами постобработки: их можно получить из u-, p- и T-полей без решения дополнительных дифференциальных уравнений. Это полезно для оценки определенного процесса, работающего на разных уровнях температуры.

Скорость образования энтропии из-за рассеяния, проводимости и их сумма показаны на рисунке 5 для различных чисел Рейнольдса. Для увеличения числа Рейнольдса S˙g, Din уменьшается, а S˙g, C уменьшается.Оптимальная точка работы может быть определена примерно при Re = 2000. Такой же оптимум может быть определен на рисунке 6 для числа девальвации энергии теплообменника Nhe, поскольку в уравнении. (11) тепловой поток, площадь стенки и температура окружающей среды одинаковы для всех расчетов.

Рис. 6.

Число девальвации энергии Nhe для имитированного прохода пластинчатого теплообменника.

Обратите внимание, что кривые S˙g, Cand S˙g, Din на рис. 5 являются почти прямыми линиями, особенно для более высоких чисел Рейнольдса.Следовательно, необходимы только два моделирования, чтобы приблизительно оценить оптимальную точку работы. Из двух прямых линий для S˙g, Cand S˙g, D сумма обоих результатов в виде кривой с минимумом при оптимальном числе Рейнольдса.

Как упоминалось ранее, генерация энтропии - это величина постобработки. Это может быть использовано для оценки смоделированной ситуации теплопередачи при различных уровнях температуры. Если общее изменение температуры между входом и выходом не слишком велико, можно сделать приближение, просто соответствующим образом масштабируя результаты.Генерация энтропии из-за диссипации S˙g, D, new на уровне температуры Tnewis (по сравнению с генерацией энтропии в существующем результате моделирования) S˙g, D, new / S˙g, D, sim = Tsim / Tnew. Если новый уровень температуры выше, S˙g, D, new будет меньше, чем S˙g, D, sim. Точно так же для генерации энтропии за счет проводимости соотношение S˙g, C, new / S˙g, C, sim = (Tsim / Tnew) 2. Опять же, если новый уровень температуры выше, S˙g, C, new будет меньше, чем S˙g, C, sim. Оптимальная точка работы смещается к более низкому числу Рейнольдса (см. Рисунок 7), потому что влияние изменения уровня температуры на S˙g, C больше, чем влияние на S˙g, D.

Рис. 7.

Скорость генерации энтропии для теплопередачи при различных уровнях температуры. При более высоких температурах оптимальная рабочая точка смещается в сторону более низких чисел Рейнольдса.

7. Выводы

Несмотря на очевидную низкую популярность, генерация энтропии является важным аспектом любого процесса теплопередачи. Каждый реальный технический процесс включает в себя генерацию энтропии, которую в какой-то момент нужно выпустить в окружающую среду. Было показано, что каждый поток энергии имеет энтропийный потенциал, который представляет собой количество энтропии, которая может быть выброшена в окружающую среду вместе с потоком энергии.Поэтому он устанавливает предел для всех необходимых процессов, связанных с этим потоком энергии. На основании этого был введен показатель девальвации энергии , который количественно определяет часть энтропийного потенциала, которая теряется в процессе передачи. Число девальвации энергии применимо ко всем процессам, в которых передается энергия, и рекомендуется для их оценки, особенно в отношении устойчивости.

На примерах также было показано, как различные ситуации теплопередачи можно сравнивать друг с другом.Такие сравнения могут проводиться на самых разных уровнях, начиная от оценки системы (т. Е. Для сравнения различных систем) и заканчивая более детальными исследованиями, касающимися оптимизации подсистем, которые являются частью общей системы теплопередачи. Также было показано, как существующие результаты моделирования могут быть повторно использованы при различных уровнях температуры, эффективно снижая стоимость моделирования CFD.

.

Как нагрев и нагрузка влияют на срок службы батареи

Узнайте о температуре и о том, как старт-стоп сокращает срок службы стартерной батареи.

Тепло - убийца всех батарей, но не всегда удается избежать высоких температур. Это случай с аккумулятором внутри ноутбука, стартерным аккумулятором под капотом автомобиля и стационарными аккумуляторами в жестяном укрытии под палящим солнцем. Как правило, каждое повышение температуры на 8 ° C (15 ° F) сокращает срок службы герметичной свинцово-кислотной батареи вдвое.Это означает, что аккумулятор VRLA для стационарных применений, рассчитанный на 10 лет при 25 ° C (77 ° F), будет работать только 5 лет при постоянном воздействии 33 ° C (92 ° F) и 30 месяцев при постоянном хранении в пустыне. температура 41 ° C (106 ° F). Если аккумулятор поврежден из-за нагрева, емкость не может быть восстановлена.

Согласно исследованию режима отказа BCI 2010 года, стартерные батареи стали более термостойкими. В исследовании 2000 года повышение температуры на 7 ° C (12 ° F) повлияло на срок службы батареи примерно на один год; в 2010 г. допуск к жаре был увеличен до 12 ° C (22 ° F).Другие статистические данные показывают, что в 1962 году стартерная батарея прослужила 34 месяца; технические усовершенствования увеличили продолжительность жизни в 2000 г. до 41 месяца. В 2010 году BCI сообщила, что средний возраст стартерных батарей составляет 55 месяцев, при этом более холодный Север - 59 месяцев, а более теплый Юг - 47 месяцев. Из разговорных свидетельств 2015 года выяснилось, что батарея, хранившаяся в багажнике автомобиля, прослужила на год дольше, чем в моторном отсеке.

Срок службы батареи также зависит от активности, и срок службы сокращается, если батарея подвергается нагрузке из-за частой разрядки.Проворачивание двигателя несколько раз в день вызывает небольшую нагрузку на стартерную батарею, но это меняет режим работы микрогибрида «старт-стоп». Микрогибрид выключает двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на красный свет светофора и перезапускает его, когда движение возобновляется, в результате чего происходит около 2000 микроциклов в год. Данные, полученные от производителей автомобилей, показывают снижение мощности примерно до 60 процентов после 2 лет использования. Для увеличения срока службы автопроизводители используют специальные системы AGM и другие системы. (См. BU-211: Альтернативные аккумуляторные системы.)

На рисунке 1 показано падение емкости со 100 процентов до примерно 50 процентов после того, как батарея была подвергнута 700 микроциклам. Испытание на моделирование старт-стоп было проведено в лабораториях Cadex. CCA остается высоким и показывает снижение только примерно после 2000 циклов.

Рисунок 1: Падение емкости стартерной батареи в конфигурации «старт-стоп». Емкость падает примерно до 50 процентов после 2 лет использования.Аккумулятор AGM более прочный.

Предоставлено Cadex, 2010 г.

.

Теплопередача - обзор

Теплообмен происходит с помощью одного или нескольких из следующих трех механизмов.

(i)

Проводимость. Теплопроводность происходит за счет передачи колебательной энергии между молекулами или движения свободных электронов. Проводимость особенно важна для металлов и происходит без видимого движения вещества.

(ii)

Конвекция. Конвекция требует движения в макроскопическом масштабе; поэтому он ограничен газами и жидкостями. Естественная конвекция возникает, когда температурные градиенты в системе создают локализованные перепады плотности, которые приводят к токам потока. В с принудительной конвекцией потоки потока приводятся в движение внешним агентом, таким как мешалка или насос, и не зависят от градиентов плотности. При принудительной конвекции возможна более высокая скорость теплопередачи по сравнению с естественной конвекцией.

(iii)

Радиация. Энергия излучается всеми материалами в виде волн; когда это излучение поглощается веществом, оно проявляется в виде тепла.Быть

.

Механизмы теплопередачи - Energy Education

Рис. 1. На фотографии выше показан аэрогель, чрезвычайно хороший теплоизолятор, между паяльной лампой и спичками. Аэрогель блокирует все тепло от паяльной лампы и предотвращает возгорание спичек. [1]

Механизмы теплопередачи - это просто способы передачи тепловой энергии между объектами, и все они основаны на основном принципе, согласно которому кинетическая энергия или тепло должны быть в равновесии или в равных энергетических состояниях .Есть три различных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и лучистое тепло (часто называемое излучением, но это более общий термин, включающий множество других явлений). [2] Существует связанное с этим явление передачи скрытого тепла, называемое эвапотранспирацией.

Проводимость

основная статья

Электропроводность - это простейшая модель теплопередачи с точки зрения возможности математического объяснения происходящего.Это движение кинетической энергии в материалах из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой через вещество. [3] Молекулы просто передают свою энергию соседним молекулам до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. В моделях проводимости не рассматривается движение частиц в материале.

Конвекция

Рис. 2. Воздух над сушей нагревается быстрее, чем воздух над водой, что приводит к конвекции, которая ощущается как прохладный океанский бриз. [4]
основная статья

Конвекция - это передача тепла посредством движения жидкости (например, воздуха или воды).Разница между проводимостью и конвекцией заключается в движении материального носителя; конвекция - это движение тепловой энергии за счет движения горячей жидкости (в отличие от нагрева другого материала за счет движения атомов). Обычно это движение происходит из-за разницы в плотности. Более теплые частицы менее плотны, поэтому частицы с более высокой температурой будут перемещаться в области с более низкой температурой, а частицы с более низкой температурой будут перемещаться в области с более высокой температурой. Жидкость будет продолжать движение до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Радиация

Рисунок 1: Костры излучают лучистую «энергию» и ощущаются как «лучистое тепло». [5]
основная статья

Тепло, передаваемое излучением, называется лучистым теплом. Как и свет, лучистое тепло - это лучистая энергия, и для ее переноса не обязательно требуется среда. Этой форме передачи энергии способствует тип электромагнитного излучения. [6] Все движущиеся заряженные частицы испускают электромагнитное излучение.Эта излучаемая волна будет распространяться, пока не столкнется с другой частицей. Частица, которая получает это излучение, получит его в виде кинетической энергии. Частицы будут получать и излучать излучение даже после того, как все будет при одинаковой температуре, но этого не замечают из-за того, что в этот момент материал находится в равновесии.

Этот тип теплопередачи особенно важен при установке температуры Земли. Радиация как передача тепла - это то, как Земля получает энергию от Солнца. Радиация также важна для парникового эффекта.

Эвапотранспирация

Рисунок 1. Круговорот воды зависит от эвапотранспирации. [7]
основная статья

Эвапотранспирация - это энергия, переносимая фазовыми изменениями, такими как испарение или сублимация. [8] Вода требует значительного количества энергии для изменения фазы, поэтому этот процесс подтверждает, что водяной пар обладает значительным количеством энергии, связанной с ним. Этот тип механизма передачи энергии часто не указывается среди различных типов механизмов передачи, поскольку его труднее понять.

Список литературы

  1. ↑ Wikimedia Commons. (30 июля 2015 г.). Airgel [Онлайн]. Доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/Aerogel_matches.jpg
  2. ↑ Hyperphysics, Heat Transfer [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
  3. ↑ Hyperphysics, Heat Conduction [Online], доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html#c2
  4. ↑ »Свойства выборки для чтения: плотность создает токи." [В сети]. Доступно: http://www.propertiesofmatter.si.edu/Density_Creates.html
  5. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fire_from_brazier.jpg
  6. ↑ Р. Чабай и Б. Шервуд, «Энергия и импульс излучения», в «Материя и взаимодействия», 3-е изд., Хобокен, штат Нью-Джерси: Wiley, 2011, глава 24, раздел 5, стр. 1002-1003
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Evapotranspiration#/media/File:Surface_water_cycle.svg
  8. ↑ USGS, Evapotranspiration - The Water Cycle [Online], Доступно: http://water.usgs.gov/edu/watercycleevapotranspiration.html
.

Смотрите также