Схема закрытой системы отопления

В частном домостроительстве традиционно применяется 2 вида схем:

• однотрубная;
• двухтрубная.

Однотрубная, больше известная как «ленинградка», удовлетворительно работает в одно – и двухэтажных домах небольшой площади, когда на каждом этаже установлено не более 5 радиаторов. Реализация схемы требует точного расчета диаметров труб и количества секций батарей, так как теплоноситель значительно остывает после прохождения каждого последующего радиатора. В соблюдении этих требований нуждается и однотрубная схема системы отопления закрытого типа с верхней разводкой, что изображена ниже на рисунке:

Примечание. Независимо от выбранного типа схемы закрытая система должна содержать в своем составе группу безопасности, иногда она идет в комплекте с котлом. Группа состоит из манометра для контроля давления, воздухоотводчика и предохранительного клапана для аварийного сброса воды. Узел устанавливается на подающем трубопроводе, выходящем из котла, причем без всякой запорной арматуры.

Двухтрубная схема закрытой системы проще в расчете и монтаже, славится популярностью благодаря хорошим рабочим показателям. Ведь теплоноситель ко всем радиаторам доставляется с одинаковой температурой, а при реализации попутной схемы еще и проходит одинаковое расстояние. Пример двухтрубной системы показан на рисунке:

Некоторые дополнения имеет закрытая система отопления с твердотопливным котлом. Во избежание образования конденсата в топке теплогенератора схема дополняется смесительным узлом с трехходовым клапаном и байпасной линией. Клапан заставляет оборачиваться воду по байпасу до тех пор, пока она не нагреется до установленной температуры, и только потом запускает в котел теплоноситель из магистрали.

Как заполнить систему теплоносителем?

Когда штуцер подпитки присоединен к водопроводной сети посредством шарового крана, то осуществить заполнение системы отопления закрытого типа теплоносителем достаточно просто. Для этого дела есть смысл привлечь помощника, особенно если дом имеет несколько этажей. Один человек управляет краном подпитки, а второй занимается выпуском воздуха из батарей. Кран открывается примерно на треть, чтобы напор не был сильным.

Человек, находящийся в котельной, следит за показаниями манометра, подпитка закрытой системы отопления закрывается, когда давление достигнет 2 Бар. Теперь помощник посредством кранов Маевского стравливает воздух из радиаторов, после чего давление падает. Цель – выйти на расчетное давление, удалив из трубопроводов весь воздух путем его постепенного вытеснения водопроводной водой.

Сложнее закачать теплоноситель в закрытую систему, когда подпитка из водопровода отсутствует либо нужно залить незамерзающую жидкость. Для этого понадобится специальный ручной или электрический насос и емкость для теплоносителя, из которой он будет перекачиваться в систему. Предварительно надо открыть все воздушные краны на радиаторах, а потом заполнять трубы через сливной штуцер, подключив к нему насос с обратным клапаном.

По мере того как происходит закачка жидкости, надо закрывать краны Маевского, из которых потечет теплоноситель. Накачав систему до 1.5 Бар, надо выполнить удаление воздуха, после чего давление доводится до рабочего. В конце производится пробный запуск котла и корректировка давления, а при необходимости – стравливание воздуха.

Почему падает давление в закрытой системе отопления?

Причина, по которой падает давление, существует одна – отсутствие герметичности, то бишь, протечка. Вопрос в том, чтобы ее найти. Характерным признаком протечки служит лужица в определенном месте либо бурое пятно, когда вода успевает высохнуть. В процессе поиска следует осмотреть следующие узлы и элементы:

• соединения труб и фитинги: бывает, что в последних возникают трещины;
• автоматические воздухоотводчики: неисправный элемент с застрявшим поплавком будет пропускать воду;
• запорно — регулирующая арматура, предохранительный клапан;
• расширительный бак: трещина в мембране вызовет падение давления, появление воздуха в системе и частое отключение котла.

Для устранения протечки не обойтись без частичного или полного опорожнения трубопроводов. По окончании работ придется снова залить воду в систему, создать необходимое давление и проследить за манометром в течении нескольких дней.

Заключение

Закрытая отопительная система обладает массой достоинств, отсюда ее популярность. Если монтаж и пуск в эксплуатацию произведен правильно, то она долгое время не требует вмешательства в свою работу. Большинство возникающих неисправностей можно спокойно устранить своими руками, как и обслуживание системы. Желательно ежегодно проверять работоспособность таких элементов, как воздухоотводчики, клапаны и расширительный бак.

Инструкция по монтажу системы отопления с принудительной циркуляцией

Все большую популярность приобретает система отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя. И это не удивительно. Принудительная схема имеет множество преимуществ, подходит для отопления домов большой площади, не имеет недостатков обогрева, основанного на принципе самоциркуляции.

Единственным минусом решения является зависимость от наличия электроэнергии, но эта проблема решается установкой ИБП или подключением генератора.

Типы систем с насосной циркуляцией

Автономное водяное отопление с механической циркуляцией имеет хорошие теплотехнические характеристики. Системы обогрева отличают следующие положительные стороны:

• Принудительная циркуляция теплоносителя в системе отопления – обеспечивает равномерный прогрев всех узлов обогрева, в любой точке, независимо от удаленности от котла. Максимальный перепад температур, при правильно подобранном циркуляционном оборудовании, не более 1°С.
• Отсутствие жестких требований монтажа – соблюдать уклон трубопровода в системе отопления с насосной циркуляцией нет необходимости. Повороты и другие препятствия не оказывают существенное влияние на интенсивность прогрева.
• Возможность использования различных схем, практически с одинаковой эффективностью и теплоотдачей.

Установка автоматизированной системы отопления полностью оправдана. Существующие недостатки не перекрывают большое количество преимуществ. Не удивительно, что все большее количество потребителей модифицируют системы с естественной циркуляцией, устанавливая насосное оборудование.

Схема отопления одноэтажного или двухэтажного дома, с принудительной циркуляцией, выполняется несколькими способами. При выборе подходящего решения следует обращать внимание на сложность расчетов и проведения монтажных работ, расход строительных материалов и внешний вид конструкции, и возможные трудности во время эксплуатации.

Однотрубная система отопления с насосом

К преимуществам однотрубной схемы системы отопления частного дома, с принудительной циркуляцией, следует отнести следующее:

1. Красивый внешний вид.
2. Экономный расход материалов.
3. Простота монтажа.

Также существуют минусы однотрубной системы:

1. Необходимость тщательных расчетов диаметра сечения трубопровода, мощности циркуляционного котла и других узлов однотрубной системы.
2. Уменьшение эффективности при отоплении помещений большой площади.
3. Неравномерный прогрев радиаторов, расположенных на разных этажах здания.

Существует два основных решения однотрубной системы:

• Вертикальная развязка – теплоноситель от котла поднимается к высшей точке системы (если есть, на второй этаж), после чего, последовательно подается к каждому радиатору. После этого жидкость подается на первый этаж, цикл повторяется. Остывший теплоноситель подается в котел.
  Закрытая однотрубная система отопления с вертикальной развязкой зачастую используется для 2-х этажного частного дома с принудительной циркуляцией теплоносителя. Схема не оправдана в случае одноэтажных строений.
• Устройство стояков горизонтальной системы – используется в одноэтажных зданиях. При горизонтальной разводке используется последовательная однотрубная схема отопления. Теплоноситель проходит по очереди, через каждый радиатор, после чего, по отдельной трубе возвращается обратно в котел.

Обвязка радиаторов в однотрубной системе происходит следующим образом:

• Теплоноситель подается к верхнему входящему патрубку батареи.
• После прохождения через водяной контур, теплоноситель выводится через выходящий клапан, расположенный внизу, на противоположной боковой стороне радиатора.
• Дальше цикл повторяется со следующей батареей.
• Последний радиатор подключается к обратному трубопроводу, через который теплоноситель возвращается в котел.

Система отопления дома с принудительной циркуляцией. Варианты. Схемы

При проектировании системы отопления перед ее будущим пользователем возникает немалое количество вопросов. На этом этапе предстоит принять решение о том, каким образом теплоноситель будет передвигаться в магистрали  – естественным путем или с принудительной циркуляцией. Про естественную циркуляцию у нас есть отдельный материал, а здесь сделаем упор на принудительную систему отопления.

Особенности функционирования принудительной системы обогрева

Отопительная схема, в которой топливо циркулирует естественным образом, максимально проста. В такой цепочке теплоноситель нагревается в котле и, в соответствии с законами термодинамики, устремляется вверх по стояку. Достигнув радиаторов, носитель отдает часть  тепловой энергии, температура его снижается. Под гнетом вновь пребывающих доз тепла, остывшее топливо опускается обратно в котел  для повторения цикла.

Такая элементарная схема имеет существенные недостатки, особенно в совокупности с однотрубным типом разводки:

• Тепло распределяется неравномерно: в помещениях, которые расположены рядом с источником теплоснабжения (котлом), температура выше, чем в тех, что находятся на большем от него расстоянии.
• Система с естественной циркуляцией потребляет значительное количество отопительного материала, что говорит не в пользу ее рациональности.
  Частично нейтрализовать эти проблемы позволяет обустройство двухтрубной разводки.

Эффективность отопительной схемы с принудительной циркуляцией обусловлена включением в нее насоса. Его функцией является придание движению топлива по тепломагистрали большей скорости. Величина этого показателя находится в прямой зависимости с температурой обогреваемых помещений.

Присутствие в системе отопления циркуляционного насоса наделяет ее неоспоримыми преимуществами:

• экономичность. Связана как с рациональным расходованием  теплоресурса, так и с разумными финансовыми затратами на приобретение труб небольшого диаметра;
• эргономичность. Негромоздкая конструкция позволяет спрятать ее элементы в стенах, под полом и т.п.;
• возможность функционирование в отопительных проектах любой сложности с различным сочетанием обогревательного оборудования. В отопительной схеме могут присутствовать и радиаторы, и тепловые завесы, и полы с подогревом.
  Основным поводом для беспокойства при проектировании системы отопления с принудительной циркуляцией является бесперебойная подача электроэнергии, поскольку приводить насос в действие призвано именно электричество. Неплохо поэтому позаботиться о резервном источнике электроснабжения.

Принудительные схемы

Условно все принудительные схемы можно разделить на однотрубные и двухтрубные. Наиболее популярны сегодня именно двухтрубные. Но давайте разберемся в отличиях

Однотрубная схема подключения

Предполагает эксплуатацию одной трубы для подачи теплоносителя из котла и для его обратного оттока. Этот вариант не требует большого метража труб, количества запорной арматуры, фитингов и прочих элементов, следовательно, монтажные работы сводятся к минимуму.
Минус: последовательный нагрев отопительных приборов постепенно уменьшает температуру подаваемого топлива в цепочке оборудования. Система отопления может функционировать естественным и принудительным способом.

Двухтрубная схема подключения

В этой модели отопления работают две трубы: первая подает топливо к обогревателю, вторая осуществляет отвод остывшего носителя к котлу.  В этом состоит главное отличие от первого варианта, вытекающие последствие: увеличение металлоемкости конструкции за счет большего трубометража, запорных и соединительных элементов в схеме. Монтаж более сложен. Положительный момент, как вознаграждение за понесенные финансовые и трудовые затраты: к каждому обогревателю в системе подается теплоноситель одинаковой температуры.

В зависимости от направления потоков горячего и охлажденного топлива различают:

• попутную схему подключения, где подача теплоносителя и его отвод двигаются в одном курсе, позволяя всем приборам в цепочке нагреваться с равной скоростью;
• тупиковую, которая предполагает более быстрый нагрев приборов, находящихся ближе к котлу.

Лучевая разводка

Очень схожая модификация с двухтрубной схемой отопления принудительной циркуляции. Различие — пункт распределения горячего топлива и сбор остывшего, которым  является не главный стояк, а распределительные коллекторы. К каждому обогревательному прибору проводится отдельная линия подачи теплоносителя и его оттока. Разумеется, такая схема предполагает сбалансированное по температуре и давлению распределение тепла.
Накладность такой организации отопления очевидна: существенные затраты на материалы, большая стоимость и трудоемкость  монтажных работ. Кроме этого, весьма затруднительно вносить коррективы в схему с распределительными узлами (к примеру, добавлять обогревательное оборудование).

Обустройство теплого пола

По-настоящему сложная схема с принудительной циркуляцией отопления, вдобавок дорогостоящая, но и наиболее комфортная. В маленьких помещениях применяют простые комбинации укладки труб с одним входом для нагретого теплоносителя и выходом для остывшего. Большие площади потребуют более сложных конструкций с использованием распределительных узловых соединений. Зачастую обустройство теплого пола предполагает установку отдельного циркуляционного насоса на участки системы.

Открытая и закрытая схема обогрева с применением насоса

Носитель тепла, двигающийся в трубах, набирает объемы в процессе нагревания. Образующееся чрезмерное его количество стекает в специально оборудованную емкость. Отопительной системой открытого характера предусматривается установление  в токе наибольшей высоты расширительного бака, в котором напрямую сообщаются атмосферная среда и теплоноситель.

Концептуальная схема действия схемы: увеличение температуры провоцирует возрастание теплоносителя в объеме и, как следствие, его уровень в расширительном сборнике. Некоторое количество воздуха из бака выводится через патрубок. При понижении температуры уменьшается уровень топлива в резервуаре, и его место занимает внешний воздух, поступающий из патрубка.

В закрытой системе отопления с принудительной циркуляцией задействуется расширительный резервуар, находящийся под давлением. Он представлен в виде металлической емкости высокой прочности, состоящей из пары завальцованных частей. В баке размещена резиновая жаропрочная мембрана и содержится небольшое количество газа (азот, закаченный производителем или накопленный в системе воздух). Мембрана делит резервуар на две половины: в одну поступают избытки теплоносителя, появляющиеся при нагревании, другая предназначена для воздуха или азота, не взаимодействующих с топливом. Действие системы следующее: теплоноситель подается в расширительный бак при нагревании, и попадает в мембрану. В процессе остывания газ по другую сторону мембраны выталкивает теплоноситель назад в систему.

Выбор циркуляционного насоса

Качественный насос для системы отопления с принудительной циркуляцией должен соответствовать критериям:

• энергосбережения;
• простоты и надежности в эксплуатации.

Мощностные характеристики определяются габаритами жилого помещения, которое необходимо обогреть.  Например, для отопления площади 250 кв.м необходим циркуляционный насос  с мощностью 3,5 куб.м/ч и напором 0,4атм.
Кроме этого, на  выбор оборудования влияют расчеты из проекта системы отопления. К ним относятся:

• материал труб, предназначенных для монтажа и их диаметр;
• общий метраж схемы;
• количество обогревательных приборов;
• вид теплоносителя.

Самостоятельный подбор насоса может вызывать ряд трудностей, поэтому лучше всего получить консультацию у грамотного специалиста по данному вопросу.

Необходимость соблюдения уклона труб

При монтаже отопительной системы с принудительной циркуляцией теплоносителя соблюдение требований к уклону труб необязательно. Тепломагистрали устанавливаются прямолинейно или с малозначительным скатом по отношению к сливу. Это облегчит слив теплоносителя перед проведением ремонтных работ или при возникновении ситуации, когда системе предстоит длительный простой.

Диаметр труб в принудительной системе

Отопительная система, в которую включен циркуляционный насос, не предъявляет особенных требований к трубопроводу. Для такой схемы не имеет значения, какого размера и состава трубы будут переносить тепло. Таким образом, можно использовать недорогие модели небольшого диаметра. Это позволит сэкономить приличную сумму при организации отопления. Не следует забывать, что параметры труб берутся во внимание при приобретении циркуляционного насоса.

Важно понимать, с меньшими диаметрами трубопровода в системе с принудительной циркуляцией растет и сопротивление.

Главный минус принудительного отопления

Так как отопление дома с принудительной циркуляцией работает только с циркуляционным насосом. Следовательно, такой насос нуждается в стабильной и качественной подаче электричества.

Это является единственным и самым большим минусом отопления дома с принудительной циркуляцией. Например, у вас отключили электричество. Отопления нет. Авария в электрических сетях —  отопления нет. Упало напряжение в сети — насос не выдает номинальной мощности – опять отопления нет.

Как улучшить систему с принудительной циркуляцией?

Желательно конечно хорошо утеплить трубы систем отопления, чтобы минимизировать потери драгоценного тепла. Тогда будет экономично. Главное при выборе в свой дом системы с принудительной циркуляцией не ошибиться при ее расчете.

Необходимо обратить пристальное внимание на количество тепловых приборов, количество контуров отопления, подбор оптимального диаметра труб и мощность насоса.

Именно с нарушением этих законов возникает больше всего проблем. То неправильно рассчитали количество приборов, то заузили трубопроводы и тепла радиаторам не хватает, то поставили слабый насос, который работает на износ и так далее.

Подпитка системы отопления: схемы, принцип работы, устройство

Рабочий объем теплоносителя в отопительной сети может уменьшиться из-за ряда причин – утечки, испарения, сброса пара через автоматический клапан, выполнения ремонтных работ. В схеме открытого типа главный стояк опорожняется и заполняется воздухом из расширительного бака, закрытого — существенно снижается давление. В любом случае необходима подпитка системы отопления, которую можно сделать несколькими способами.

Признаки критической нехватки теплоносителя

Далеко не все хозяева частных домов отслеживают техническое состояние водяного отопления, работает – и ладно. Когда образуется скрытая протечка, система продолжает функционировать некоторое время, пока количество теплоносителя не снизится до критического уровня. Этот момент отслеживается по следующим признакам:

1. В открытой системе сначала опорожняется расширительная емкость, затем наполняется воздухом основной стояк, поднимающийся от котла. Результат: холодные батареи при перегреве подающего трубопровода, включение максимальной скорости циркуляционного насоса не помогает.
2. Недостаток воды при самотечной разводке проявляется аналогичным образом, вдобавок слышно бульканье воды в стояке.
3. На газовом отопителе (открытая схема) наблюдаются частые запуски / включения горелки — тактование, ТТ-котел перегревается и кипит.
4. Нехватка теплоносителя в закрытой (напорной) схеме отражается на манометре – давление постепенно снижается. Настенные модели газовых котлов автоматически останавливаются при падении ниже порога 0.8 Бар.
5. Напольные энергонезависимые агрегаты и твердотопливные котлы продолжают исправно греть

Глава 3a — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

а) Уравнение энергии для замкнутых систем

Мы считаем, что первый закон термодинамики применен к стационарным замкнутым системам как принцип сохранения энергии. Таким образом, энергия передается между системой и окружающей средой в форма тепла и работы, в результате чего изменяется внутренняя энергия системы.Изменение внутренней энергии можно рассматривать как меру молекулярной активности, связанной с изменением фазы или температуры системы и уравнение энергии представляется в следующем виде:

Тепло (кв.)

Энергия, передаваемая через границу системы в форма тепла всегда возникает из-за разницы температур между системой и ее непосредственным окружением. Мы не будем рассмотреть режим теплопередачи, будь то теплопроводность, конвекция или излучения, таким образом, количество тепла, переданного во время любого процесс будет либо указан, либо оценен как неизвестный уравнение энергии.По соглашению, положительное тепло — это то, что передается из окружающей среды в систему, что приводит к увеличению внутренняя энергия системы

Работа (Вт)

В этом курсе мы рассматриваем три режима работы перенос через границу системы, как показано ниже диаграмма:

В этом курсе мы в первую очередь Граничные работы из-за сжатия или расширения системы в поршневое устройство, как показано выше.Во всех случаях мы предполагаем идеальное уплотнение (отсутствие массового расхода в системе и из нее), отсутствие потерь из-за трение и квазиравновесные процессы в том, что для каждого инкрементное движение поршня условия равновесия поддерживается. По соглашению, положительная работа выполняется системой на окружение, а негативная работа — это работа окружения в системе, Таким образом, поскольку отрицательная работа приводит к увеличению внутренней энергии системы, этим объясняется отрицательный знак в над уравнением энергии.

Граничная работа оценивается путем интегрирования силы F умноженное на инкрементное расстояние, перемещенное d x между начальное состояние (1) до конечного состояния (2). Обычно мы имеем дело с поршневое цилиндровое устройство, таким образом сила может быть заменена поршневой площадь A, умноженная на давление P, что позволяет заменить A. d x по изменению объема d В следующим образом:

Это показано на следующей схематической диаграмме, где напомним, что интегрирование может быть представлено областью под Кривая.

Обратите внимание, что работа выполнена по пути Функция , а не свойство, поэтому зависит от пути процесса между начальным и конечным состояния. Напомним в Главе 1 , что мы ввели типичный процесс интересных путей:

• Изотермический (процесс с постоянной температурой)

• Изохорная или Изометрический (процесс постоянного объема)

• Изобарический (процесс постоянного давления)

• Адиабатический (отсутствие теплового потока к системе или от нее во время процесса)

Иногда бывает удобно оценить конкретную выполненная работа, которую можно представить в виде диаграммы P-v , таким образом, если масса системы m [кг] окончательно имеем:

Отметим, что работа, проделанная системой на окружение (процесс расширения) положительное, и это было сделано на система окружением (процесс сжатия) отрицательна.

Наконец для закрытой системы Вал Работа (за счет лопастного колеса) и Электромонтажные работы (из-за напряжения, приложенного к электрическому резистору или двигатель, приводящий в движение лопастное колесо) всегда будет отрицательным (работа выполняется на система). Положительные формы работы вала, например, из-за турбина, будет рассмотрена в главе 4, когда мы обсудим открытые системы.

Внутренняя энергия (ед.)

Третий компонент нашей замкнутой системы энергетики Уравнение — это изменение внутренней энергии в результате передачи тепла или работы.Поскольку удельная внутренняя энергия является свойством системы, он обычно представлен в таблицах свойств, например в Steam Таблицы . Рассмотрим, например, следующая решенная проблема.

Решенная задача 3.1 — Отзыв Решенная проблема 2.2 в главе 2a , в котором мы представили постоянную процесс давления. Мы хотим расширить задачу, включив в нее энергию взаимодействия процесса, поэтому мы повторяем это следующим образом:

Два килограмма воды при 25 ° C помещают в устройство поршневого цилиндра под 3.Давление 2 МПа, как показано на диаграмме (Состояние (1)). К воде добавляется тепло при постоянном давлении до тех пор, пока температура пара достигает 350 ° С (Состояние (2)). Определить работа, выполняемая жидкостью (W), и тепло, передаваемое жидкости (Q) во время этого процесса.

Подход к решению:

Сначала рисуем схему процесса, включающую все соответствующие данные следующие:

Обратите внимание на четыре вопроса справа от диаграмму, которую мы всегда должны спрашивать, прежде чем пытаться решить любую термодинамическая проблема.С чем мы имеем дело — жидкостью? чистая жидкость, например пар или хладагент? идеальный газ? В данном случае это пар, поэтому мы будем использовать таблицы пара для определения различных свойств в различных государствах. Дана масса или объем? Если да, мы будем укажите и оцените уравнение энергии в килоджоулях, а не в удельные количества (кДж / кг). А как насчет энтропии? Не так быстро — мы еще не считали энтальпию (ниже) — терпеливо подождите, пока Глава 6 .

Так как в работе задействован интеграл П. д в ср Считаем удобным набросать схему проблемы P-v как следует:

Обратите внимание на диаграмму P-v , как мы определяем конкретная проделанная работа отображается как область под кривой процесса. Мы также обратите внимание, что в области сжатой жидкости постоянная температура линия по существу вертикальная. Таким образом, все значения собственности в State (1) (сжатая жидкость при 25 ° C) можно определить по насыщенной Жидкие значения таблицы при 25 ° C.

Энтальпия (ч) — новый объект

В следующих тематических исследованиях мы обнаруживаем, что один из основные приложения уравнения энергии замкнутой системы находятся в процессы теплового двигателя, в которых система приближается к идеальному газа, поэтому разработаем соотношения для определения внутренней энергии для идеального газа. Мы также обнаружим, что новое свойство под названием Энтальпия будет полезен как для закрытых систем, так и в частности для открытых систем, таких как компоненты паровых электростанций или холодильные системы.Энтальпия не является фундаментальным свойством, однако представляет собой комбинацию свойств и определяется следующим образом:

В качестве примера использования в закрытых системах, рассмотрим следующий процесс постоянного давления:

Применяя уравнение энергии, получаем:

Однако, поскольку давление постоянно процесс:

Подставляем в уравнение энергии и упрощаем:

Значения удельной внутренней энергии (u) и удельной энтальпия (ч) доступна в Steam Таблицы , однако для идеальных газов это необходимо разработать уравнения для Δu и Δh с точки зрения удельного Тепловые мощности.Мы развиваем эти уравнения в терминах дифференциальную форму уравнения энергии на следующей веб-странице:

специфический Теплоемкости идеального газа

Мы предоставили стоимость недвижимости для различных идеальных газов, включая газовую постоянную и удельную теплоемкость в следующая веб-страница:

Недвижимость различных идеальных газов (при 300 К)

__________________________________________________________________

по части b) Закона Первый закон — двигатели цикла Стирлинга

по части c) Закона Первый закон — Дизельные двигатели

К части d) Закона Первый закон — Цикловые двигатели Отто

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 США Лицензия

Глава 3c — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

c) Дизельный цикл воздушного стандарта (Компрессионное зажигание) Двигатель

The Air Стандартный дизельный цикл — идеальный цикл для Компрессионное зажигание (CI) поршневые двигатели, впервые предложенные Рудольфом Дизель более 100 лет назад. Следующая ссылка от Kruse Технологическое партнерство описывает четырехтактный дизельный цикл работа в т.ч. история Рудольфа Дизеля.Четырехтактный дизельный двигатель обычно используется в автомобильных системах, тогда как более крупные морские системы обычно используйте двухтактный дизельный цикл . Еще раз у нас есть отличная анимация от Matt Кевени , представляя работу четырехтактный дизельный цикл .

Фактический цикл CI чрезвычайно сложен, поэтому в при первоначальном анализе мы используем идеальное «стандартное» допущение, в котором рабочее тело представляет собой фиксированную массу воздуха, испытывающего полный цикл, который рассматривается как идеальный газ.Все процессы идеальны, горение заменяется добавлением тепла к воздух, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Идеальный дизельный двигатель воздушного стандарта отдельные процессы, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, как показан в P-V диаграммы ниже. Два из четырех процессов цикла адиабатические процессы (адиабатический = отсутствие передачи тепла), поэтому до мы можем продолжить, нам нужно разработать уравнения для идеального газа адиабатический процесс следующим образом:

Адиабатический процесс идеального газа (Q = 0)

Результатом анализа являются следующие три основных форм, представляющих адиабатический процесс:

где k — коэффициент теплоемкостей и имеет номинальное значение 1.4 в 300К по воздуху.

Процесс 1-2 — это процесс адиабатического сжатия. Таким образом, при сжатии температура воздуха увеличивается. процесс, а при большой степени сжатия (обычно> 16: 1) он достигнет температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Таким образом данный условия в состоянии 1 и степень сжатия двигателя, в для определения давления и температуры в состоянии 2 (при конец процесса адиабатического сжатия) имеем:

Работа W _1-2 , необходимая для сжатия газа показана как область под кривой P-V и оценивается как следует.

Альтернативный подход с использованием уравнения энергии использует преимущество адиабатического процесса (Q _1-2 = 0) приводит к гораздо более простому процессу:

(спасибо студентке Николь Блэкмор за то, что она рассказала мне об этой альтернативе подход)

Во время процесса 2-3 топливо впрыскивается и сгорает и это представлено процессом расширения при постоянном давлении. В состояние 3 («прекращение подачи топлива») процесс расширения продолжается адиабатически с понижением температуры до тех пор, пока не произойдет расширение полный.

Процесс 3-4, таким образом, представляет собой процесс адиабатического расширения. Общий объем работ по расширению составляет W _exp . = (Ш _2-3 + Ш _3-4 ) и отображается как область под P-V диаграмму и анализируется следующим образом:

Наконец, процесс 4-1 представляет постоянный объем процесс отвода тепла. В реальном дизельном двигателе газ просто выходит из цилиндра и вводится свежий заряд воздуха.

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, составляет определяется по формуле: W _net = (W _exp + W _1-2 ), где, как и раньше, работа сжатия W _1-2 отрицательна (работа проделана по системе ).

В дизельном двигателе Air-Standard происходит ввод Q _в за счет сжигания топлива, которое впрыскивается контролируемым образом, в идеале приводящий к процессу расширения при постоянном давлении 2-3 как показано ниже. При максимальном объеме (нижняя мертвая точка) сгоревшие газы просто истощаются и заменяются свежим зарядом воздуха. Это представлен эквивалентным процессом отвода тепла с постоянным объемом Q _из = -Q _4-1 . Оба процесса анализируются следующим образом:

На этом этапе мы можем удобно определить КПД двигателя по тепловому потоку:

__________________________________________________________________________

В этом разделе резюмируются следующие проблемы:

Задача 3.4 — А поршневой цилиндр без трения содержит 0,2 кг воздуха при 100 кПа. и 27 ° С. Теперь воздух медленно сжимается в соответствии с соотношением P V ^k = константа, где k = 1,4, до достижения конечного температура 77 ° C.

• a) Набросок P-V диаграмма процесса относительно соответствующей постоянной температурные линии и указывают на этой диаграмме проделанную работу.

• б) Использование основного определение границ выполненных работ определить границы работ выполнено в процессе [-7.18 кДж].

• c) Используя уравнение энергии, определите тепла. передано в процессе [0 кДж] и убедитесь, что процесс находится в факт адиабатический.

Вывести все уравнения использовались начиная с с основным уравнением энергии для непроточной системы уравнение для изменения внутренней энергии идеального газа (Δu) основное уравнение для выполненной граничной работы и уравнения состояния идеального газа [ P.V = m.R.T ]. Использовать значения удельной теплоемкости определены при 300К для всего процесс.

Проблема 3.5 — Учитывать ход расширения только стандартный дизельный двигатель Air Standard с компрессией коэффициент 20 и коэффициент отсечки 2. В начале процесса (впрыск топлива) начальная температура 627 ° C, а воздух расширяется при постоянном давлении 6,2 МПа до отсечки (объемное соотношение 2: 1). Впоследствии воздух адиабатически расширяется (без теплопередачи). пока не достигнет максимальной громкости.

• a) Нарисуйте это процесс на P-v диаграмма, четко показывающая все три состояния.Укажите на схеме общая работа, проделанная в течение всего процесса расширения.

• б) Определите температуры, достигнутые в конце постоянного давления (топливо впрыск) процесс [1800K], а также в конце процесса расширения [830K], и нарисуйте три соответствующие линии постоянной температуры на P-v диаграмма.

• c) Определите общая работа, выполненная во время хода расширения [1087 кДж / кг].

• г) Определите общее количество тепла, подаваемого в воздух. во время такта расширения [1028 кДж / кг].

Вывести все используемые уравнения исходя из уравнения состояния идеального газа и адиабатического процесса соотношения, основное уравнение энергии для замкнутой системы, внутренняя энергия и энтальпия изменяют соотношения для идеального газа, и базовое определение граничной работы, выполняемой системой (при необходимости). Используйте значения удельной теплоемкости, определенные при 1000K для всего процесс расширения, полученный из таблицы Specific Теплоемкости воздуха .

Решенная проблема 3.6 — Идеальный двигатель с дизельным степень сжатия 18 и степень отсечки 2. В начале процесса сжатия рабочая жидкость находится при 100 кПа, 27 ° C (300 К). Определите температуру и давление воздуха в конце каждого процесса, чистый объем работы за цикл [кДж / кг] и термический КПД.

Обратите внимание, что номинальные значения удельной теплоемкости для воздуха при 300K используются C _P = 1,00 кДж / кг. K, C _v = 0.717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они являются функциями температура, и с чрезвычайно высоким температурным диапазоном при работе с дизельными двигателями можно получить значительные ошибки. Один подход (который мы примем в этом примере) заключается в использовании типичного средняя температура на протяжении всего цикла.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы, представляющей проблема, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем, что не указаны ни объем, ни масса, поэтому диаграмма и решение будут быть в конкретных количествах.Самая полезная диаграмма для тепловой двигатель — P-v диаграмма полного цикла:

Следующим шагом является определение рабочей жидкости и определитесь с основными уравнениями или таблицами для использования. В этом случае рабочая жидкость — воздух, и мы решили использовать среднюю температура 900K на протяжении всего цикла для определения удельной теплоемкости значения емкости представлены в таблице Удельные теплоемкости воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определять температуру и давление в конце каждого процесса.

Обратите внимание, что альтернативный метод оценки давление P ₂ — это просто использовать уравнение состояния идеального газа, как показано ниже:

Любой из подходов удовлетворителен — выберите тот, который вам удобнее. Теперь продолжим с топливом процесс постоянного давления впрыска:

Обратите внимание, что даже если проблема запрашивает «net производительность за цикл »мы рассчитали только тепло в и разогреть.В случае с дизельным двигателем намного проще оценить значения тепла, и мы можем легко получить чистую работу из энергетический баланс за полный цикл выглядит следующим образом:

Вы можете удивиться нереально высокой температуре полученная эффективность. В этом идеализированном анализе мы проигнорировали многие эффекты потерь, существующие в практических тепловых двигателях. Мы начнем понять некоторые из этих механизмов потерь, когда мы изучаем Второй закон in Глава 5 .

______________________________________________________________________________

В части d) Закона Первый закон — Цикловые двигатели Отто

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 США Лицензия

гибридной фотоэлектрической / тепловой солнечной системы с тепловым насосом для нагрева воды в спортивном центре Приложение

Применение солнечной энергии обеспечивает альтернативный способ замены первичного источника энергии, особенно для крупномасштабных установок. Технология тепловых насосов также является эффективным средством снижения потребления ископаемого топлива. В данной статье представлен практический пример комбинированной гибридной фотоэлектрической / солнечной системы с тепловым насосом (SAHP) для производства горячей воды в спортивных центрах.Сначала была представлена ​​первоначальная процедура проектирования. Затем вся система была смоделирована с помощью вычислительной среды TRNSYS 16, а энергоэффективность была оценена на основе результатов круглогодичного моделирования. Результаты показывают, что КПД системы может достигать 4,1 в субтропическом климате Гонконга, и по сравнению с традиционной системой отопления можно получить высокий коэффициент экономии энергии на уровне 67%. Были проанализированы и сопоставлены энергетические характеристики одной и той же системы в различных климатических условиях, включая три других города Франции.В этом исследовании также рассматривались экономические последствия.

1. Введение

Существуют различные применения солнечной энергии для среднего отопления, включая водонагревание, обогрев помещений, дистилляцию и т.п. Использование солнечной энергии для производства горячей воды — одно из самых популярных приложений. Однако большая крыша или другое пространство в зданиях необходимы для установки достаточного количества солнечных коллекторов, чтобы удовлетворить все потребности в услугах в крупномасштабных и / или многопользовательских случаях.С этой точки зрения, комбинированная система с тепловым насосом на солнечной энергии представляется подходящей альтернативой, которая не только экономит пространство в здании, но и снижает зависимость от электроснабжения коммунальных предприятий. В этом случае комбинированная система может работать более эффективно.

В отличие от обычных солнечных тепловых коллекторов, гибридные фотоэлектрические / тепловые (PV / T) коллекторы обеспечивают более высокий выход энергии на единицу площади поверхности, поскольку поглощенное солнечное излучение преобразуется в электричество и полезное тепло одновременно.Исследования по этой теме были начаты в 1970-х годах, и с тех пор было внедрено множество инновационных систем. Несколько недавних технических обзоров [1–3] охватывают последние разработки конструкций PV / T коллекторов и их характеристики с точки зрения электрической / тепловой мощности, а также возможностей применения. Повышенное внимание и результаты исследований в этой области показывают, что гибридные фотоэлектрические / тепловые технологии обладают многими привлекательными характеристиками для широкого применения и возможностями индустриализации для крупномасштабного производства.В частности, в области исследований комбинированного производства горячей воды был проведен ряд экспериментальных и численных исследований автономных и интегрированных в здание фотоэлектрических / водонагревательных (PV / W) систем для применения в теплых климатических условиях [4–6 ]. Круглогодичная эффективность термического преобразования и преобразования ячеек составила 37,5% и 9,4% соответственно для случая применения BiPV / W в Гонконге. Общая теплопередача через стену из ПВХ была снижена до 38% от обычного фасада здания. Santbergen et al.[7] провели подробный анализ выхода энергии солнечных систем горячего водоснабжения с закрытыми пластинчатыми PV / T коллекторами. Подробный количественный анализ всех механизмов потерь, присущих коллекторам PV / T, был выполнен в дополнение к механизмам, связанным с модулями PV и обычными тепловыми коллекторами. Годовая электрическая эффективность исследованных ими фотоэлектрических систем была ниже, чем у простых фотоэлектрических систем (до 14% относительно), а годовая тепловая эффективность также была ниже, чем у традиционных систем теплового коллектора (до 19% относительно).С целью улучшения общей производительности системы было проведено множество параметрических исследований [8–11]. Charalambous et al. [8] провели исследование оптимизации, основанное на концепции «низкого расхода», преимущества которой включают улучшенную производительность системы, меньший насос, уменьшенный размер и толщину труб и изоляции, меньшие строительные работы и время для оптимальной конфигурации поглотителя, и, следовательно, также экономия средств. Оптимизированный расход для коллектора и стояка в змеевидных коллекторах PV / T определяется, соответственно, с помощью кода EES.Аналогичное исследование было проведено Cristofari et al. [9] на сополимерных коллекторах ПВ / Т.

Для повышения глобальной эффективности системы в крупномасштабных установках гибридной фотоэлектрической / трансформаторной технологии может быть многообещающим комбинированное использование с другими эффективными энергетическими системами (такими как системы теплового насоса).

Был проведен ряд исследовательских работ по проектированию, моделированию и тестированию систем тепловых насосов с использованием солнечной энергии. Озгенер и Хепбасли [12, 13] сделали обзор опубликованных работ по энергетическому и эксергетическому анализу систем SAHP.Бриджман и Харрисон [14] провели предварительную экспериментальную оценку системы непрямого SAHP для систем горячего водоснабжения; испытания проводились с диапазоном температур подачи в испаритель, и результаты показали, что COP может варьироваться от 2,8 до 3,3, в зависимости от температур испарителя и конденсатора. Dikici et al. [15] выполнили энерго-эксергетический анализ солнечной тепловой насосной системы для отопления помещений в испытательной комнате площадью 60 м ² . Коэффициент полезного действия системы был определен как 3.08, а эксергетические потери солнечного коллектора составили 1,92 кВт. Авторы пришли к выводу, что КПД увеличивается, когда потери эксергии испарителя уменьшаются. С помощью системного моделирования Ли и Янг [16] изучили параллельную систему SAHP для подачи горячей воды в гипотетический жилой дом; Автор пришел к выводу, что площадь солнечного коллектора существенно влияет на оптимальный расход. Wang et al. [17] разработали новый многофункциональный тепловой насос с косвенным расширением с использованием солнечной энергии (IX-SAMHP).Предлагаемая система не только работает в режимах работы двух бытовых приборов, но также работает в четырех новых энергосберегающих режимах работы для охлаждения помещений, обогрева помещений и нагрева воды. Результаты экспериментов показали, что IX-SAMHP в пасмурные дни может производить горячую воду со значительным снижением потребления электроэнергии, чем солнечный водонагреватель, а в холодную зиму может работать с гораздо более высоким КПД (3,5–4,2), чем бытовой тепловой насос. Стерлинг и Коллинз [18] выполнили технико-экономический анализ косвенной системы SAHP для нагрева воды для бытового потребления по сравнению с: (i) традиционной солнечной системой горячего водоснабжения и (ii) электрической системой горячего водоснабжения.Было обнаружено, что потребление электроэнергии и эксплуатационные расходы были наиболее благоприятными при использовании косвенной системы SAHP.

Из нашего обзора литературы мы обнаружили, что экспериментальный и теоретический анализ гибридной системы SAHP для крупномасштабного применения водяного отопления очень ограничен. В этом исследовании непрямая гибридная фотоэлектрическая / тепловая система теплового насоса с использованием солнечной энергии была исследована от начального этапа проектирования до подробного анализа годовой производительности посредством численного моделирования. Также была оценена стоимость инвестиций в предлагаемую систему.

2. Описание системы

В качестве примера был взят гипотетический спортивный центр. Перспективный вид здания показан на рисунке 1. Площадь спортивного центра составляет 3200 м ² , что соответствует 80 м (Д) на 40 м (Ш). Условия включают в себя крытый бассейн, один спортивный зал для общих игр, несколько комнат для общих мини-игр, один тренажерный зал и соответствующие служебные помещения, такие как раздевалки, столовая, вестибюль и офис. Центральное помещение для растений находится на первом этаже.В данном тематическом исследовании разработанная энергетическая система использовалась для производства горячей воды для купания и мытья рук в раздевалках.