Как передается тепло

Физический процесс передачи тепла от одного физического тела к другому называется теплопередачей . Передача тепла осуществляется от горячего физического тела к холодному либо при непосредственном контакте, либо через перегородку.

Тепловая энергия будет передаваться до тех пор, пока температуры физических тел не сравняются. В физике это состояние называется термодинамическим равновесием . Теплопередача, как правило, происходит от горячего тела к холодному, что полностью соответствует второму закону термодинамики . Согласно этому закону работают все системы отопления .

С точки зрения физики существуют три элементарных типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение . Но в чистом виде, по отдельности, они практически не встречаются, в общем случае тепло передается сочетанием простых типов. В основном различают три типа теплопередачи: теплоотдача, теплопередача и конвективно-лучевой метод передачи тепла.

Как работают традиционные системы отопления

К традиционным системам отопления относятся те системы, в которых используется какое–либо топливо. В настоящее время чаще всего используется газ, хотя в некоторых случаях применяется жидкое и твердое топливо.

Но независимо от типа топлива принцип работы всех традиционных систем одинаков. Теплота от сгорания топлива нагревает теплоноситель , который поступает в радиаторы отопительной системы и нагревает воздух в помещении. В качестве теплоносителя в традиционных системах отопления используется вода, поэтому такие системы называют водяными .

По всем законам физики теплый воздух устремляется вверх, а холодный, естественно, перемещается вниз. Такое движение воздуха есть не что иное, как упомянутая выше конвекция .

Этот холодный воздух как раз и создает холодные полы, что приходится устранять устройством «теплых полов». Если помещение достаточно высокое (производственный корпус, зрительный или спортивный зал и т.п.), то прогрев всего объема длится достаточно долго, создается расслоение воздуха.

Поднимающийся вверх теплый воздух создает сквозняк в помещении, кроме того увеличиваются потери тепла через крышу и стены, тепло попросту уходит из здания. В этом случае говорят, что мы отапливаем улицу. Люди, находящиеся внизу, оказываются в зоне холодного воздуха.

На рисунке 1 схематично показано распределение тепла при работе традиционной системы отопления.

Рисунок 1. Распределение тепла при работе традиционной системы отопления

Как устроены традиционные водяные системы отопления

Основным устройством системы водяного охлаждения является котел , чаще всего газовый. Нагретая в котле вода по трубам поступает в отопительные приборы – радиаторы . Для циркуляции воды в системе устанавливается насос , если циркуляция принудительная, хотя циркуляция может быть естественной. В этом случае можно обойтись и без насоса.

Кроме этих основных устройств и деталей в водяную систему отопления входит также множество «вспомогательных», но нужных деталей. Прежде всего, это расширительный бак для компенсации температурного расширения воды, фитинги для соединения труб, воздушные клапаны и многое другое, необходимое для нормальной работы всей системы в целом.

В индивидуальном доме для установки газового котла требуется дополнительное помещение, оборудованное системой вентиляции и дымоходом, не говоря уже о системе подведения газа.

В случае централизованного отопления требуется строительство большой котельной и прокладка целой сети теплотрасс. Вся система получается дорогой и сложной. Но в некоторых случаях, например для небольшого загородного дома, и если поблизости нет газа, приходится делать электрическую систему отопления.

Наиболее распространенными в таких случаях являются электрические котлы для водяного отопления или различные электрические обогреватели . В первую очередь это масляные радиаторы, электрокамины и тепловентиляторы различных конструкций. Принцип работы этих приборов также конвекционный, как у водяных систем отопления: сначала греется воздух, а уже потом стены, мебель, люди. Такая система малоэффективна и малоэкономична.

Инфракрасные отопительные приборы

В настоящее время выпускаются различные приборы инфракрасного отопления , которые обеспечивают рациональный и экономный обогрев помещений в самых различных условиях. Далее будут рассмотрены некоторые из этих приборов, принципы их работы.

С точки зрения природы традиционные системы отопления действуют неправильно. Сначала нагревается воздух, а потом и все остальное. В природных условиях все происходит наоборот.

Естественным источником тепла на Земле является Солнце. Солнечные лучи обладают очень широким спектром, но именно его инфракрасная составляющая нагревает Землю, людей, растения и все предметы, а уже от них нагревается воздух и создаются комфортные условия для жизнедеятельности человека.

Именно по такому принципу работают инфракрасные обогреватели . Воздух для инфракрасного излучения абсолютно прозрачен, поэтому инфракрасные лучи беспрепятственно доходят до обогреваемых поверхностей и предметов.

На рисунке 2 схематично показано распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя.

Рисунок 2. Распределение тепла при использовании инфракрасного обогревателя

Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитные волны с длиной волны в пределах 1*10-6…1*10-3 мкм. Интенсивность теплового излучения зависит от длины волны инфракрасного излучения (ИК излучения): коротковолновые лучи получаются при температуре излучающего тела свыше 750°С. В зависимости от области применения и конструкции температура излучающего элемента инфракрасного обогревателя может находиться в пределах 100…950°С.

Подвесные инфракрасные обогреватели

В достаточно высоком помещении водяные системы отопления, как уже было сказано выше, малоэффективны, ведь весь теплый воздух поднимается вверх.

При высоте потолка 2,5…3,6 м достаточно эффективны и экономичны будут низкотемпературные инфракрасные подвесные обогреватели с температурой излучателя в пределах 100…120°С.

Чтобы достичь равномерности обогрева помещения, избежать появления теплых и холодных зон требуется осуществлять отопление несколькими обогревателями, суммарная мощность которых должна соответствовать тепловым потерям здания.

Если высота потолков 4 м и более, то вполне допустимо и безопасно применение обогревателей с температурой излучающей поверхности до 200°С и выше. Такие обогреватели называют высокотемпературными.

Конструкция и принцип действия излучателей такова, что их установка возможна на любой высоте. Если помещение очень большое, например склад или ангар, то инфракрасные обогреватели можно установить, лишь над рабочими площадками, в местах нахождения людей, что позволяет экономить электроэнергию.

Низкотемпературный обогреватель представляет собой металлический короб с размещенным внутри него распределенным нагревателем. Излучающая поверхность обрабатывается специальными материалами, обеспечивающими максимальную интенсивность теплового излучения, эмиссию тепловой лучистой энергии.

Коэффициент тепловой эмиссии у наиболее совершенных обогревателей достигает 90%. Увеличению тепловой отдачи в немалой степени способствует то, что излучающая поверхность делается рельефной, бугристой. Это позволяет увеличить ее площадь не менее чем в 2,5…3 раза.

Высокотемпературные обогреватели также представляют собой коробчатый корпус, внутри которого расположены один или несколько нагревательных элементов. Тепло этих элементов передается профилю из алюминия, излучающая поверхность которого покрыта специальной керамикой, что позволяет снизить температуру излучающей поверхности за счет повышения коэффициента эмиссии лучевого потока.

Пространство между корпусом и нагревательными элементами заполнено термостойким высококачественным теплоизолятором, чем достигается полная пожарная безопасность всего устройства в целом. Такая теплоизоляция характерна как для высокотемпературных, так и для низкотемпературных обогревателей.

Некоторые фирмы, например Thermatex, Armh5, Rockfon выпускают инфракрасные обогревателя для монтажа в кассетные потолки, что лишний раз говорит пожаробезопасности инфракрасных обогревателей .

Одной из новинок рынка стали теплоизлучающие зеркала. Их отражающий слой является одновременно и нагревательным элементом.

Максимальная температура поверхности зеркала не превышает 75°С, что полностью безопасно для окружающих. В сауне или в ванной комнате такое зеркало не запотевает, не изменяет естественный уровень влажности и прекрасно вписывается в дизайн помещения, экологически безопасно.

Как показали различные исследования, тепловой спектр частот инфракрасного отопления для человека абсолютно безопасен. Это подтверждают исследования не только фирм – изготовителей, но и результаты независимых экспертиз. Безопасность инфракрасных приборов подтверждают также сертификаты соответствия, выданные как российскими, так и зарубежными санитарными службами.

Различными фирмами выпускаются инфракрасные обогреватели в основном потолочного типа пригодные для использования в любых помещениях: производственных, жилых, сельскохозяйственных, влажных и даже взрывоопасных.

Многими фирмами выпускаются также обогреватели настенного типа, напольные и переносные, устанавливаемые на стойках. Известны инфракрасные обогреватели, в которых применяется газ.

Инфракрасные обогреватели-картины

В последнее время в качестве дополнительных местных обогревателей все более популярными становятся различные элементы интерьера: обогреватели-картины, плинтусы, теплые настенные панели.

Подобные нагревательные элементы состоят из карбоновых нитей подключенных параллельно между собой. Таких нитей в нагревателях не одна и даже не две сотни, благодаря чему каждая нить работает без всяких перегрузок, мощность выделяемая ею весьма мала. Поэтому исключено возникновение перегрузок и перегрев, надежность таких обогревателей очень высока, срок службы достигает 10 лет и более.

Керамический инфракрасный обогреватель

Преимущества инфракрасных обогревателей

Одним из достоинств инфракрасных обогревателей является то, что тепло, создавая сквозняки и поднимая тучи пыли, не уходит под потолок, как в случае конвекционных систем отопления. Уровень электромагнитных полей инфракрасных систем намного меньше, чем у многих бытовых электроприборов, не сжигается кислород, влажность воздуха в помещении не уменьшается, остается на естественном уровне.

Тепло в помещении ощущается сразу после включения, поверхности окружающих предметов почти сразу становятся теплыми. При этом не обязательно равномерно отапливать все помещение, возможно создание отдельных комфортных зон, например, около телевизора или над письменным или компьютерным столом.

Несомненным достоинством инфракрасных оборудования является его малогабаритность и мобильность. За счет этих параметров экономится полезная площадь, оборудование легко перемещается, устанавливается и демонтируется. Инфракрасные обогреватели весьма эффективны в зданиях с плохой теплоизоляцией и высокими потолками, мало влияют на работу вентиляции.

Установка инфракрасных обогревателей соответствующей мощности возможна даже на открытой местности. Например, над столиками в летнем кафе. В отличие от традиционной водяной системы отопления не требуется установка сложного дорогостоящего оборудования: трубы, котлы, насосы и т.п.

В случае установки инфракрасного отопления исчезают такие проблемы, как размораживание труб при отключении системы. При повторном включении электричества инфракрасное отопление заработает вновь, как ни в чем не бывало.

С помощью современных программируемых терморегуляторов возможно поддерживать температуру в диапазоне 5…30°С, задавая ее для каждого помещения отдельно.

По сравнению с конвекционными обогревателями инфракрасные приборы экономичнее на 20…25%, а в случае использования двухтарифной оплаты за электроэнергию экономия может достичь 40…45%.

Смотрите также: Какой нагреватель воздуха лучше: ТЭНовый или керамический?