Нетрадиционный нагрев воды – Всё самое интересное!

Сегодня у нас канун Нового Года, поэтому просто порадуемся. И, поскольку сейчас зима, то неплохо было бы чуточку согреться. Поэтому сегодняшняя статья – нетрадиционный нагрев воды в условиях зимы и прочего отсутствия электроэнергии. Лайф хакинг, так сказать.

Нетрадиционный нагрев воды необходим тогда, когда горячая вода нужна, но отсутствуют или ёмкости для воды, или обычные источники энергии – или хочется чего-то оригинального. Обычно на Новый Год хочется оригинального, так что немного рукоделия, и юмора, надеемся, будет в тему.

Итак, переходим к интересным вариантам нетрадиционного нагрева воды (осторожно, в конце 18+).

Начнём с теории. Так, все знают, что огонь можно добыть с помощью трения. Это связано с тем, что трение всё больше ускоряет движение молекул воды. Следовательно, если молекулы воды заставить двигаться быстрее тем или иным способом, её температура повысится. Поэтому первый нетрадиционный рецепт нагрева воды:

1. Допустим, вам холодно.
2. Возьмите поллитровую банку воды.
3. Оберните поролоном (теплоизоляция здесь – важный момент).
4. В крышке проделайте небольшое отверстие
5. Поместите туда венчик для взбивания (ручной или от миксера).
6. Утеплите крышку.
7. Оберните конструкцию фольгой (можно фольгированным скотчем).
8. Если у вас миксер, то начинайте взбивать воду.
9. Если у вас венчик ручной, то начинайте взбивать воду.
10. Спустя некоторое время вода нагреется.
11. Да и вы согреетесь.

Вот такой вот оригинальный вариант. Гарантируем: так оно и будет 🙂

Далее, скажем, вам нужно 1 литр воды температурой 50 градусов. Но тереть такой объём воды вы не хотите. Что делать? Очень просто, пригодятся знания по химии. Инструкция проста:

1. Пойдите в аптеку.
2. Купите 20 баночек спирта 90 % (на литр воды).
3. Оберните двухлитровую банку поролоном и фольгой (изоляция).
4. Налейте в банку воду.
5. Налейте в банку спирт.

По законам химии вода будет нагреваться. Если температура воды недостаточна, подлейте к смеси грам 200 концентрированной серной кислоты. Нагрев пойдёт интенсивнее.

Оба варианта расчитан на небольшой объём воды. Что делать, если воды нужно нагреть больше? Например, вот что:

То есть, свечки, подставки, ёмкость. Нагрев пойдёт быстрее, а расход свечей уменьшится, если изолировать кастрюлю (хотя бы скотчем фольгированным обмотать).

Но что делать, если нет свечей, а нужно ещё больше горячей воды? Вот как с этим элементарно справляются многие и многие:

Единственное но, необходимо организовать хорошее перемешивание воды, иначе температура будет неравномерной.

А вот улучшенный, более горячий вариант с организованным размешиванием:

Второй вариант:

Третий вариант:

Обратите внимание: наличие девушек без одежды поднимает температуру гораздо быстрее, чем любой другой вариант 🙂

Удачного Нового Года с нетрадиционным нагревом воды!

Вихревой теплогенератор.

Правда и вымысел

Вихревой теплогенератор состоит из двигателя и кавитатора. В кавитатор подается вода (или другая жидкость). Двигатель раскручивает механизм кавитатора, в котором происходит процесс кавитации (схлопывания пузырьков). За счет этого, происходит нагрев жидкости, подаваемой в кавитатор. Подводимая электроэнергия расходуется на следующие цели: 1- нагрев воды, 2 — преодоление силы трения в двигателе и кавитаторе, 3- излучение звуковых колебаний (шум). Разработчики и производители утверждают, что принцип действия основан «на использовании возобновляемой энергии». При этом, не понятно, откуда эта энергия берется. Тем не менее, не происходит никакого дополнительного излучения. Соответственно, можно предположить, что вся энергия, подводимая к теплогенератору, тратится на нагрев воды. Таким образом, можно говорить о КПД, близком к 100%. Но не более…
Но перейдем от теории к практике.

На заре развития «вихревых теплогенераторов» предпринимались попытки проведения независимой экспертизы.

Так, известная модель ЮСМАР изобретателя Ю.С.Потапова из Молдовы тестировалась американской компанией Earth Tech International (г.Остин, штат Техас), специализирующейся на экспериментальной верификации новых направлений в современной физике. В 1995 г. были проведены пять серий экспериментов по измерению соотношения между генерируемой тепловой и потребляемой электрической энергией. Заметим, что все многочисленные модификации испытуемого устройства, предназначенные для разных серий экспериментов, лично согласовывались с Ю.С.Потаповым в ходе визита одного из сотрудников компании в Молдову. Подробнейшее описание конструкции испытуемого теплогенератора с вихревой трубой, режимные параметры, методики проведения измерений и результаты приводятся на сайте компании www.earthtech.org/experiments/.

Для привода водяного насоса использовался электродвигатель с КПД=85%, тепловые потери которого на нагрев окружающего воздуха не принимались при расчете теплопроизводительности «вихревого теплогенератора». Отметим, что не измерялись и тепловые потери на нагрев окружающего воздуха, что, безусловно, несколько снижало получаемый КПД теплогенератора.

Результаты исследований, проведенных при варьировании основных режимных параметров (давление, расход теплоносителя, начальная температура воды и др.) в широком диапазоне продемонстрировали, что эффективность теплогенератора изменяется в диапазоне от 33 до 81%, что сильно не «дотягивает» до 300%, заявленных изобретателем перед проведением экспериментов.

Хотя по «тепловому вихрегенератору» расскажу…
Были некоторые примеры значительной экономии денежных средств на отопление в переходные периоды нашей экономики, когда деньги предприятий начинали считать. Сразу скажу, что с связано это с гримасами экономики, а совсем не с теплотехникой.

Скажем, некоторое предприятие желает отапливать свои помещения. Ну холодно им видите ли.

По некоторым причинам, ясно каким, не может вложиться в Газовую трубу, строить свою котельную на угле, мазуте — не хватает масштабов, а центральное отопление отсутствует или далеко.
Остается электричество, но при получении разрешения на использование электроэнергии в термальных целях устанавливали предприятию тариф, превышающий в несколько раз обычный.
Такие были раньше правила, и не только в России, но в Украине, Молдове и др. государствах, которые отпочковались от нас.
Вот тут приходил на помощь г-н Потапов и подобные.
Покупали чудо-устройство, тариф на электроэнергию для электродвигателей оставался обычный, тепловой КПД естественно никак больше сотни быть не мог, а вот в денежном отношении КПД был и 200 и 300, смотря во сколько раз сэкономили на тарифе.
Применяя ТН можно было достичь еще большей экономии, но для тех времен и вихретеплогенератора с эффективностью якобы 1,2-1,5 вполне было достаточно.
Ведь еще больший заявляемый КПД мог только повредить и отпугнуть покупателей, ведь квоты на электроснабжение выделялись по потребляемой мощности, а давал генератор тепла столько-же, если не меньше, в связи с потерями по cos Ф.
По теплопотерям помещений в 30-40% погрешности еще как-то можно было уложиться, списать на колебания погоды.
Сейчас это ушло в прошлое, но тема вихрегенераторов по инерции продолжает всплывать, и ведь находятся дураки, которые покупают, клюнув на информацию с фотками и адресами, что ряд уважаемых предприятий в свое время использовали их у себя и экономили большую кучу денег.
Только всей подоплеки им никто не рассказывает.

Нагрев тел вращения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Последовательный нагрев тел вращения в электролите. Нагреваемое изделие I равномерно поворачивается при частичном погружении в электролит 2. При прохождении тока участок, погруженный в электролит, нагревается. Интенсивность нагрева регулируется плотностью тока и скоростью вращения изделия  

[c.215]

Оригинальным непрерывным процессом является также разработанная и осуществленная впервые в СССР прокатка круглых профилей переменного сечения на трехвалковых станах. Этот процесс используется для производства ступенчатых осей, валов и других тел вращения переменного диаметра по длине. Станы для прокатки круглых профилей по своему назначению аналогичны токарным станкам, обрабатывающим наружную поверхность детали, но без снятия стружки (рис. 3). Заготовки периодического проката используются как при штамповке, так и при окончательной обработке резанием. Трехвалковые станы созданы нескольких типоразмеров, 10 из них успешно эксплуатируются при прокатке круговых периодических профилей диаметром от 10 до 140 мм. В связи с непрерывностью процесса может быть полностью осуществлена автоматизация работы станов, включая подачу исходного материала, его нагрев, прокатку, резку на мерные длины, охлаждение готового проката, укладку и упаковку.  

[c.161]

Получает распространение и метод растушевки , при котором нагрев деталей типа тел вращения производят непрерывно-последовательно  [c.600]

Прямой индукционный нагрев применяют в основном для пайки деталей с формой тел вращения (трубка с трубкой, трубка с фланцем, вал с втулкой).

С помощью индукционного нагрева возможна пайка в вакууме и в восстановительной или инертной газовой среде (стеклянных, кварцевых ампулах или при косвенном нагреве — металлическом контейнере).  [c.229]

Сварка трением. Нагрев осуществляется за счет выделения тепла при трении соприкасающихся поверхностей. Сварку трением можно проводить на токарном станке (рис. 304). Одна из свариваемых частей закрепляется в патроне станка, а вторая удерживается специальным приспособлением на вращающемся центре задней бабки. В результате трения соприкасающиеся поверхности разогреваются, размягчаются и при приложении осевой силы свариваются, образуя неразъемное соединение. Сварка трением применяется для сваривания изделий из твердых термопластов, для деталей, имеющих форму тел вращения.  

[c.671]

Одним из характерных примеров закалки тела вращения является закалка поверхностей, внешних или внутренних, имеющих коническую или ступенчатую форму. В этом случае необходимо выполнять индукторы так, чтобы участкам с меньшими диаметрами сообщалась меньшая мощность. Только при таком условии нагрев будет равномерным.  

[c.56]

На изношенные детали и детали с дефектами механической обработки, имеющие форму тел вращения, покрытия наносят на токарных станках, причем металлизатор закрепляется в суппорте станка так, чтобы ось его распылительной головки была перпендикулярна обрабатываемой поверхности. Скорость вращения шпинделя станка и продольная подача суппорта устанавливаются с таким расчетом, чтобы в процессе металлизации деталь не нагревалась выше 330—350 К. Если же происходит нагрев детали выше допустимой температуры, то через каждые 1—2 прохода металлизатора процесс необходимо прерывать для охлаждения поверхности до температуры 290—300 К.  [c.252]

Плотность нитрида кремния (3,2 г/см ) составляет около 40 % от плотности стали. Поэтому тела качения имеют меньшую массу, что обусловливает меньшие нагрузки на сепаратор при разгоне и остановке и, следовательно, существенно меньшие потери на трение при высоких частотах вращения, что, в свою очередь, уменьшает нагрев подшипника и способствует увеличению ресурса смазочного материала.

Гибридные подшипники пригодны для применения при высоких частотах вращения.  [c.330]

При смазке масляным туманом в подшипник подается такое количество масла, которое гарантирует наличие масляной пленки между дорожкой качения и телами качения. Поскольку гидродинамические потери при смазке масляным туманом пренебрежимо малы, то и нагрев подшипников невелик. Зависимость температуры подшипника от частоты вращения шпинделя при смазке масляным туманом и принудительной смазке приведена на рис. 71. Влияние количества масла, прокачиваемого через опору, на потери мощности и температуру подшипников показано на рис. 72. Несмотря на рост потерь температура подшипника при расходе масла 200 см /мин уменьшается с увеличением количества прокачиваемого масла благодаря его охлаждающему действию. На основании экспериментов можно рекомендовать формулу для определения оптимального количества прокачиваемого масла, обеспечивающего низкую температуру конических роликовых подшипников   [c. 76]

Экспериментальные установки работают на Гавайских островах, где разность температур у поверхности воды и на глубине около километра составляет 22 °С. Установка состоит из конденсатора, испарителя, насоса и турбины, работающих в замкнутом цикле. По соединяющим их трубам протекает рабочее тело — фреон. Конденсатор охлаждается поднятой с большой глубины водой при температуре +8°С. Испаритель находится при температуре поверхностной воды +30°С. Перешедший в испарителе в газообразное состояние фреон приводит во вращение турбину, после чего охлаждается в конденсаторе и снова подается на нагрев в испаритель.  [c.161]

Для выравнивания нагрева тел вращения в зоне галтелей, реборд, резких ущирений получил распространение одновременный нагрев с растушевкой . По этому методу применяют сложные конструкции индуктирующего провода нагревательного [щ-дуктора, состоящего из отдельных элементов, подобранных с таким расчетом, что при вращении детали нагрев всей подлежащей закалке поверхности выравнивается. Индуктирующий провод нагревает только ту часть поверхности Si, которая обращена к нему. Удельная мощность р, не может быть выше pi значение удельной мощности усредняется на всю поверхность S, подлежащую закалке. Отношение S/S 3—4 не рекомендуется.  [c.18]

Цилиндрические индукторы. Одним из характерных примеров закалки тела вращения является закалка внещних поверхностей, имеющих коническую или ступенчатую форму с малой высотой ступеней. В этом случае необходимо, чтобы участкам тела с мень-щими диаметрами сообщалась меньшая мощность. Только в этом случае нагрев будет равномерным.  [c.151]

Нагрев поверхностного слоя электротоком при помощи специальных токонесущих электродов-роликов, соприкасающихся с закаливаемой поверхностью, с последующим охлаждением водой (или воздухом) называется контактным методом поверхностной закалки. Этот метод разработан проф. Н. В. Гевелингом и нашёл применение для закалки деталей с простыми конструктивными формами (тела вращения—шейки шпинделей станков, валы плоские поверхности — направляющие станков, головки рельсов). Глубина закалки 3—6мм поверхностная твёрдость = 60.  [c.479]

Не каждый способ нагрева пригоден для пайки изделия сложной формы. Так, нагревы в экзотермических реактивных флюсах, индукционный, электролитный пригодны главным образом для небольших изделий, имеющих форму тел вращения нагрев блоками и экзотермическими твердыми смесями —для изделий, состоящих из двух или нескольких деталей простой геометрической формы и небольших размеров нагрев световым лучом, газопламенный, плазменный, электродуговой — для относительно простых изделий с возможностью локального нагрева паяемых деталей по месту пайки, инфракрасный нагрев (ИКН) и наГрев матами — преимущественно для изделий малой толщины и простой формы электронио-лучевой иагрев сканирующим лучом —для одновременной пайки большого числа мест соединения, находящихся в одной плоскости, размеры которой ограничены размерами вакуумной камеры и площадью сечения сканирующего луча дуговым разрядом — для пайки в вакууме плоских и криволинейных деталей, размер которых ограничен размерами вакуумной камеры.  [c.232]

Непрерывно-последовательный способ закалки применяют для деталей диаметром до 140—150 мм, имеющих форму тела вращения. Нагрев проводят в кольцевом индукторе при вращении детали и одновременном перемещении ее с равномерной скоростью относительно индуктора. При закалке длинномерных деталей (длиной более 2—2,5 м) в ряде случаев деталь только вращается, а индуктор перемещается вдоль ее оси. Способ может также применяться при упрочнении плоских деталей. Охлаждение при закалке проводится водой или эмульсией, которые пропускают через спрейер, или погружением в масло (зеркало масла должно быть расположено непосредственно у индуктора). Удельная кющность при этом способе нагрева значите.чьна и составляет 1,5—2 кВт/см .  [c.507]

Приформовка при сборке изделий, имеющих форму тел вращения (трубопроводы, цилиндрические контейнеры и др.), выполняется подобно намотке заготовок или деталей из ПКМ [21]. Места стыка или перекрытия деталей заматывают лентой из стеклянного волокна, стеклянной ткани или другого наполнителя, пропитанного преимущественно полиэфирным или эпоксидным связующим [22], которое затем отверждают до образования прочной связи с поверхностью деталей. При ручной обмотке места стыка не требуется тщательной подгонки поверхностей соединяемых концов труб, допускается некоторая элипсовидность и некоторая разнотолщинность стенок труб [23]. Давление на материал создают в результате натяжения ленты пре-прега. Дополнительное давление можно создать намотанной на приформовочную муфту ленты из ориентированной пленки ПЭТ и нагретой до температуры ее дезориентации. Ускорения отверждения приформованнной муфты добиваются, применяя высокочастотный нагрев [23].  [c.563]

В качестве примера рассмотрим пограничный слой диссоциирующего газа в окрестности лобовой критической точки тупоносого тела вращения. Будем пренебрегать взаимодействием пограничного слоя с отсоединенной головной ударной волной (т. е. считать числа Рейнольдса достаточно большими) и не будем учитывать нагрев поверхности вследствие излучения горячих слоев воздуха, прошедших через головную ударную волну.  [c.578]

Оригинальным процессом непрерывного изготовления заготовок ступенчатых валов и других деталей тел вращения переменного сечения по длине является поперечновинтовая прокатка на трехвалковых станах. Работу станов можно полностью автоматизировать, включая движение подачи заготовки, ее нагрев, прокатку, резку на мерные заготовки, охлаждение готового проката, укладку и упаковку.  [c.752]

Наиболее часто в опорах шпинделей применяют подшипники качения. Для уменьшения влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно устанавливают пошипники с предварительным натягом или увеличивают число тел качения. Подшипники скольжения в опорах шпинделей применяют реже и только при наличии устройств с периодическим (ручным) или автоматическим регулированием зазора в осевом или радиальном направлении. В прецизионных станках применяют аэростатические подшипники, в которых между шейкой вала и поверхностью подшипника находится сжатый воздух, благодаря этому снижается износ и нагрев подшипника, повышается точность вращения и т.п.  [c.276]

Особое внимание уделить герметизации картера. Подогнать натяжение сальника, равное 0,6—0,8 мм, от рабочего диаметра шейки коленчатого вала. При нодгонке применять развертки или круглые камешки. Подгонку производить осторожно. Можно ослабить натяжные пружинки сальника, равномерно растянув ее. В собранном картере двигателя проверить легкость вращения валов КП — все должно легко вращаться от усилия двух пальцев руки. Чтобы не пробуксовывало сцепление, следует подложить миллиметровую шайбу под пружину. Залейте в картер двигателя жидкое масло, лучше всего веретенное марки АУ. Для облегчения работ с цилиндром нужно нагреть цилиндр и вынуть гильзу. По развертке цилиндра распилить окна. Все работы по распиловке окон в гильзе цилиндра выполняются напильниками и надфилями. Для нодгонки продувочных каналов в рубашке цилиндров можно воспользоваться специально заточенными шаберами. На распиленной гильзе снять фаски с острых кромок окон. Когда гильза и цилиндр будут готовы, нагреть цилиндр (степень пагрева цилиндра можно считать достаточной, если после проводки концом спички по телу рубашки остается коричневый след), быстро вставить гильзу в цилиндр, совместить окна гильзы с соответствующими окнами цилиндра.  [c.98]

---

Закон сохранения энергии.

Титульная Механика Литература

Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется начальным и конечным положением тела, называются потенциальными. Очевидно, что работа потенциальных сил на замкнутой траектории равна нулю. Все силы, работа которых зависит от формы траектории, называются непотенциальными. Непотенциальными силами являются силы трения, сопротивления. Для системы тел, в которой действуют потенциальные силы взаимодействия, можно ввести понятие потенциальной энергии. Потенциальная энергия — некоторая функция, описывающая взаимное расположение тел в системе, изменение которой взятое с обратным знаком, равно работе потенциальных сил, действующих между телами ситемы или же это энергия взаимного действия, взаимного расположения тел относительно друг друга: Пример. При прыжке ныряльщика в воду потенциальная сила притяжения совершает работу, которая равна изменению потенциальной энергии ныряльщика. Эта работа идет на изменение кинетической энергии прыгуна. Свойства потенциальной энергии: это энергия системы тел, между которыми действуют потенциальные силы взаимодействия; потенциальная энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого. При этом за нулевой уровень потенциальной энергии можно принять любое состояние системы; формула для расчета потенциальной энергии может быть разной и зависит от характера взаимодействия тел; общим для всех видов потенциальной энергии является ее связь с работой потенциальных сил: A=Epсил=-(Ep1-Ep2) Кинетическая энергия — энергия движения. Работа силы, приложенной к телу при изменении его V, равна изменению кинетической энергии: Закон сохранения энергии. Приращение потенциальной энергии брошенного вверх тела происходит за счет убыли его кинетической энергии; при падении тела, приращение кинетической энергии происходит за счет убыли потенциальной энергии, так что полная механическая энергия тела не меняется. Аналогично, если на тело действует сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую скорость, т. е. кинетическую энергию, но при этом пружина будет распрямляться, и ее потенциальная энергия будет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело, кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя при движении тела энергия каждого вида будет изменяться, но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки будет оставаться постоянной. Энергия может переходить из одного вида в другой, может переходить от одного тела к другому, но общий запас механической энергии остаётся неизменным. Опыты и теоретические расчеты показывают, что при отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия тела или системы тел остается во всех случаях постоянной. В этом и заключается закон сохранения механической энергии. Докажем закон сохранения энергии в следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой упал. Во время движения шарика происходит целый ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться. Если рассмотреть кинетическую энергию, то можно сделать вывод, что она превращается в потенциальную энергию упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е. пока вся его кинетическая энергия не перейдёт в потенциальную энергию упругой деформации. Затем под действием сил упругости деформированной плиты шарик приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика превращается в кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения. В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения. Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту же высоту, с которой он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в конце описанного процесса одна и та же. Более, того, в любой момент времени при всех превращениях энергии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно было бы убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, т. е. закон сохранения механической энергии выполнен. Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон сохранения работы в простой машине, которая деформировалась при передаче работы: дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию самой простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости веревки и т. д. простая машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой конец. Силы трения и закон сохранения механической энергии. Присматриваясь к движению шарика, подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после каждого удара шарик поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, т. е. полная энергия не остается в точности постоянной, а понемногу убывает; это значит, что закон сохранения энергии в таком виде, как мы его сформулировали, соблюдается в этом случае только приближённо. Причина заключается в том, что в этом опыте возникают силы трения, сопротивление воздуха, в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом материале шарика и плиты. Вообще, при наличии трения закон сохранения механической энергии всегда нарушается и полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли энергии и совершается работа против сил трения. Например, при падении тела с большой высоты скорость, вследствие действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре становится постоянной; кинетическая энергия тела перестает меняться, но его потенциальная энергия уменьшается. Работу против силы сопротивления воздуха совершает сила тяжести за счет потенциальной, энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше, чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит, суммарная механическая энергия убывает. Работа против сил трения может совершаться и за счет кинетической энергии. Например, при движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная энергия лодки остается постоянной, но вследствие сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, т. е. ее кинетическая энергия, приращение кинетической энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль кинетической энергии лодки. Подобно этому действуют и силы трения между твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а, следовательно, и его кинетическая энергия, меньше той, которую он приобрёл бы в отсутствие трения. Можно так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия будет убывать, а кинетическая — оставаться постоянной, и работа против сил трения будет совершаться за счет потенциальной энергии. В природе все движения (за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной энергии. Превращение механической энергии во внутреннюю энергию. Особенность сил трения состоит, как мы видели, в том, что работа, совершённая против сил трения, не переходит полностью в кинетическую или потенциальную энергию тел; вследствие этого суммарная механическая энергия тел уменьшается. Однако работа против сил трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение тел при наличия трения ведет к их нагреванию. Мы можем легко обнаружить это, крепко потирая руки или протягивая металлическую полоску между сжимающими ее двумя кусками дерева; полоска даже на ощупь заметно нагревается. Первобытные люди, как известно, добывали огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга. Нагревание происходит также при совершении работы против сил внутреннего трения, например, при многократном изгибании проволоки. Нагревание при движении, связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень сильным. Например, при торможении поезда тормозные колодки сильно нагреваются. При спуске корабля со стапелей на воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются, и все же нагревание так велико, что смазка дымится, а иногда даже загорается. При движении тел в воздухе с небольшими скоростями, например, при движении брошенного камня, сопротивление воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается небольшая работа, и камень практически не нагревается. Но быстро летящая пуля разогревается значительно сильнее. При больших скоростях реактивных самолетов приходится уже принимать специальные меры для уменьшения нагревания обшивки самолета. Мелкие метеориты, влетающие с огромными скоростями (десятки километров в секунду) в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу сопротивления среды, что полностью сгорают в атмосфере. Нагревание в атмосфере искусственного спутника Земли, возвращающегося на Землю, так велико, что на нем приходится устанавливать специальную тепловую защиту. Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать и другие изменения. Например, они могут измельчаться, растираться в пыль, может происходить плавление, т. е. переход тел из твердого в жидкое состояние: кусок льда может расплавиться в результате трения о другой кусок льда или о какое-либо иное тело. Итак, если движение тел связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями: сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел уменьшается; происходит изменение состояния тел, в частности может происходить нагревание. Это изменение состояния тел происходит всегда таким образом, что в новом состоянии тела могут производить большую работу, чем в исходном. Так, например, если налить в закрытую с одного конца металлическую трубку немного эфира и, заткнув трубку пробкой, зажать ее между двумя пластинками и привести в быстрое вращение, то эфир испарится и вытолкнет пробку. Значит, в результате работы по преодолению сил трения трубки о пластинки трубка с эфиром пришла в новое состояние, в котором она смогла совершить работу, требующуюся для выталкивания пробки, т. е. работу против сил трения, удерживающих пробку в трубке, и работу, идущую на сообщение пробке кинетической энергии. В исходном состоянии трубка с эфиром не могла совершить эту работу. Таким образом, нагревание тел, равно как и другие изменения, их состояния, сопровождается изменением «запаса» способности этих тел совершать работу. Мы видим, что «запас работоспособности» зависит, помимо положения тел относительно Земли, помимо их деформации и их скорости, еще и от состояния тел. Значит, помимо потенциальной энергии тяготения и упругости и кинетической энергии тело обладает и энергией, зависящей, от его состояния. Будем называть ее внутренней энергией. Внутренняя энергия тела зависит от его температуры, от того, является ли тело твердым, жидким или газообразным, как велика его поверхность, является ли оно сплошным или мелко раздробленным и т. д. В частности, чем температура тела выше, тем больше его внутренняя энергия. Таким образом, хотя при движениях, связанных с преодолением сил трения, механическая энергия систем движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их внутренняя энергия. Например, при торможении поезда уменьшение его кинетической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии тормозных колодок, бандаж колес, рельсов, окружающего воздуха и т. д. в результат нагревания этих тел. Все сказанное относится также и к тем случаям, когда силы трения возникают внутри тела, например, при разминании куска воска, при неупругом ударе свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки. Всеобщий характер закона сохранения энергии. Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе сохранения механической энергии. Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остается постоянной. Если же действуют силы трения, то энергия уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все новые виды энергии: была обнаружена световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве примера достаточно указать хотя бы на химическую энергию, запасённую во взрывчатых веществах и превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве), наконец, была открыта ядерная энергия. Оказалось, что совершаемая над телом работа равна сумме всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом над другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общая энергия всех видов остаётся все время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии. Хотя общее количество энергии остается постоянным, количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это — нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и т. п. Такие потери не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих механизмах; так, во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Способ нагрева сетевой воды на тепловой электрической станции

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях.

Известен способ работы тепловой электрической станции, заключающийся в том, что весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей, последовательно нагревают в нижнем и в верхнем сетевых подогревателях, а затем направляют потребителям. Охлаждение отработавшего пара производят циркуляционной водой, которую используют в качестве источника низкопотенциальной теплоты для испарителя теплонасосной установки. Весь поток сетевой воды после нижнего сетевого подогревателя дополнительно подогревают в конденсаторе теплонасосной установки, а затем направляют в верхний сетевой подогреватель [RU 2269656 С2, F01K 17/02, 10.02.2006].

Известен способ работы тепловой электрической станций, по которому весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей, последовательно нагревают паром отборов в нижнем сетевом подогревателе и в верхнем сетевом подогревателе, а затем направляют потребителям. Охлаждение отработавшего пара производят циркуляционной водой, которую используют в качестве источника низкопотенциальной теплоты для испарителя теплонасосной установки [SU 1590569 A1, F01K 17/02, 07.09.1990].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ работы тепловой электрической станции, по которому в котле вырабатывают острый пар, подают его в турбину, отработавший в турбине пар конденсируют в конденсаторе, образовавшийся основной конденсат турбины нагревают в подогревателях низкого давления паром регенеративных отборов, сетевую воду нагревают в сетевых подогревателях паром отопительных отборов турбины, утечки сетевой воды в теплосети восполняют подпиточной водой, которую готовят в вакуумном деаэраторе подпиточной воды теплосети, для чего в него подают исходную воду, к вакуумному деаэратору подпиточной воды теплосети подключен бак-аккумулятор подпиточной воды, основной конденсат турбины после первого по ходу конденсата подогревателя низкого давления и перед подачей во второй по ходу конденсата подогреватель низкого давления охлаждают в поверхностном охладителе исходной водой перед ее подачей в вакуумный деаэратор подпиточной воды теплосети [RU 2430243 C1, F01K 17/02, 27. 09.2011]. Этот аналог принят в качестве прототипа.

Недостатки аналогов и прототипа заключаются в потерях теплоты нагретой циркуляционной воды, что приводит к понижению надежности и экономичности работы тепловой электрической станции.

Задачей изобретения является повышение надежности и экономичности тепловой электрической станции.

Технический результат — дополнительная выработка электрической энергии на тепловом потреблении при обеспечении дополнительного нагрева всего потока подающей сетевой воды в конденсаторе теплонасосной установки.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается в способе нагрева сетевой воды на тепловой электрической станции, включающий выработку в котле острого пара и подачу его в турбину, при этом отработавший в турбине пар конденсируют в конденсаторе, образовавшийся основной конденсат турбины нагревают в подогревателях низкого давления паром регенеративных отборов, сетевую воду нагревают в сетевых подогревателях паром отопительных отборов турбины, утечки сетевой воды в теплосети восполняют подпиточной водой, которую готовят в вакуумном деаэраторе подпиточной воды теплосети, для чего в него подают исходную воду, при этом к вакуумному деаэратору подпиточной воды теплосети подключен бак-аккумулятор подпиточной воды, основной конденсат турбины после первого по ходу конденсата подогревателя низкого давления и перед подачей во второй по ходу конденсата подогреватель низкого давления охлаждают в поверхностном охладителе исходной водой перед ее подачей в вакуумный деаэратор подпиточной воды теплосети, отличающийся тем, что весь поток сетевой воды перед сетевыми подогревателями дополнительно подогревают в конденсаторе теплонасосной установки.

Далее рассмотрим сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема тепловой электрической станции, поясняющая предложенный способ, на фиг. 2 изображена схема теплового баланса в нижнем сетевом подогревателе.

Станция содержит теплофикационную турбину 1, конденсатор 2 которой связан трубопроводом 3 основного конденсата турбины 1 с деаэратором 4 питательной воды, включенные в трубопровод 3 основного конденсата подогреватели низкого давления 5, подключенные к регенеративным отборам пара. В трубопровод 6 сетевой воды включены нижний сетевой подогреватель 7, верхний сетевой подогреватель 8, которые подключены к нижнему и верхнему отопительным отборам пара турбины 1, конденсатор 9 теплонасосной установки. Испаритель 10 теплонасосной установки подключен к трубопроводу 11 нагретой циркуляционной воды, конденсатора турбины 2. К трубопроводу 6 сетевой воды подключен вакуумный деаэратор 12 подпиточной воды теплосети с баком-аккумулятором 13. В трубопровод 3 основного конденсата турбины 1 между первым и вторым по ходу конденсата подогревателями низкого давления 5 включен поверхностный охладитель 15, включенный по охлаждающей среде в трубопровод 16 исходной воды перед вакуумным деаэратором 12 подпиточной воды теплосети.

Способ работы состоит из следующих операций.

Вырабатываемый в котле пар направляют в теплофикационную турбину 1. Отработавший пар турбины 1 конденсируется в конденсаторе 2. Затем основной конденсат турбины 1 по трубопроводу 3 основного конденсата подают в деаэратор 4 питательной воды, при этом основной конденсат турбины нагревают перед деаэратором 4 питательной воды в подогревателях низкого давления 5, которые включены в трубопровод 3 основного конденсата между конденсатным насосом 14 и деаэратором 4 питательной воды. Весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей по трубопроводу сетевой воды 6, последовательно нагревают в конденсаторе 9 теплонасосной установки, нижнем сетевом подогревателе 7 и верхнем сетевом подогревателе 8, а затем направляют потребителям трубопроводу сетевой воды 6. В конденсаторе 9 теплонасосной установки нагрев сетевой воды осуществляют в конденсаторе теплотой, отведенной в испарителе 10 от нагретой циркуляционной воды из трубопровода 11. Исходную воду нагревают до технологически необходимой температуры в поверхностном охладителе 15, основным конденсатом турбины 1 перед подачей в вакуумный деаэратор 9 подпиточной воды теплосети. Деаэрированную воду хранят в баке-аккумуляторе 13 подпиточной воды, после чего подают в сетевой трубопровод 6 перед конденсатором 9 теплонасосной установки.

Пример конкретной реализации способа.

Для реализации способа выбрана принципиальная тепловая схема электростанции на базе турбоустановки ПТ-135/165-130. Вырабатываемый в котле пар, с давлением 13 МПа направляют в теплофикационную турбину 1 (ПТ-135/165-130). Отработавший пар турбины конденсируется в конденсаторе 2 (К2-6000). Затем основной конденсат турбины по трубопроводу 3 основного конденсата подают в деаэратор 4 питательной воды (ДП-1000/120), при этом основной конденсат турбины нагревают перед деаэратором 4 питательной воды в подогревателях низкого давления 5, которые включены в трубопровод 3 основного конденсата между конденсатными насосами 14 (КСВ-320-160) и деаэратором 4 питательной воды. Весь поток обратной сетевой воды, возвращаемый от потребителей по трубопроводу сетевой воды 6, последовательно нагревают в конденсаторе 9 теплонасосной установки, нижнем сетевом подогревателе 7 (ПСГ-2300-3-8) и верхнем сетевом подогревателе 8 (ПСГ-2300-3-8), а затем направляют потребителям трубопроводу сетевой воды 6. В конденсаторе 9 теплонасосной установки нагрев сетевой воды осуществляют в конденсаторе теплотой, отведенной в испарителе 10 от нагретой циркуляционной воды из трубопровода 11. Теплонасосная установка обеспечит подогрев всего потока сетевой воды, перед подачей в нижний сетевой подогреватель Повышение температуры (энтальпии обратной сетевой воды h_ос) приведет к сокращению греющего пара D₇ на нижний сетевой подогреватель 7. Это видно из формулы 1 и фиг. 2 теплового баланса в нижнем сетевом подогревателе.

где G_св — расход сетевой воды,

h_ос, h_нс — энтальпия воды перед подачей в нижний сетевой подогреватель и после подогрева в нижнем сетевом подогревателе соответственно,

h₇, h_7н^_ энтальпия греющего пара и энтальпия конденсата греющего пара,

η_в — кпд нижнего сетевого подогревателя.

Дополнительная выработка электрической энергии ΔN будет обеспечена за счет сокращения расхода пара на нижний сетевой подогреватель 7 на величину ΔD, это видно из формулы 2.

где ΔD — изменение расхода пара в нижний сетевой подогреватель,

h₇, h_к — энтальпия греющего пара и энтальпия пара в конденсаторе турбины соответственно,

η_oi — кпд отсека турбины.

Выполненные расчеты показали, что реализация предлагаемого способа на базе турбоустановки ПТ-135/165-130 обеспечит дополнительную выработку электрической энергии в размере 0,6 МВт, с учетом потребления электрической энергии теплонасосной установкой.

Таким образом, предложенное решение позволяет повысить надежность и экономичность тепловой электрической станции за счет эффективного использования теплоты нагретой циркуляционной воды для нагрева сетевой воды, следствием которого является дополнительная выработка электрической энергии на тепловом потреблении.

Способ нагрева сетевой воды на тепловой электрической станции, включающий выработку в котле острого пара и подачу его в турбину, при этом отработавший в турбине пар конденсируют в конденсаторе, образовавшийся основной конденсат турбины нагревают в подогревателях низкого давления паром регенеративных отборов, сетевую воду нагревают в сетевых подогревателях паром отопительных отборов турбины, утечки сетевой воды в теплосети восполняют подпиточной водой, которую готовят в вакуумном деаэраторе подпиточной воды теплосети, для чего в него подают исходную воду, при этом к вакуумному деаэратору подпиточной воды теплосети подключен бак-аккумулятор подпиточной воды, основной конденсат турбины после первого по ходу конденсата подогревателя низкого давления и перед подачей во второй по ходу конденсата подогреватель низкого давления охлаждают в поверхностном охладителе исходной водой перед ее подачей в вакуумный деаэратор подпиточной воды теплосети, отличающийся тем, что весь поток сетевой воды перед сетевыми подогревателями дополнительно подогревают в конденсаторе теплонасосной установки.

Преобразование внутренней энергии при сжатии и расширение газа и при нагревании трением

2014-05-27

Если мы попытаемся накачать велосипедную камеру насосом, то почувствуем, что насос нагрелся. Главной причиной нагрева в этом случае трение, а сжатие воздуха: сжимая, мы выполняли работу, увеличивая внутреннюю энергию газа.

Если поместить на дно толстостенного прозрачного цилиндра сухую ватку и резко вставить поршень в цилиндр, ватка загорится (см. рисунок). Почему?

Это произошло в результате сильного сжатия: воздуха в цилиндре нагрелось до очень высокой температуры.

А изменится внутренняя энергия газа, если при расширении газ сам выполнит работу?

Будем накачивать воздух в толстостенную стеклянную посуду, плотно закрытую пробкой. Когда давление воздуха в сосуде станет достаточно большим, пробка выскочит, причем в сосуде появится туман (см. рисунок).

В этом опыте газ, расширяясь, выполнил работу, передав пробке механическую энергию. При этом внутренняя энергия газа уменьшилась.

Потрите один брусок о другой — они нагреваются. Потрите быстро ладони. Вы почувствовали, что они нагрелись? Значит, их внутренняя энергия увеличилась. В этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю: мы выполняем работу, преодолевая силу трения.

Таким образом, внутреннюю энергию можно изменить, выполнив работу — за счет сжатия (расширения) газа или с помощью трения. Необходимо обратить внимание учащихся на практическое применение полученных выводов.

• Во-первых, сильный нагрев газа при сжатии используют в дизельных двигателях, установленных в автомобилях, тракторах, кораблях.

• Во-вторых, в наших опытах мы смоделировали появление облаков: поднимаясь, водяной пар расширяется и охлаждается, превращаясь в капельки воды.

• В-третьих, переход части внутренней энергии в механическую энергию происходит в тепловых двигателях, например, в автомобильных. Расширяясь в цилиндре под поршнем, газ выполняет работу. При этом газ охлаждается, то есть его внутренняя энергия уменьшается.

категория: Физика

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ТРЕНИИ В ВАКУУМЕ

358 А. О. Поздняков, М. И. Чернышов, А. В. Семенч и др.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2020. Т. 63, № 4

scribed. The method efficiency is illustrated by results of experimental study of the friction of polyamide

with metal and polymer counterbodies.

Keywords: mass spectrometry, friction, vacuum, polymer, polyamide, polyethylene

REFERENCES

1. Bowden F.P., and Hanwell A.E. Nature, 1964, no. 4926(201), pp. 1279–1281.

2. Grib V.V., Lazarev G.E. Laboratornyye ispytaniya materialov na treniye i iznos (Laboratory Tests of Mate-

rials for Friction and Wear), Moscow, 1968, 141 р. (in Russ.)

3. Rusanov A.V., Nevshupa R.A., Fontaine J., Lemon T., Martan J.-M. Herald of the Bauman Moscow State

Technical University. Series Mechanical Engineering, 2008, no. 3, pp. 52–65. (in Russ.)

4. Houdier M., Berthier Y., Jacquemard P., Russeau B., Bonnamy S., Estrade-Szwarckopf H. Wear, 2004,

no. 256, pp. 1082–1087.

5. Tarabarin V.B., Fursyak F.I. Laboratornyy praktikum po kursu „Teoriya mekhanizmov i mekhanika mashin

i primeneniye v nem EVM“ (Laboratory Workshop on the Course «Theory of Mechanisms and Mechanics

of Machines and the Use of Computers in), Moscow, 1991, 48 р. (in Russ.)

6. Kragel’skiy I.V., Lyubarskiy I.M., Guslyakov A.A., Troyanovskaya G.A., Udovenko V.F. Treniye i iznos v

vakuume (Vacuum Friction and Wear), Moscow, 1973, 216 р.

7. Pozdnyakov A.O., Ginzburg B.M., Lishevich I.V., Popov E.O., Pozdnyakov O.F. Voprosy materialovede-

niya, 2013, no. 4(72), pp. 265–274.

8. Sedletskiy R.V. Pozdnyakov A.O. Voprosy materialovedeniya, 2014, no. 4(80), pp. 115–129. (in Russ.)

9. Pozdnyakov A.O., Voznyakovskii A.P., Ginzburg B. M. Key Engineering Materials, 2016, Vol. 674, Mar.,

pp. 115–120, DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.674.115.

10. Pozdnyakov A.O., Ginzburg B.M. Journal of Macromolecular Science, Part B: Physics, 2013, no. 12(52),

pp. 1697–1706.

11. Aleksandrov V.G. Issledovaniye elektronnoy pushki i yeye primeneniye vo vremyaproletnom mass-

spektrometre MR-2 (The Study of the Electron Gun and Its Use in the MP-2 Mass Transit Spectrometer),

Thesis, Leningrad, 1981. (in Russ.)

12. Firago B.I., Vasil’yev D.S. Energetika. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy i energeticheskikh

ob»yedineniy SNG, 2015, no. 5, pp. 5–15.

13. Agafonov I.L., Devyatykh G.G. Mass-spektrometricheskiy analiz gazov i parov osoboy chistoty (Mass

Spectrometric Analysis of High Purity Gases and Vapors), Moscow, 1980, 333 р. (in Russ.)

14. Persson B.N.J. Sliding Friction, Springer, 2000, 515 р.

15. NIST Standard Reference Database: NIST/EPA/ MSDC Mass Spectral database, PC Version 3. 0,

Lias S.G., Stein S.E., ed., Maryland, 1990.

Data on authors

Aleksey О. Pozdnyakov — PhD, Associate Professor; Ioffe Institute; Senior Researcher;

E-mail: [email protected]

Maksim I. Chernyshov — Master; Ioffe Institute; Technician;

E-mail: [email protected]

Aleхander V. Semencha — PhD, Associate Professor; St. Petersburg Polytechnic Universi-

ty, Higher School of Physics and Material Technology; Director;

E-mail: [email protected]

Sergey N. Golyandin — PhD; Ioffe Institute; Senior Researcher;

E-mail: [email protected]

Vladimir I. Nikolaev — PhD; Ioffe Institute; Head of Laboratory;

E-mail: [email protected]

Aleхander P. Voznyakovskiy — Dr. Sci.; Acad. S. V. Lebedev Research Institute of Synthetic

Rubber; Head of Department; E-mail: [email protected]

Yury А. Fadin — Dr. Sci.; Institute for Problems in Mechanical Engineering of the

RAS; Head of Laboratory; E-mail: fadinspb@yandex. ru

For citation: Pozdnyakov А. О., Chernyshov М. I., Semencha А. V., Golyandin S. N., Nikolaev V. I., Voz-

nyakovskiy А. P., Fadin Yu. А. Mass spectrometric method for studying gas release during friction in a va-

cuum. Journal of Instrument Engineering. 2020. Vol. 63, N 4. P. 353—358 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-4-353-358

Измеренный нагрев воды из-за трения

Контекст 1

… 1 и 2. Синяя линия на Рисунке 5 представляет ожидаемый нагрев от измеренного падения давления на охлаждающей головке. Стандартное отклонение для этого фитинга составляет 0,023 o C. После количественного определения нагрева трением можно проводить эксперименты по охлаждению. Каждый эксперимент проводился путем включения охлаждающего контура на максимальный расход через охлаждающую головку, затем зажигания газовой горелки и ее направления для нагрева мишени (см. Рисунок 4).На протяжении всего эксперимента газовая горелка остается в том же положении и с той же скоростью потока газа. Следовательно, мощность нагрева от газовой горелки должна быть постоянной. Охлаждающая способность экспериментального контура измеряется для различных расходов охлаждающей жидкости путем открытия клапана на байпасе для изменения потока через охлаждающую головку. Таким образом, расход может быть изменен от 90 л / мин до 190 л / мин. Были проведены различные эксперименты с различной мощностью нагрева путем замены сопла газовой горелки.На рис. 6 представлен расчетный нагрев охлаждающей воды при ее прохождении через охлаждающую головку для одного из экспериментов. Светлые треугольники — расчетное увеличение энтальпии охлаждающей воды. Он был рассчитан на основе измеренного расхода и разницы температур. Светлые кружки — расчет нагрева трением с использованием уравнения Бернулли. Нагрев за счет газовой горелки, который представляет собой охлаждающую способность системы, определяется разницей между этими двумя значениями. Он отображается на рисунке сплошными квадратами.Расчетная холодопроизводительность постоянна для всех скоростей потока, что должно зависеть от способа проведения эксперимента. Он указывает на точность измерений и анализа данных. Возможная погрешность расчета нагрева от трения (+/- 0,023 o C) эквивалентна погрешности менее 10% при расчете нагрева газовой горелкой. Однако из рисунка 6 видно, что фактическая точность лучше, поскольку для всех значений расхода расчетный нагрев почти одинаков, как и должно быть.Целевые температуры для этого эксперимента в различных местах представлены на рисунке 7 (геометрия мишени и расположение термопар показаны в правой части рисунка). Как видно, газовая горелка создает неравномерное распределение температуры. Температура наиболее высока в центре цели и уменьшается по мере удаления от центра. Ожидается, что пучок ускорителя даст аналогичное распределение мощности (распределение Гаусса). Во время эксперимента мощность источника тепла поддерживалась постоянной.Изменение расхода охлаждающей воды привело к изменению охлаждающей способности. Целевая температура снижалась по мере увеличения расхода из-за увеличения коэффициента теплопередачи. Признаков поверхностного кипения пока не наблюдалось. На рисунке 8 сравнивается радиальный профиль измеренной температуры с нашими оценками. Текущие оценки основаны на корреляции для коэффициента теплопередачи в точке торможения и радиальной функции распределения теплопередачи, полученной Линхардом [4]. Подробное описание нашей процедуры оценки дано в [9].Как видно, измеренные значения ниже температур, оцененных расчетами. Большая разница между оценками и фактическими измерениями может быть результатом неточных предположений, использованных для расчета: 1. Распределение теплового потока от газовой горелки предполагается гауссовым. 2. Анализ является одномерным и не учитывает радиальную теплопередачу. 3. Функция радиального распределения теплопередачи не учитывает влияние внешних стенок охлаждающей камеры.Мы не пытались вычислить реальный коэффициент теплопередачи, потому что существует довольно большая погрешность при измерении температуры внутри объекта. Высокие тепловые потоки порядка 1 кВт / см 2 создают высокие . ..

Контекст 2

… прежде, чем вода станет слишком горячей и ее придется охлаждать. На рисунке 3 представлен чертеж охлаждающей головки для водяной системы. Обогреваемая мишень справа (голубая). Он сделан из меди, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи и уменьшить температурный градиент, возникающий в нем из-за высокого теплового потока.Заданная температура измеряется в четырех разных точках термопарами K-типа. Они вставляются радиально в мишень в трех различных радиальных положениях (осевое и радиальное расположение термопар показано на рисунке 7). Два из них можно увидеть на Рисунке 3, вставленные в отверстия, просверленные в мишени. Сопло представляет собой прямую трубу с внутренним диаметром 8 мм (розового цвета). Другие детали, которые можно увидеть на чертеже: 1) Экраны для термопар (розовые пластины справа), 2) Подключение датчика давления для давления воды на выходе (в верхней части корпуса головки, серый) .Расстояние сопла от цели можно изменять в диапазоне от 4 до 20 мм. Для предварительных экспериментов в качестве источника тепла использовалась газовая горелка (см. Рисунок 4). При использовании газовой горелки в качестве источника тепла мощность нагрева можно определить только косвенно, измерив нагрев охлаждающей воды. Электромагнитный расходомер на обратном трубопроводе от охлаждающей головки используется для измерения расхода, а два датчика PT-100 с датчиком дифференциальной температуры используются для измерения повышения температуры воды при ее прохождении через охлаждающую головку.Одна проблема с таким методом заключается в том, что из-за высокой скорости потока в охлаждающей головке температура воды увеличивается также из-за эффекта вязкости. Этот эффект был измерен в холодном режиме (без источника тепла). Фактическая мощность нагрева газовой горелки — это разница между измеренным значением и значением вязкости нагрева, полученным при холодном испытании. Первым этапом экспериментальной работы было измерение вязкости нагрева, позволяющей отводить мощность источника тепла. Чтобы получить эти данные, экспериментальный контур охлаждения работал без какого-либо внешнего источника тепла при нескольких различных расходах воды.Постоянно контролировали температуру воды на входе и выходе охлаждающей головки, а также скорость потока воды через нее. На рис. 5 представлена ​​измеренная разница температур охлаждающей воды между выходом и входом охлаждающей головки в зависимости от расхода. Отчетливо виден эффект нагрева трением. Данные были подогнаны под квадрат расхода (зеленая линия на рисунке 5). Кроме того, используя уравнение Бернулли для адиабатического потока с трением, ожидаемый нагрев может быть рассчитан следующим образом: (1) P 2 — P 1 = (u 2 — u 1) ρ = ρ Cp (T 2 — T 1). получено в предположении, что влияние потенциальной энергии незначительно и при равных скоростях потока…

Контекст 3

… до того, как вода станет слишком горячей и ее нужно будет охладить. На рисунке 3 представлен чертеж охлаждающей головки для водяной системы. Обогреваемая мишень справа (голубая). Он сделан из меди, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи и уменьшить температурный градиент, возникающий в нем из-за высокого теплового потока. Заданная температура измеряется в четырех разных точках термопарами K-типа. Они вставляются радиально в мишень в трех различных радиальных положениях (осевое и радиальное расположение термопар показано на рисунке 7).Два из них можно увидеть на Рисунке 3, вставленные в отверстия, просверленные в мишени. Сопло представляет собой прямую трубу с внутренним диаметром 8 мм (розового цвета). Другие детали, которые можно увидеть на чертеже: 1) Экраны для термопар (розовые пластины справа), 2) Подключение датчика давления для давления воды на выходе (в верхней части корпуса головки, серый) . Расстояние сопла от цели можно изменять в диапазоне от 4 до 20 мм. Для предварительных экспериментов в качестве источника тепла использовалась газовая горелка (см. Рисунок 4).При использовании газовой горелки в качестве источника тепла мощность нагрева можно определить только косвенно, измерив нагрев охлаждающей воды. Электромагнитный расходомер на обратном трубопроводе от охлаждающей головки используется для измерения расхода, а два датчика PT-100 с датчиком дифференциальной температуры используются для измерения повышения температуры воды при ее прохождении через охлаждающую головку. Одна проблема с таким методом заключается в том, что из-за высокой скорости потока в охлаждающей головке температура воды увеличивается также из-за эффекта вязкости.Этот эффект был измерен в холодном режиме (без источника тепла). Фактическая мощность нагрева газовой горелки — это разница между измеренным значением и значением вязкости нагрева, полученным при холодном испытании. Первым этапом экспериментальной работы было измерение вязкости нагрева, позволяющей отводить мощность источника тепла. Чтобы получить эти данные, экспериментальный контур охлаждения работал без какого-либо внешнего источника тепла при нескольких различных расходах воды. Постоянно контролировали температуру воды на входе и выходе охлаждающей головки, а также скорость потока воды через нее. На рис. 5 представлена ​​измеренная разница температур охлаждающей воды между выходом и входом охлаждающей головки в зависимости от расхода. Отчетливо виден эффект нагрева трением. Данные были подогнаны под квадрат расхода (зеленая линия на рисунке 5). Кроме того, используя уравнение Бернулли для адиабатического потока с трением, ожидаемый нагрев может быть рассчитан следующим образом: (1) P 2 — P 1 = (u 2 — u 1) ρ = ρ Cp (T 2 — T 1). получено в предположении, что влияние потенциальной энергии незначительно и при равных скоростях потока…

В: Можно ли нагреть простую чашку кофе с помощью ручного устройства, предназначенного не только для перемешивания, но и для нагрева воды за счет трения, и является ли это более эффективным, чем нагревание на плите с последующим перемешиванием?

Physicist : Вы определенно можете сделать устройство, которое нагревает воду путем перемешивания. Фактически, именно так ученые (Джоуль) выяснили, как в первую очередь уравнять тепловую энергию и кинетическую энергию.

Устройство Джоуля, которое превращает энергию падающего груза в тепло.

Когда вы вводите турбулентность в систему, энергия перетекает из крупномасштабных водоворотов в более мелкие и мелкие водовороты. В какой-то момент водовороты становятся размером с молекулу (это занимает около одной минуты). На этом этапе вы больше не говорите о потоке жидкости, а вместо этого говорите о случайном движении молекул (тепле).

Интересный факт! В двух измерениях турбулентность на самом деле начинается с малых масштабов и переходит в более крупные масштабы! Вы можете увидеть это в погодных системах размером более 15 км в атмосфере (в этих масштабах атмосфера фактически плоская).

Хороший способ наведения больших вихревых токов.

С этой точки зрения разница между смесителем и нагревателем состоит в том, что смеситель индуцирует большие вихревые токи, а нагреватель — мельчайшие из возможных вихрей. Между ними аккуратно помещаются ультразвуковые обогреватели.

КПД определяется как, где — КПД, — это вложенная энергия и — это энергия, теряемая на тепло. Вы заметите, что отсутствие потерь тепла означает эффективность 100% (), а если вся энергия теряется на тепло, то эффективность составляет 0%.Таким образом, хорошая вещь в попытках создать тепло намеренно заключается в том, что вы всегда будете на 100% эффективны (если вы потеряете немного тепла, чтобы нагреться, вы заметите?). Или, по крайней мере, достаточно близко. Вам следует беспокоиться о том, что вы случайно нагреете не то, что нужно. Миксеры создают большие водовороты, которые могут перемещать чашку, издавать шум и тому подобное. Другими словами, часть энергии тратится на нагревание вещей возле чашки (если вы слышите это, значит, часть энергии тратится на ваше ухо).

Электрическая плита выталкивает энергию в воду со скоростью около 1 кВт.Обычный блендер (миксер) потребляет мощность около 400 Вт и почти полностью теряет ее из-за шума и вибрации.

Итак, чтобы на самом деле ответить на вопрос, вы можете нагреть кофе путем перемешивания, но вы получите много брызг, это будет медленно, и он потеряет изрядное количество энергии из-за шума и вибрации. Лучше использовать обычное смесительное устройство со встроенным нагревательным элементом или сначала нагревать на плите.

Износ, ползучесть и нагрев суставных поверхностей бедренного имплантата из-за трения и его влияние на долгосрочную работоспособность — Часть II, Трение, нагрев и крутящий момент

В части I (Дж.А. Дэвидсон и Г. Шварц, «Износ, ползучесть и нагрев суставных поверхностей бедренного имплантата из-за трения и его влияние на долгосрочную работоспособность — Часть I, обзор», J. Biomed. Матер. Res., 21, 000-000 (1987) было показано, что смазка искусственного тазобедренного сустава является сложной задачей и что долговременная работа определяется комбинированным износом, ползучестью и, в меньшей степени, окислительной деградацией сочленяющих материалов. . Важно отметить, что было показано, что существует тенденция к нагреванию во время сочленения в тазобедренном суставе и что повышенные температуры могут увеличить скорость износа, ползучести и окисления СВМПЭ. Настоящее исследование было проведено для тщательного изучения склонности к выделению тепла во время сочленения на тренажере тазобедренного сустава. Исследуемые системы включали полированный сплав Co-Cr-Mo, соединяющийся с UHMWPE, полированный керамический оксид алюминия против UHMWPE и полированный оксид алюминия против самого себя. Момент трения также был оценен для каждой системы при различных уровнях приложенных нагрузок. История нагрузки при ходьбе использовалась как в тестах на нагрев при трении, так и в испытаниях крутящего момента. Большинство тестов проводилось с 5 мл водной смазки.Однако также оценивали влияние различных концентраций гиалуроновой кислоты. Результаты показали, что фрикционный нагрев происходит во всех трех системах, достигая равновесия примерно через 30 минут сочленения. Керамические системы показали более низкий уровень нагрева по сравнению с системой кобальтовый сплав-СВМПЭ. Уровень момента трения для каждой системы оценивается аналогично их соответствующей склонности к выделению тепла. Гиалуроновая кислота имела небольшой эффект, в то время как сухие условия и присутствие небольшого количества порошка костного цемента в водной смазке значительно увеличивали момент трения.

Попадание в горячую воду: Практическое руководство по системам водяного отопления

Одним из положительных результатов недавнего энергетического кризиса стало развитие и совершенствование технологий использования альтернативных форм энергии. Нигде эти усилия не были более очевидными, чем рост использования древесины в качестве источника топлива.Многие односемейные дома, построенные в последние годы, предусматривают хотя бы частичное отопление дровами. Некоторые коммерческие, промышленные и сельскохозяйственные предприятия, которым требуется большое количество тепла, также либо перешли на древесину, либо рассмотрели ее.

Один из наиболее удобных, эффективных и рентабельных способов, с помощью которых жилые, сельскохозяйственные и небольшие коммерческие пользователи могут пользоваться преимуществами энергии на базе древесины, — это использование системы водяного отопления (часто называемой гидравлической). Системы горячего водоснабжения, работающие на древесном топливе, особенно подходят для малых и средних предприятий.Основным преимуществом этих систем является то, что они обеспечивают постоянный нагрев при относительно нечастой загрузке. Они также безопасны и могут сжигать недорогое древесное топливо во многих различных формах. Хотя этой технологии как минимум 200 лет, сегодня стоит подумать о ней.

Расширение биологической и сельскохозяйственной инженерии в Государственном университете Северной Каролины спроектировало и протестировало ряд гидравлических систем различных размеров за последние годы. Планы для этих систем доступны за небольшую плату.В настоящее время в Северной Каролине действует несколько тысяч жилых систем горячего водоснабжения, работающих на дровах. Кроме того, около 60 единиц используется для сушки табака и около 300 — для обогрева теплиц. Хотя многие из этих систем были построены на основе проверенных планов, некоторые из них — нет. Когда в системе возникают проблемы, это часто происходит из-за того, что некоторые важные конструктивные или эксплуатационные требования были упущены.

Для эффективной работы важно понимать и соблюдать определенные основные правила.Эта публикация предоставляет оператору системы водяного отопления важную базовую информацию об этом типе системы и ее работе. В первых двух разделах описывается система горячего водоснабжения и ее части, объясняются функции каждой части и даются некоторые простые расчеты конструкции для тех, кто хочет построить свою собственную систему. Третий раздел поможет читателю развить понимание древесного топлива, а четвертый описывает и объясняет экономику систем горячего водоснабжения.

В системе водяного отопления вода используется для хранения тепловой энергии и передачи ее от горящего топлива к месту, где будет использоваться тепло.Все системы горячего водоснабжения (гидроники) состоят из пяти основных частей:

• Топка , камера, в которой сжигается топливо;
• Резервуар для воды , в котором тепло поглощается и хранится;
• A насосно-трубопроводная система для транспортировки нагретой воды;
• Теплообменник для отвода тепла там, где оно необходимо;
• Система управления для управления скоростью использования тепла.

При проектировании водонагревателя на дровах важны три фактора:

1. Сжигание . Система должна быть спроектирована так, чтобы топливо сгорало максимально полно.
2. Теплообмен . Конструкция должна позволять как можно большему количеству выделяемого тепла попадать в воду.
3. Сохранение тепла . Система должна позволять как можно меньше тепла уходить неиспользованным.

Самая важная часть любой системы горячего водоснабжения — топка или камера сгорания.Если он неправильного размера или плохо спроектирован, производительность всей системы пострадает. Самая частая проблема домашних систем горячего водоснабжения — это плохо спроектированная топка. К сожалению, это также одна из самых сложных проблем, которую можно решить без изменения конструкции и восстановления топки.

Как горит древесина

Чтобы оценить необходимость правильно спроектированной топки, необходимо понимать, как горит дрова. Горение (горение) — это процесс, при котором кислород химически соединяется с топливом, выделяя тепло.Тепло также необходимо для запуска процесса. Однако, однажды начавшись, реакция может быть самоподдерживающейся.

Большинство людей знают, что для сжигания необходимы топливо и кислород. Однако многие не осознают, что тепло также необходимо. Многие проблемы в системах водяного отопления связаны с недостаточным количеством тепла в камере сгорания.

Двумя основными компонентами древесины являются целлюлоза и лигнин. Эти два химических вещества состоят в основном из углерода, водорода и кислорода.При повышении температуры древесины некоторые летучие вещества, содержащиеся в ней, — вода, воск и масла — начинают выкипать. При температуре около 540 ° F тепловая энергия приведет к разрыву атомных связей в некоторых молекулах древесины. Когда тепловая энергия разрывает связи, которые удерживают вместе атомы, составляющие лигнин или целлюлозу, образуются новые соединения — соединения, которых изначально не было в древесине. Этот процесс известен как пиролиз. Эти новые соединения могут быть газами, такими как водород, окись углерода, двуокись углерода и метан, или они могут быть жидкостями и полутвердыми веществами, такими как смолы, пиролитовые кислоты и креозот.Эти жидкости в виде мелких капель и полутвердых частиц вместе с водяным паром образуют дым. Дым, который выходит из трубы (дымохода) несгоревшим, является потраченным топливом.

По мере того, как температура продолжает расти, производство пиролитических соединений резко возрастает. При температуре от 700 до 1100 ° F (в зависимости от присутствующих пропорций) кислород соединяется с газами и смолами с выделением тепла. Когда это происходит, происходит самоподдерживающееся горение.

В какой-то момент во время горения куска дерева все смолы и газы улетучатся.Остается в основном древесный уголь. В обиходе мы говорим, что древесина сгорела дотла. Эти угли медленно горят снаружи и почти без огня. Количество углей или древесного угля, которое остается после того, как другие части древесины выкипят, зависит в первую очередь от породы древесины, а также от того, как быстро и при какой температуре она была сожжена. Как правило, чем быстрее и горячее сгорает кусок дерева, тем меньше древесного угля остается в виде углей.

Лучше всего быстро обжечь дрова, чтобы получить от них как можно больше тепла.Медленный дымный огонь может тратить до трети тепловой энергии топлива. Для эффективного горения огонь должен получать достаточно кислорода. Высокая дымовая труба, механический вытяжной вентилятор или и то, и другое обычно используются для обеспечения достаточной тяги (потока воздуха в топку).

Однако существуют пределы того, насколько быстро можно заставить дрова гореть. Если воздух нагнетается в камеру сгорания слишком быстро, он имеет тенденцию «задуть» огонь. Результат почти такой же, как недостаток воздуха.

Слишком большое количество воздуха в камере сгорания также может привести к вздутию воздуха.Дыхание на самом деле представляет собой серию взрывов, возникающих в результате резкого смешивания воздуха и древесных газов. Чаще всего это происходит, когда свежее топливо добавляется в слой очень горячих углей. Сильное тепло от углей может отогнать большие объемы горючих газов, которые периодически воспламеняются по мере поступления кислорода. Эти взрывы редко вызывают какое-либо повреждение системы, но возникающий в результате обратный огонь может вызвать ожоги и летящий пепел.

Многие соединения образуются при горении древесины. Только в дыме было идентифицировано более 160 различных видов.В наибольшем объеме выделяются окись углерода, метан, метанол и водород. Хотя эти соединения будут гореть при относительно низких температурах, большая часть оставшихся выделенных соединений, таких как дым и смола, не сгорит полностью, пока температура не достигнет более 1000 ° F. Таким образом, для полного сгорания необходима горячая топка.

В большинстве хорошо спроектированных систем горячего водоснабжения топка окружена водой. По этой причине эти системы иногда называют «водяными плитами».«В агрегатах этого типа стенки топки поглощают большую часть выделяемого тепла. Вода сохраняет стенки топки относительно прохладными, что приводит к хорошей теплопередаче, но не способствует хорошему сгоранию. В большинстве случаев необходимо изолировать стены и пол топки из огнеупорного кирпича. Огнеупорный кирпич замедляет отвод тепла от огня и, таким образом, увеличивает эффективность сгорания.

Обычный красный строительный кирпич, особенно с отверстиями, подходит для облицовки топки не хуже, чем белый огнеупорный кирпич.Хотя красный кирпич не так эффективен, он стоит примерно в пятую часть стоимости белого огнеупорного кирпича.

Проектирование топки

На рис. 1 показано поперечное сечение типичного водонагревательного агрегата. Очень важно, чтобы камера сгорания с водяной рубашкой была достаточно большой. Он должен быть такого размера, чтобы он не только принимал заряд топлива, но и позволял полностью сгореть расширяющимся газам сгорания, прежде чем они потеряют слишком много тепла и перейдут в дымовые трубы.

Одна из наиболее распространенных проблем домашних систем горячего водоснабжения заключается в том, что камера сгорания слишком мала для нормального сгорания. В этом случае трудно разжечь огонь достаточно горячим; он имеет тенденцию курить, даже когда ему дают много воздуха. Если топка еще не слишком мала, добавление облицовки из огнеупорного кирпича может помочь, потому что это сделает огонь более горячим. Однако иногда единственным выходом является замена топки на более крупную.

Мощность системы горячего водоснабжения можно описать двумя способами: с точки зрения ее мощности горелки или сгорания и с точки зрения ее способности аккумулировать тепло.(Последнее будет обсуждаться в другом разделе.) Мощность горелки системы определяется как наибольшее количество тепла, которое горелка может выделить из топлива за заданный период времени. Мощность горелки можно рассматривать как практический предел устойчивой мощности системы. Если вы продолжите увеличивать скорость подачи топлива в камеру сгорания, в конечном итоге будет достигнута точка, в которой топливо будет потребляться с той же скоростью, с которой оно добавляется. В этот момент горелка работает с номинальной мощностью. Более быстрое добавление топлива может фактически помешать процессу горения.

С практической точки зрения мощность горелки системы определяется размером топки и тем, насколько хорошо воздух может подаваться и распределяться по топливу. В общем, вы можете рассчитывать получить около 40 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади решетки при условии, что глубина достаточна. Это означает, что вы можете ожидать около 800000 БТЕ в час от топки 5 футов в длину и 4 фута в ширину.

Между площадью колосниковой решетки и глубиной топки существует более чем случайная зависимость.Топка должна быть максимально глубокой. Большая глубина позволяет большему перемещению пламени и лучшему перемешиванию поднимающихся горячих газов для улучшения сгорания. В общем, глубина должна быть равна или больше наименьшего размера решетки. Например, если размер колосниковой решетки составляет 5 на 8 футов, глубина топки должна быть не менее 5 футов. В таблице 1 показано предполагаемое соотношение между объемом топки и емкостью системы. Размеры не указаны, потому что размер и форма резервуара для хранения воды и свободное пространство, необходимое для пожарных труб, ограничивают глубину топки.Важно помнить, что высокие тонкие топки лучше, чем короткие толстые.

---

Таблица 1. Соотношение между производительностью системы и объемом камеры сгорания.

Производительность системы (БТЕ / ч)	Объем камеры сгорания (кубические футы)
50 000	2
100 000	5
200 000	9
300 000	27
400 000	40
500 000	75
750 000	100
1 000 000	200
2 000 000	400
3 000 000	500

---

Выбор вытяжного вентилятора

Практические ограничения размеров топки и конструкции дымовой трубы обычно требуют создания тяги с помощью вентилятора. Были использованы следующие расстановки и их комбинации:

• Вентилятор для подачи свежего воздуха под решетку;
• Баллон для нагнетания свежего воздуха в топку над решеткой;
• Вытяжной вентилятор для подачи свежего воздуха в топку и через систему.

Использование вентиляторов для подачи воздуха в камеру сгорания имеет то преимущество, что вентиляторы остаются чистыми и охлаждаются воздухом, который они перемещают. Недостатком является то, что дым и искры могут выходить из любой трещины в топке, потому что давление внутри топки выше, чем снаружи.Если используется вытяжной вентилятор, любые утечки происходят внутрь. Недостатком является то, что тепло и копоть в дымовой трубе сильно воздействуют на систему вентиляторов, хотя существуют вентиляторы, специально разработанные для этой цели.

Скорострельность зависит от тяги. Вентилятор или вентиляторы с принудительной тягой должны подавать достаточно кислорода для максимальной ожидаемой скорости горения, но не должны обеспечивать больше этого количества. Слишком много воздуха охладит огонь и выбросит пепел в дымовые трубы. Например, чтобы определить размер стекового вентилятора, предположим, что максимальная скорость работы системы составляет 2 миллиона БТЕ в час.

2000000 БТЕ / час ÷ 6680 БТЕ / фунт древесины = 300 фунтов древесины / час

Для сжигания 1 фунта дров требуется около 6 фунтов воздуха. Следовательно, потребность в воздухе составляет:

6 фунтов воздуха / фунт древесины x 300 фунтов древесины / час = 1800 фунтов воздуха / час

Один фунт воздуха эквивалентен примерно 13,5 кубическим футам. Таким образом, необходимый объем воздуха составляет:

.

1800 фунтов воздуха / час x 13,5 кубических футов / фунт воздуха = 24 300 кубических футов воздуха / час или 405 кубических футов / мин (куб. Футов / мин)

Обычно для эффективного сгорания требуется около 50 процентов избыточного воздуха.Таким образом, требуемый объем:

405 куб. Футов в минуту x 1,5 = 608 куб. Футов в минуту

Поскольку мы определяем объем воздуха и газов, перемещаемых вытяжным вентилятором, мы должны учитывать добавление продуктов сгорания и влажности древесины к дымовым газам. Для древесины с влажностью 20 процентов, влажная основа (w.b.), отношение объема дымовой трубы к входящему воздуху составляет 1,16 моль дымовых газов на моль свежего воздуха.

Это соотношение рассчитано исходя из 100-процентного сгорания. Таким образом, объем выходящих продуктов сгорания составляет:

608 кубических футов в минуту входящего воздуха x 1.16 = 705 куб. Футов в минуту

Наконец, объем необходимо отрегулировать в соответствии с температурой. Закон Чарльза гласит, что объем газа линейно увеличивается с его температурой. Чтобы использовать закон Чарльза, температуры по Фаренгейту должны быть преобразованы в температуры по шкале Ренкина (R), что достигается добавлением 460 ° к температуре по Фаренгейту.

При температуре входящего воздуха 510 ° R (50 ° F) и температуре дымовой трубы 760 ° R (300 ° F) скорректированный объем дымового газа составляет:

760/510 x 705 куб. Футов в минуту = 1050 куб. Футов в минуту

Таким образом, 608 кубических футов в минуту входящего воздуха соответствует общему объему 1050 кубических футов в минуту, выходящему через дымовую трубу. Подойдет типичный вентилятор мощностью 1100 кубических футов в минуту при статическом давлении воды 1 дюйм. Статического давления воды в 1 дюйм было бы более чем достаточно для компенсации газового трения в системе.

Вышеприведенные расчеты можно применить к системам различного размера. Размеры вентиляторов указаны в таблице 2 для различных систем.

---

Таблица 2. Размеры стеклопакетов для различных систем.

Производительность системы (БТЕ / ч)	Размер вентилятора стека (куб. Фут / мин при 1 дюйм.давление воды)
50 000	40
100 000	75
200 000	140
300 000	180
400 000	240
500 000	300
750 000	425
1 000 000	550
2 000 000	1,100
3 000 000	1,650

---

Двери с водяным охлаждением

Одной из наиболее часто встречающихся проблем в системах водяного отопления является коробление дверок топки. Двери должны быть большими для удобной топки. Одна сторона подвержена сильному нагреву камеры сгорания, а другая часто окружена зимними температурами. Возникающие в результате сильные термические нагрузки могут деформировать двери. Хотя дверь, показанная на рисунке 2, была сделана из стали ^1, ⁄ ₂ дюймов с существенным усилением, вскоре она так сильно покоробилась, что ее нельзя было закрыть.

Опыт показал, что полностью решить эту проблему невозможно, хотя ее можно существенно уменьшить, охладив двери водой.Водяное охлаждение не только предотвращает коробление, но и позволяет рекуперировать больше тепла.

Двери с водяным охлаждением обычно имеют внутреннюю и внешнюю металлические поверхности, разделенные 2- или 3-дюймовыми полостями, через которые может циркулировать вода. Часть мощности циркуляционного насоса воды отводится в полость двери. В полость обычно устанавливаются перегородки для обеспечения хорошей циркуляции и равномерного охлаждения.

Решетка

Для максимального удобства и эффективности в нижней части топки необходимо предусмотреть решетку.Идеальная решетка позволяет золе просачиваться сквозь нее, но удерживает большую часть древесины и древесного угля и обеспечивает непрерывный поток воздуха через всю площадь решетки без периодического перемешивания или встряхивания. На каждые 1000 БТЕ номинальной мощности требуется не менее 5 квадратных дюймов площади решетки. Например, для системы мощностью 200000 БТЕ / час потребуется:

200 x 5 = 1000 квадратных дюймов

Одна тысяча квадратных дюймов равна примерно 7 квадратным футам. Следовательно, решетки шириной 2 фута и длиной 3 ¹ ⁄ ₂ футов будет достаточно для системы с номинальной производительностью 200 000 БТЕ / час.

Создать удовлетворительную решетку сложно. Лучше всего подходят чугунные решетки, но их трудно найти, они дороги и имеют тенденцию со временем треснуть и выгореть. Пластина из мягкой стали толщиной от ¹ ⁄ _{2 от} до 1 дюйма будет деформироваться при нагревании, если она не будет хорошо поддерживаться снизу. Однако решетчатые опоры затрудняют удаление золы. Использованные железнодорожные рельсы, перевернутые вверх дном, с умеренным успехом использовались для формирования решеток. Стандартные 80-фунтовые рельсы, расположенные на расстоянии ¹ ⁄ ₂ на расстоянии 1 дюйма друг от друга, будут охватывать 6 футов без поддержки.Рельсы изготовлены из марганцевой легированной стали, их трудно сваривать и резать. Однако они умеренно устойчивы к высокотемпературной эрозии и относительно недороги, если их покупать на свалке металлолома.

Накопление древесного угля во время непрерывного горения может привести к закупорке решеток и нарушению циркуляции воздуха. Установка вентилятора высокого давления под решеткой гарантирует поддержание минимального потока воздуха и ускоряет сжигание древесного угля. Остальной воздух для горения может подаваться через вентиляционное отверстие или дополнительный вентилятор над решеткой.

Рисунок 1. Типовая система водяного отопления.

Рисунок 2.Двери должны иметь водяное охлаждение, чтобы они не коробились от сильного жара.

Самая заметная часть системы горячего водоснабжения — это бак для воды. Стандартные резервуары, подходящие для систем водяного отопления, доступны в различных размерах, объемах и толщинах стенок.Подземные резервуары имеют более толстые стенки, чем надземные, что делает их намного лучше для сварки. Если у вас есть выбор, лучше использовать короткий резервуар большого диаметра, чем длинный и тонкий, потому что более короткий резервуар имеет меньшую площадь поверхности, что снижает потери тепла и стоимость изоляции. В таблице 3 приведены размеры и вместимость широкого диапазона стандартных резервуаров для хранения нефти.

---

Таблица 3. Типоразмеры металлических резервуаров для хранения.

Емкость (галлонов)	Диаметр	Длина
500	48 из	64 в
560	42 из	92 из
1 000	49 1 ⁄ 2 дюйм	10 футов
2 000	64 в	12 футов
4 000	64 в	24 фута
6 000	8 футов	16 футов 1 дюйм
8,000	8 футов	21 фут 4 дюйма
10 000	8 футов 10 1 ⁄ 2 футов	26 футов 1 дюйм 15 футов 8 дюймов
12 000	8 футов 10 1 ⁄ 2 футов	31 футов 11 дюймов 18 футов 7 дюймов
15 000	8 футов 10 1 ⁄ 2 футов	39 футов 11 дюймов 23 фута 4 дюйма
20 000	10 1 ⁄ 2 футов	31 фут
25 000	10 1 ⁄ 2 футов	38 футов 9 дюймов
30 000	10 1 ⁄ 2 футов	46 футов 6 дюймов

---

Хотя лучше всего использовать новый резервуар, многие успешные системы были созданы с использованными резервуарами. Резервуары для хранения отработанного масла часто можно получить просто по запросу. Если вы решили попробовать использованный резервуар, внимательно осмотрите его на предмет дырок или тонких пятен. Также узнайте, какая жидкость хранилась в резервуаре. Осторожно: Никогда не сваривайте и не режьте резервуар, который, как вы подозреваете, содержит легковоспламеняющиеся материалы, если он не будет тщательно очищен и провентилирован. Один из методов удаления остатков масла или бензина из большого бака — смешать около 2 фунтов моющего средства на тысячу галлонов емкости с достаточным количеством воды, чтобы растворить его, и вылить этот раствор в бак.Затем полностью наполните резервуар водой и дайте ему постоять несколько дней, прежде чем слить его и приступить к работе.

Теплоемкость

Как упоминалось в предыдущем разделе, одним из показателей емкости системы является ее способность аккумулировать тепло. Вода — одно из наименее дорогих и наиболее легко перемещаемых и контролируемых веществ. Это также один из лучших известных носителей тепла. Вода может хранить в четыре или пять раз больше тепла, чем камень, в десять раз больше, чем большинство металлов, и примерно в четыре раза больше, чем воздух на единицу веса.Его единственный недостаток в том, что он не может сохранять тепло при температуре выше 212 ° F, если он не находится под давлением. Это ограничивает его пригодность для высокотемпературных применений. Однако для систем отопления помещений в теплицах и других сельскохозяйственных, коммерческих или жилых помещениях это ограничение обычно не является проблемой.

По определению, одна британская тепловая единица (BTU) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры фунта воды на 1 ° F. Галлон воды весит примерно 8.3 фунта, поэтому тепловая энергия, необходимая для повышения температуры галлона на 100 ° F, составляет:

8,3 фунта x 100 ° F = 830 БТЕ

Для сравнения, для повышения температуры 8,3 фунта гравия на 100 ° F потребуется всего около 166 БТЕ.

Как указывалось ранее, воду нельзя нагревать до температуры выше 212 ° F при атмосферном давлении. Эта температура определяет верхний предел количества тепла, которое может хранить безнапорная вода. Нижний предел устанавливается желаемой температурой нагрузки.Например, если в теплице должна поддерживаться температура 65 ° F, то эта температура является нижним пределом. Разница между верхним и нижним пределом,

212 ° F — 65 ° F = 147 ° F

указывает, сколько тепла может удержать данный объем воды.

На самом деле, снижать температуру хранения до нижнего предела непрактично. Скорость передачи тепла нагрузке (например, от радиаторов к воздуху внутри теплицы) значительно снижается, поскольку температура нагретой поступающей воды приближается к температуре воздуха нагрузки.По этой причине желательно поддерживать нижнюю температуру хранения воды, по крайней мере, на 35 ° F выше желаемой температуры загрузки. Следовательно, в предыдущем примере нижний предел температуры будет 100 ° F, а разница температур будет не 147 ° F, а

.

212 ° F — (65 ° F + 35 ° F) = 112 ° F

Следовательно, диапазон температур хранения воды ограничен 112 ° F. Используя эту информацию в качестве руководства, теперь мы можем определить, какой объем памяти необходим.

Если заданная тепловая нагрузка составляет 200000 БТЕ в час и желательно иметь 6 часов нагрева после того, как пожар погаснет, количество воды должно быть достаточным для хранения:

200000 БТЕ / час x 6 часов = 1200000 БТЕ

Для подъема одного фунта воды на 1 ° F требуется 1 БТЕ.В каждом фунте воды может храниться только 112 БТЕ. Следовательно, необходимое количество воды составляет:

.

1,200,000 БТЕ ÷ 112 БТЕ / фунт = 10714 фунтов

Поскольку вода весит 8,3 фунта на галлон, 10 714 фунтов воды равны 1291 галлону.

На практике максимальная температура воды редко превышает 200 ° F; следовательно, требуется емкость, немного превышающая 1291 галлон.

Эти расчеты предполагают, что тепло не теряется из резервуара или из труб, по которым вода подается к загрузке и от нее. Эти потери могут быть значительными в зависимости от того, насколько хорошо изолирована труба, расстояния от резервуара до груза и температуры наружного воздуха.

Очень хорошая идея — установить термометр на выпускной линии резервуара. Это даст точную индикацию температуры воды внутри резервуара. Падение температуры воды более чем на 20 ° F в час является хорошим признаком того, что резервуар для воды слишком мал, поскольку цель системы горячего водоснабжения — обеспечить постоянный источник тепла без необходимости постоянно разжигать огонь.

Также хорошей идеей является установка термометра на линиях с обеих сторон нагрузки — например, на впускной и выпускной линиях радиатора или ряда радиаторов. Это позволяет определить не только, сколько энергии теряется между баком и грузом, но и насколько эффективно радиаторы извлекают тепло из воды.

Для оптимальной конструкции системы емкость накопителя должна основываться на максимальной номинальной мощности горелки, требуемой тепловой нагрузке и максимальном промежутке времени между загрузками топлива. Следующее обсуждение показывает, как взаимодействуют эти три фактора.

Предположим, как в приведенном выше примере, что требуемая средняя тепловая нагрузка составляет 200 000 БТЕ в час. Это означает, что в течение обычного часа работы требуется 200 000 БТЕ тепла. Вероятно, что посреди очень холодной ночи количество необходимого тепла превысит это количество. Но для того, чтобы иметь достаточно тепла, мощность горелки должна как минимум равняться средней нагрузке плюс потери. С практической точки зрения желательно, чтобы горелка была рассчитана на 1,5–2-кратную среднюю тепловую нагрузку.Горелка большего размера может производить тепло для хранения, а также для немедленного использования в периоды средней нагрузки.

Помимо энергии, хранящейся в горячей воде (накопительный бак), также можно хранить тепловую энергию в системе в виде несгоревшей древесины. Это называется хранилищем топки. В ожидании очень холодной ночи оператор теплицы может топить систему в течение дня, чтобы постепенно поднять температуру воды примерно до 212 ° F. Несмотря на то, что вода уже удерживает количество тепла, близкое к максимальному, оператор может снова заполнить топку непосредственно перед тем, как уйти на ночь.Это дополнительное топливо добавляет энергии системе. Горящее топливо может просто заменить уходящее тепло и, таким образом, поддерживать высокую температуру воды. Однако, если дополнительное топливо слишком быстро добавляет слишком много тепла, вода в баке закипит, и энергия будет потрачена впустую в виде пара.

Маловероятно, что система горячего водоснабжения во время реальной работы будет подвергаться очень большим колебаниям нагрузки. Другими словами, не требуется производить максимальную производительность один час и никакой в ​​последующие.Скорее, постепенное увеличение и уменьшение обычно происходит в течение дня по мере изменения наружной температуры и многих других факторов. С другой стороны, тепло, подаваемое в систему от огня, обычно бывает довольно спорадическим, в зависимости от того, сколько и как часто добавляется топливо. Ценность системы горячего водоснабжения частично основана на ее способности быстро накапливать тепловую энергию, но медленно выделять ее с контролируемой скоростью.

Если горелка вырабатывает больше тепла, чем используется системой, дополнительное тепло будет сохраняться при условии, что емкость аккумулирования не была превышена.При превышении емкости вода закипает. Когда это происходит, избыточное тепло уходит из системы в виде пара. Энергия, необходимая для кипячения воды, просто тратится зря. Частое кипение в системе горячего водоснабжения указывает на то, что горелка слишком велика, или она слишком часто зажигается, или что емкость аккумулирования тепла в системе слишком мала.

Если емкость аккумулирования тепла недостаточна, одно решение — добавить еще один резервуар. Тандемный резервуар обычно располагается как можно ближе к основному резервуару и соединяется впускной и выпускной трубой и насосом (Рисунок 3).Таким образом, емкость хранилища может быть легко увеличена без нарушения работы остальной системы. Между двумя баками всегда необходимо непрерывно перекачивать воду, чтобы тепло распределялось равномерно. Это можно сделать, добавив дополнительный насос или используя часть потока от существующего насоса, если он имеет избыточную производительность.

Система горячего водоснабжения не является паровой; то есть в системе никогда не бывает другого давления, кроме давления, создаваемого насосами. Из бака для горячей воды необходимо удалить воздух, чтобы предотвратить повышение давления, когда вода нагревается и расширяется или превращается в пар.Невентилируемый накопительный бак чрезвычайно опасен . В верхней части бака требуется как минимум два вентиляционных отверстия. Более того, люк, который обычно вырезается в верхней части резервуара во время строительства, можно оставить открытым, но прикрыть листом листового металла.

Изоляция

Необходимо изолировать бак и все трубы, чтобы предотвратить утечку тепла. Для наружных резервуаров подходит полиуретановая изоляция, напыляемая напылением, особенно если она окрашена и защищена от прямого воздействия огня и солнечных лучей. Покрытие толщиной 1 дюйм, обеспечивающее степень изоляции R-7, стоит около 1 доллара за квадратный фут. Например, для резервуара емкостью 2000 галлонов диаметром 64 дюйма и длиной 12 футов изоляция будет стоить приблизительно 250 долларов. В таблице 4 приведены расчетные значения теплоизоляции резервуаров различной толщины из полиуретана.

---

Таблица 4. Эффективность изоляции трех толщин на большом резервуаре для горячей воды.

Толщина изоляции (дюймы)	Значение «R»	Потери тепла (БТЕ / ч) 1	Ежемесячная стоимость потерянной энергии 2	Стоимость изоляции 3
0.0	0,5	200 000	384,00 $	$ 0
0,5	4,0	25 000	48,00	500
1,0	7,5	13 300	25,54	1 000 90 151
2,0	14,5	6 900	13. 25	2 000
Примечание. Данные в этой таблице основаны на емкости резервуара 15 000 галлонов и площади поверхности 1 000 квадратных футов. 1 Предполагается, что разница температур воды и окружающей среды составляет 100 ° F. 2 При условии, что древесина стоит 40 долларов за шнур. 3 Предполагается, что прикладная стоимость составляет 1 доллар США за квадратный фут на дюйм толщины.

---

Эта таблица показывает, что затраты на нанесение минимального количества изоляции можно легко оправдать за счет экономии затрат на электроэнергию.Однако дополнительные затраты на изоляцию толщиной более ¹ ⁄ ₂ дюймов трудно оправдать.

Один из вариантов — разместить систему под односкатной крышей, где ее можно изолировать относительно недорогими войлоками из стекловолокна. Стекловолокно, которое может иметь основу из алюминиевой фольги, можно удерживать на месте с помощью проволочной сетки с крупными ячейками. Стоимость навеса, изоляции, пленки, провода и рабочей силы может быть больше, чем стоимость напыляемой полиуретановой изоляции, но этот тип изоляции, вероятно, прослужит намного дольше и даст лучшее значение R.

Защита от ржавчины

Рекомендуется использовать какие-либо меры по предотвращению ржавчины для защиты внутренней части резервуара и труб от коррозии. Доступен ряд коммерческих химикатов, предназначенных в основном для использования в высокотемпературных котлах. Некоторые из них были бы довольно дорогими в количестве, необходимом для защиты системы горячего водоснабжения среднего размера.

Один метод, который был признан подходящим для систем горячего водоснабжения, — это добавление некоторых относительно недорогих химикатов для повышения pH воды.Среди них карбонат калия, карбонат натрия (стиральная сода) и гексаметафосфат натрия (Calgon). Эти химические вещества предотвращают коррозию, покрывая металлические стенки систем. Из упомянутых выше химикатов лучше всего работает Калгон. Его можно купить в большинстве продуктовых магазинов. Используйте 5 фунтов на каждые 1000 галлонов воды. В нормальных условиях ни один из этих химикатов не разлагается и, следовательно, остается активным в системе в течение длительного времени.

Пожарные трубы

Хотя некоторое количество тепла проходит к воде через стенки топки, основной путь тепла от огня к воде проходит через дымовые трубы.Большинство систем спроектировано так, что горячие газы, выделяемые при пожаре, проходят через серию пожарных труб, которые проходят от одного конца резервуара для хранения к другому. Во многих системах газы проходят через резервуар более одного раза.

Очень важно, чтобы количество и размер трубок были достаточными, чтобы большая часть тепла передавалась от горячих газов воде до выхода газов. Как показывает практика, на каждые 2000 БТЕ номинальной мощности требуется около 1 квадратного фута площади теплообмена.Например, если система рассчитана на производство 200 000 БТЕ в час, потребуется около 100 квадратных футов площади теплообмена. Эта область может включать охлаждаемую водой поверхность топки, а также сами дымовые трубы. Обе эти области часто называют поверхностью очага.

Наружный диаметр трубок используется для расчета площади. В таблице 5 перечислены несколько часто используемых размеров стандартных труб с указанием их фактического внешнего диаметра и количества ходовых футов, необходимых для получения 1 квадратного фута площади поверхности.

---

Таблица 5. Линейные футы на квадратный фут площади поверхности для обычных стальных труб.

Номинальный размер трубы (дюймы)	Внешний диаметр (дюймы)	Линейных футов на квадратный фут внешней площади
1/2	0,840	4,55
3/4	1.050	3.64
1	1,315	2,90
1 1/4	1,660	2,30
1 1/2	1.900	2,01
2	2,375	1,61
2 1/2	2,875	1,33
3	3.500	1,09
3 1/2	4.000	0,95
4	4.500	0,85
4 1/2	5.000	0,76
5	5,563	0,67
6	6,625	0,58

---

Правильный размер трубы зависит от ряда факторов.В примере системы с производительностью 200 000 БТЕ в час требуется 100 квадратных футов площади теплообмена. Из Таблицы 1 рекомендуемый объем топки составляет 9 кубических футов. Подходящей топкой такого объема может быть топка 1 ¹ ⁄ ₂ футов в длину, 2 фута в ширину и 3 фута в высоту. Площадь топки составляет 27 квадратных футов (включая дверь с водяным охлаждением). Таким образом, топка обеспечит 27 квадратных футов необходимых 100 квадратных футов. Остальные 73 квадратных фута должны обеспечивать пожарные трубы.

Чтобы найти длину трубы заданного диаметра, необходимую для обеспечения желаемой площади поверхности, умножьте числа в третьем столбце таблицы 5. Например, если вы выбрали 1 ¹ ⁄ ₂ -дюймовая труба, умножьте 73 погонных футов на 2,01:

73 фута x 2,01 фут / кв. Фут = 146,72 фута

Около 147 погонных футов 1 ¹ ⁄ ₂ -дюймовой трубы требуется для получения 73 квадратных футов площади теплообмена. С другой стороны, если вы используете 3-дюймовую трубу, вам понадобится всего около 80 футов:

73 фута x 1.09 фут / кв фут = 79,73 фут

Какой размер лучше? Если рассматривать строго с точки зрения стоимости, нет большой разницы между 147 футами трубы 1 ¹ ⁄ ₂ дюймов и 80 футами трубы 3 дюйма. Однако большую трубу сваривать намного проще. Кроме того, время от времени необходимо будет очищать внутреннюю часть трубы от золы, сажи и других отложений. Очистить меньшую длину и большую трубу проще. Однако большее количество труб меньшего размера будет несколько более эффективным в передаче тепла.Опыт показал, что в целом лучше всего подходят трубы диаметром от 2 до 3 дюймов.

Отложения золы в дымовых трубах значительно снизят скорость теплопередачи. Хорошо иметь способ определить, насколько хорошо они работают. Один из лучших и наименее дорогих методов — разместить высокотемпературный термометр в точке, где газы покидают пожарные трубы и запускают дымовую трубу. Чем ближе температура воды, тем эффективнее отвод тепла от пожарных труб. Температура газа от 300 до 350 ° F указывает на эффективную теплопередачу.Температура газа более 450 ° F указывает на то, что площадь теплообмена слишком мала или на дымовые трубы нанесено покрытие.

Стратификация

Любопытное состояние иногда возникает в средних и больших системах. Несмотря на то, что топка постоянно топится, и видно, как вода кипит из верхней части резервуара, температура воды, забираемой из резервуара для распределения, составляет всего 170–180 ° F. Такая ситуация возникает в системах, где вход и выход находятся около дна резервуара и нет вспомогательного циркуляционного насоса, поддерживающего движение воды.Это состояние называется стратификацией и возникает, когда вода при разных температурах разделяется на отдельные слои, причем самая теплая вода остается наверху. Стратификация может происходить в любой системе, но обычно более выражена в крупных.

Плотность воды при 100 ° F примерно на 3,5 процента больше, чем при 200 ° F. Как и воздух, горячая вода поднимается, а холодная опускается. Чтобы предотвратить расслоение, воду необходимо поддерживать в движении. Один из способов — подсоединить возвратные трубы в верхней части бака над топкой (самая горячая часть системы) и забрать воду из нижней части бака с другого конца.Проблема с этим подходом заключается в том, что распределительные насосы могут не работать все время, и при выключении насосов может происходить расслоение.

Лучшее решение — установить непрерывно работающий вспомогательный циркуляционный насос для перемещения воды из самой холодной в самую горячую часть резервуара. Постоянное перемешивание воды предотвратит расслоение. Циркуляционный насос не обязательно должен быть большим, так как необходимо преодолеть очень небольшой напор. Он должен быть способен перекачивать от 0,2 до 0,5 производительности системы в час.Например, система на 2000 галлонов должна иметь насос, способный перекачивать от 400 до 1000 галлонов в час. Обычно достаточно электрического насоса мощностью ¹ ⁄ _{6 от} до ¹ ⁄ ₂ .

Рисунок 3. Дополнительный резервуар увеличит емкость хранилища.

Трубопровод

Вода не только сохраняет тепло, но и передает тепло туда, где оно используется.Распределительный насос должен иметь подходящий размер для работы. Если насос слишком мал, он не будет перекачивать достаточно тепла к нагрузке. Если он слишком большой, это приведет к потере энергии. Подбор насоса — довольно сложный вопрос, поскольку он зависит от ряда взаимосвязанных факторов. К ним относятся размер груза, расстояние между баком и грузом, количество различных теплообменников в системе и размер используемой трубы. В таблице 6 приведены размеры труб для различных тепловых нагрузок. Эти скорости потока и размеры труб рассчитаны с учетом нормального падения температуры на 25 ° F при прохождении воды через теплообменник.

---

Таблица 6. Минимальные размеры труб для нагрузок на расстоянии 100 и 300 футов от резервуара.

Нагрузка (БТЕ / час)	Расход (галлон / мин)	Диаметр стальной трубы (дюймы) 1
		100 футов	300 футов
100 000	8	1 1/4	1 1/2
200 000	16	1 1/2	2
300 000	24	2	2 1/2
400 000	32	2 1/2	2 1/2
500 000	40	2 1/2	3
750 000	60	3	3
1 000 000	80	3	4
1 500 000	120	4	4
2 000 000	160	4	4
1 Для трубы из ХПВХ подходит следующий меньший размер

---

За исключением жилых помещений, большинство систем горячего водоснабжения поставляют тепло более чем в одно место.Например, несколько отдельных теплиц или стойл для выдержки могут потреблять тепло от одной и той же системы. Горячая вода подается к каждой нагрузке по большим магистральным распределительным и обратным линиям. Каждая нагрузка имеет свой собственный насос и подключена к основным линиям параллельно, что делает ее управляемой независимо (Рисунок 4). Каждое параллельное соединение должно иметь обратный клапан для предотвращения обратного потока, когда тепло не требуется.

Насосы

обычно оцениваются по количеству галлонов в минуту, которые они могут подавать при определенном напоре или общем сопротивлении.Это полное сопротивление является суммой сопротивлений каждой отдельной части системы, через которую вода проходит в своем контуре к насосу и от него. Сопротивление обычно выражается в количестве футов «головы», хотя с таким же успехом оно может быть выражено в фунтах на квадратный дюйм. Напор — это гипотетическая высота воды, против которой должен работать насос; чем больше голова, тем больше сопротивление.

По мере увеличения сопротивления расход уменьшается. Например, определенный насос может быть рассчитан на 50 галлонов в минуту на высоте 10 футов, но только 15 галлонов в минуту на высоте 30 футов.Один фут напора эквивалентен 0,43 фунта на квадратный дюйм (psi). При выборе насоса важно выбрать насос, рассчитанный на работу с горячей водой при температурах до максимально ожидаемых.

Во многих системах используются стандартные стальные трубы и резьбовые соединения. Они относительно недороги и подходят для горячего водоснабжения. В некоторых новых системах используются пластиковые трубы. Полиэтилен (черный пластик) и трубы из ПВХ не выдержат длительного использования горячей воды при умеренном давлении. Однако два типа пластиковых труб — ХПВХ и полибутилен — предназначены для горячего водоснабжения.ХПВХ — это жесткая пластиковая труба, похожая на ПВХ. Если используется труба из ХПВХ, все фитинги, такие как соединители, переходники и колена, также должны быть изготовлены из ХПВХ. Полибутиленовая труба также требует специальных соединителей, но она гибкая и с ней значительно легче работать. Однако он еще не доступен в размерах более 1 дюйма.

Изоляция труб

Для повышения эффективности важно, чтобы распределительные трубы, идущие к нагрузке и от нее, были изолированы. Количество тепла, которое может быть потеряно из-за длины трубы, является значительным и зависит от ряда факторов.К ним относятся температура воды, проходящей через трубу, температуру и движение воздуха, окружающего трубу, тип материала трубы, а также состояние поверхности и толщину стенки трубы. Неизолированная распределительная труба горячей воды может терять от нескольких сотен до нескольких тысяч БТЕ в час, в зависимости от условий и длины.

Если трубы должны быть проложены над землей, будет достаточно покрытия из стекловолокна, защищенного от дождя несколькими слоями устойчивой к солнечному свету пластиковой пленки.Любая изоляция, особенно стекловолокно, пропитанная водой, теряет почти все свои изоляционные свойства. Изоляция труб из пенопласта в виде разъемных трубок также хорошо работает, если она защищена от солнечных лучей.

Гораздо труднее изолировать трубу, когда она проложена под землей. просто закапывать трубы в землю без изоляции — очень плохая практика, потому что влажная холодная почва является очень хорошим проводником тепла. Большинство изоляционных материалов из пенопласта, таких как изоляция с разъемными трубками, изготовлены из пенопласта с закрытыми порами, что означает, что он не пропитается водой и, следовательно, сохранит свои изоляционные свойства под землей.Если вам необходимо проложить трубу под землей, убедитесь, что земля остается как можно более сухой.

Напыляемая полиуретановая изоляция, обычно используемая на резервуарах, также может использоваться для изоляции подземных трубопроводов, поскольку она относится к типу с закрытыми ячейками. Чтобы использовать этот метод, вырывается траншея шириной от 4 до 6 дюймов и глубиной от 12 до 14 дюймов. Трубы опираются на 2 или 3 дюйма от дна, а в траншею распыляется от 4 до 5 дюймов изоляции, полностью окружая и покрывая трубы. После схватывания изоляции траншея засыпается грунтом.

Независимо от того, какой метод используется для изоляции трубы, важно не забыть изолировать обратную трубу, а также трубу, идущую к нагрузке. Несмотря на то, что большая часть тепла была удалена из возвратной воды, любая энергия, потерянная в трубе, должна быть восполнена. Для повышения температуры 1 фунта воды с 80 до 85 ° F требуется такое же количество тепла, как и для повышения температуры с 200 до 205 ° F.

Рисунок 4.Типовая схема мультизагрузочной системы.

Важной частью любой системы горячего водоснабжения является теплообменник или радиатор. Если его размер неверен или поток воздуха через него недостаточен, производительность системы может сильно пострадать.К счастью, теплообменники бывают разных размеров. Доступен широкий ассортимент коммерческих радиаторов, разработанных специально для систем горячего водоснабжения. Большинство из них могут работать при давлении воды от 50 до 60 фунтов на квадратный дюйм и имеют резьбовые фитинги для подключения к распределительной системе.

Очень подходящей альтернативой коммерческому радиатору является новый или подержанный автомобильный радиатор. Они доступны во многих различных размерах и могут быть куплены на большинстве складов и в пунктах снабжения запчастями.У многих дилеров есть новые радиаторы для старых автомобилей, которые они могут продать по сниженным ценам. Однако автомобильные радиаторы обычно не подходят для воды с давлением выше 15-20 фунтов на квадратный дюйм. Это ограничение не должно быть проблемой, если насос и распределительные трубы имеют правильный размер. Однако автомобильные радиаторы потребуют некоторых модификаций, включая закрытие заливных и переливных отверстий и изменение перехода от резинового шлангового фитинга к распределительной трубе.

Характеристики теплопередачи любого радиатора зависят от ряда факторов.Наиболее важными являются скорость потока и температура водяных и воздушных потоков. Как правило, чем больше разница температур между водой и воздухом, тем быстрее передается тепло. Кроме того, чем больше воды и воздуха проходит через радиатор, тем больше передается тепла. Также важны такие факторы, как конструкция радиатора, количество и расположение ребер, а также материал, из которого изготовлен радиатор. Например, при типичных условиях эксплуатации многие коммерческие теплообменники, разработанные специально для горячего водоснабжения, производят около 20 000 БТЕ в час на каждый квадратный фут площади поверхности.

Поскольку большинство радиаторов имеют схожие характеристики теплопередачи, решающим фактором при определении мощности является их физический размер. Испытания показали, что автомобильные радиаторы могут передавать от 16 000 до 20 000 БТЕ в час на квадратный фут поверхности лица (от 140 ° F воды до 70 ° F воздуха). Например, радиатор шириной 1 ¹ ⁄ ₂ футов и высотой 2 фута имеет площадь 3 квадратных фута. Таким образом, он может передавать от 48 000 до 60 000 БТЕ в час.

Управление системой горячего водоснабжения довольно простое.Обычно они состоят из термостата, подключенного к реле, которое управляет отдельным насосом для каждой нагрузки. Электродвигатель вентилятора, который продувает воздух через радиатор, также может быть подключен к тому же реле, поскольку он не должен работать при выключенном насосе. Такое расположение позволяет управлять каждой нагрузкой независимо. В некоторых системах насосу разрешается работать непрерывно, а вентилятор управляется термостатом.

Для большинства крупных систем требуется вытяжной вентилятор, как описано ранее, для обеспечения надлежащего сгорания.Вытяжной вентилятор обычно работает всякий раз, когда в топке возникает пожар. Когда нет огня, он не должен работать и может быть отключен вручную. Однако этот механизм не работает, когда систему топят, а затем оставляют без присмотра на длительное время, например, на ночь. Когда поле израсходовано, вентилятор продолжит работу, втягивая холодный воздух через пожарные трубы и, таким образом, охлаждая воду. Важно помнить, что дымовые трубы являются теплообменниками, и что тепло будет течь от горячей воды к охлаждающим трубам, а также наоборот.Одним из решений является установка термостата в дымовой трубе, чтобы останавливать вентилятор, когда температура падает примерно до 200 ° F, то есть когда в воду больше не поступает тепло. Может потребоваться ручное управление, чтобы разжечь огонь, когда система остыла.

Древесина — отличное топливо. По сравнению с большинством других видов топлива оно недорогое, его довольно легко хранить, его можно использовать в различных формах и размерах, и оно широко распространено в Северной Каролине.По оценкам, в этом штате в качестве топлива доступно более 14 миллионов тонн древесины в год.

Древесина, хотя и является хорошим топливом, имеет недостатки. Он содержит меньше энергии на фунт, чем большинство других видов топлива. Количество полезной энергии в образце древесины может широко варьироваться в зависимости от содержания влаги и породы.

Растущее дерево обычно наполовину состоит из воды. Когда дерево спиливается, древесина начинает терять влагу в окружающий воздух. Древесина, которая была свежесрезана и содержит высокий процент влаги, часто называется древесиной зеленая .После того, как древесина высохла в течение определенного периода времени (обычно несколько месяцев или более, ее называют выдержанной или сухой древесиной. По мере того, как древесина теряет влагу, ее влажность постепенно приближается к содержанию влаги от 12 до 15 процентов. Это значение называется равновесное содержание влаги (EMC). Фактическое процентное содержание определяется долгосрочным усреднением температуры и относительной влажности воздуха, окружающего древесину. Хотя было бы желательно, но нецелесообразно удалять всю воду из дрова.

Влажность топливной древесины обычно выражается в процентах от общей сырой массы. Например, если определенный кусок дерева весит 7 фунтов 6 унций (118 унций), но после сушки кости весит всего 5 фунтов 4 унции (84 унции), исходное содержание влаги в древесине выражается как:

118-84 = 34 унции воды

34 ÷ 118 = 0,288 или 28,8 процента

Это означает, что вода составляла 28,8% от веса влажной древесины.Содержание влаги, выраженное в процентах от сырого веса, часто обозначается сокращенно m.c.w.b. (влажность, влажная основа).

Эффективное теплосодержание древесного топлива снижается за счет содержащейся в нем влаги двумя способами. Во-первых, чем больше воды в данном куске дерева, тем меньше в нем древесины. Во-вторых, часть топлива, содержащегося в древесине, используется для испарения воды при сжигании древесины. Приблизительно 1000 БТЕ тепловой энергии требуется для испарения каждого фунта воды в древесине.Кусок дерева содержит одинаковое количество энергии, независимо от того, является ли он зеленым или сухим. Однако зеленая древесина плохо горит, потому что часть энергии уходит на испарение лишней воды. В таблице 7 приведена чистая энергетическая ценность (теплотворная способность) древесины при различной влажности.

---

Таблица 7. Энергетическая ценность древесины при различной влажности.

Влагосодержание во влажном состоянии (в процентах)	Теплотворная способность (БТЕ на фунт)	Вес (фунтов на шнур)
0	8,600	2,960
5	8,120	3,116
10	7,640	3 289
15 (правильно приправленные)	7,160	3,482
20	6 680	3,700
25	6 200	3 947 90 151
30	5,720	4 229 90 151
40	4,760	4 933
50 (зеленый)	3,800	5,920

Обратите внимание, что правильно выдержанная древесина имеет на 88 процентов более высокую теплотворную способность (по весу), чем зеленая древесина.Также обратите внимание, что зеленая древесина весит почти вдвое больше, чем выдержанная древесина. Кусок зеленого дерева весом в 1 фунт весит всего 0,59 фунта после выдержки. Кусок дерева, сгоревший в «зеленом» состоянии, дает примерно половину тепла, чем при правильной выдержке. Вот почему очень важно правильно выдерживать дрова. Для древесины, оставленной в виде цельного бревна, диаметром 12 дюймов или меньше, может потребоваться целый год, чтобы приправить ее должным образом. В идеале древесину, которая будет использоваться зимой, следует заготавливать предыдущим летом и дать ей высохнуть.Таким образом, древесина сушится за счет летнего тепла, а не за счет части энергии, содержащейся в самой древесине. Конечно, древесина, которой разрешили сезон, высохнет намного быстрее, если ее расколоть и хранить под навесом.

Плотность

Опыт показал, что дуб лучше для обогрева древесины, чем сосна, потому что дуб намного плотнее. Кубический фут сушеного на воздухе дуба весит около 42 фунтов, тогда как кубический фут сушеного на воздухе сосны лоблолли весит около 32 фунтов. Таким образом, дуб примерно на 32 процента плотнее сосны, а дубовый шнур обычно содержит на треть больше энергии, чем сосновый шнур.Это важное соображение, поскольку дрова обычно покупаются и продаются за шнур, который является мерой объема, а не веса. Важно помнить, что почти все породы древесины содержат примерно одинаковое количество энергии. Вы получаете больше фунтов древесины — и, следовательно, больше тепловой энергии — в веревке из более плотной древесины.

Другие виды топлива

Очень широко распространено мнение, что некоторые мягкие породы древесины, такие как сосна, производят больше смолы или креозота, чем лиственные породы.Многочисленные тесты показали, что это не так. Фактически, недавние испытания не показали заметной разницы в выходе смолы между сосной и дубом. При правильном обжиге древесины не должно образовываться смолы.

Помимо более традиционных форм древесного топлива, таких как щепа и дрова, колотые или круглые, могут быть доступны древесные отходы. Это могут быть древесные отходы мебельных заводов или обрезки пиломатериалов со стройплощадок или сносов. Все эти породы дерева подходят для использования. Однако следует помнить одну очень важную вещь: ни в коем случае нельзя сжигать обработанную древесину.Древесина, обработанная креозотом из каменноугольной смолы, например железнодорожные шпалы или опоры, сильно горит и выделяет густой черный токсичный дым. Древесина, обработанная такими соединениями, как хромированный арсенат меди (CCA), обычно имеет зеленовато-желтый или коричневый цвет и при горении выделяет очень токсичный дым. Обработка или вдыхание золы пиломатериалов, обработанных CCA, может вызвать острое отравление. Даже относительно небольшое количество обработанной древесины, смешанной с необработанной древесиной, может вызвать серьезные проблемы. Будьте осторожны и знайте, какой вид топлива вы используете.

Сравнение стоимости топлива

Сравнение древесины и мазута № 2 показывает, что энергосодержание различных видов топлива, обычно называемое удельной энергией, может широко варьироваться. Например, мазут номер 2 содержит около 19 000 БТЕ на фунт, тогда как сухая древесина содержит около 8 600 БТЕ на фунт. В пересчете на фунт за фунт мазут имеет более чем в два раза больше энергии, чем древесина. Однако сравнение удельной энергии древесины и мазута говорит только об этом.

При цене 1 доллар за галлон фунт мазута стоит около 13 центов. При цене 40 долларов за шнур фунт древесины белого дуба стоит менее одного цента. Таблица 7 показывает, что фунт правильно выдержанной древесины содержит около 7 160 БТЕ.

Следующие расчеты сравнивают эти виды топлива на основе стоимости на миллион БТЕ:

Мазут: 0,13 доллара за фунт ÷ 9000 БТЕ / фунт x 1000000 = 6,84 доллара за миллион БТЕ

Древесина: 0,008 долл. США / фунт ÷ 7160 БТЕ / фунт x 1000000 = 1,12 долл. США за миллион

БТЕ

Эти расчеты показывают, что стоимость мазута более чем в шесть раз превышает стоимость древесины, необходимой для производства того же количества тепла.Таким образом, древесина имеет большое преимущество в стоимости по сравнению с большинством других видов топлива.

Возражения против использования древесины в качестве источника энергии обычно связаны с удобством. В очень холодную погоду большинство систем горячего водоснабжения, работающих на древесном топливе, необходимо топить хотя бы один раз за ночь. Конечно, есть недостатки в том, чтобы вставать в 2 часа ночи, чтобы запустить систему. С другой стороны, использование дерева определенно дает преимущество в стоимости.

При рассмотрении системы горячего водоснабжения, работающей на древесном топливе, не следует упускать из виду два других важных сравнения.Один из них — системные затраты, а другой — эффективность. Стоимость установки системы правильного размера зависит от индивидуальных потребностей. Например, большинство нефтегазовых систем рассчитаны на индивидуальные теплицы и устанавливаются в них, тогда как одна большая система горячего водоснабжения может вместить множество теплиц или несколько помещений для сушки табака вместе с другими зданиями и жилым помещением.

Второй аспект, который следует учитывать, — это эффективность системы. Эффективность, которая обычно выражается в процентах, является мерой того, насколько хорошо система преобразует и доставляет химическую энергию, хранящуюся в топливе, в полезную тепловую энергию.Процентное соотношение описывает долю потребляемой энергии, которая фактически преобразуется и используется в качестве полезного тепла. Важно понимать, что общая эффективность также зависит от того, насколько хорошо система отводит тепло. Другими словами, для системы недостаточно эффективно сжигать топливо, но тепло также должно доставляться с минимальными потерями к месту, где оно должно использоваться. В следующем примере показано, как рассчитывается общая эффективность:

Система водяного отопления на древесном топливе, как известно, сжигает 200 фунтов высушенной на воздухе древесины в час, за это время 2300 галлонов нагретой воды проходит через теплообменники теплицы с понижением температуры на 45 ° F.Температура воды в накопительном баке остается постоянной.

Энергетическая ценность высушенной на воздухе древесины составляет 7 160 БТЕ на фунт. Таким образом, энергия, выделяемая при сжигании 200 фунтов в час, составляет:

7160 БТЕ / фунт x 200 фунтов / час = 1432000 БТЕ / час

По определению 1 БТЕ — это количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 фунта воды на 1 ° F. Один галлон воды весит 8,3 фунта; следовательно, тепловая энергия, отдаваемая системой, составляет:

2300 галлонов / час x 8.3 фунта / галлон x 45 ° = 859 050 БТЕ / ч

Эффективность системы — это отношение выходной энергии к вложенной энергии:

Общий КПД, E = выход энергии системы ÷ вход энергии в систему

E = 859 050 / 1,432 000

E = 0,60 или 60%

Эти расчеты предполагают, что температура воды в резервуаре для хранения остается постоянной и что падение температуры на 45 ° F включает потери в трубопроводах, по которым вода идет в теплицу и из нее.

Без некоторых довольно сложных тестов очень сложно определить точную эффективность нагревательного устройства. Однако таблица 8 показывает, что типичная эффективность обычных систем отопления сильно различается.

При исследовании общей стоимости отопления с использованием различных видов топлива очень важно сравнивать эффективность системы, особенно если разница в стоимости на миллион БТЕ между двумя альтернативными видами топлива очень мала. Эффективность системы в меньшей степени влияет на то, какой выбор лучше, поскольку разница в стоимости между видами топлива увеличивается.В настоящее время существует значительная разница в стоимости между древесным топливом и другими широко используемыми видами топлива, чтобы сделать древесные системы рентабельными даже при довольно низкой эффективности. Очевидно, что при правильном проектировании для обеспечения максимальной эффективности использование деревянных систем будет дешевле.

---

Таблица 8. КПД различных типов систем отопления.

Тип системы	КПД (в процентах)
Электрический резистивный нагреватель	98
Обогреватель сжиженного или природного газа	75
Масляная печь	65
Система горячего водоснабжения на древесном топливе	60

---

Значения в таблице 9 основаны на значениях эффективности, показанных в таблице 8, и на предположениях, что корд из выдержанной древесины весит 3492 фунта и содержит 7,160 БТЕ на фунт, мазут содержит 138000 БТЕ на галлон и что Сжиженный нефтяной газ содержит 86 000 БТЕ на галлон.Стоимость владения и эксплуатации различных систем не включена.

---

Таблица 9. Сравнение безубыточной стоимости древесного топлива по сравнению с мазутом и сжиженным газом с учетом относительной эффективности системы.

Расходы на топливо
Дерево (на шнур)	Мазут (на галлон)	Сжиженный газ (на галлон)
$ 10	0 руб.06	0,043 $
20	0,12	0,086
30	0,18	0,129
40	0,24	0,172
50	0,30	0,215
60	0,36	0,258
70	0.42	0,301
80	0,48	0,344
100	0,60	0,430
140	0,84	0.602
180	1,08	0,774
200	1,20	0,860
250	1.50	1,075
300	1,80	1,290
400	2,40	1,720
500	3,00	2,150

---

Надеемся, что эта публикация помогла вам лучше понять, как работает правильно спроектированная система горячего водоснабжения, и определить, можете ли вы получить выгоду от ее установки.Если вы решите построить свою собственную систему, как это сделали многие, применение рекомендаций и процедур, приведенных в этой публикации, должно помочь вам построить высокоэффективную систему. Если вместо этого вы решите приобрести одно из имеющихся в продаже устройств, эта информация должна помочь вам выбрать лучшую систему для вашего приложения и эффективно управлять ею.

Для получения дополнительной информации о применении энергии на базе древесины см. Дополнительную публикацию AG-363, Руководство по использованию энергии на базе древесины для сельского хозяйства и малых коммерческих предприятий .Кроме того, вам могут быть полезны следующие публикации:

Информационное руководство по энергии древесины. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1982 г.

Энергия древесины для малой энергетики в Северной Каролине. Роли, Северная Каролина: Отдел энергетики, Министерство торговли Северной Каролины, 1978 год.

Руководство для лиц, принимающих решения по древесному топливу для малых промышленных потребителей энергии. Голден, Колорадо: Исследовательский институт солнечной энергии, 1980.

Древесина как энергия, обзор вопросов сельского хозяйства № 5.Вашингтон, округ Колумбия: Национальная сельскохозяйственная библиотека, Министерство сельского хозяйства США, 1984.

Водонагреватель на дровах — 1 000 000 БТЕ в час.

Водонагреватель на дровах — 2 000 000 БТЕ в час.

Майк Бойет

Philip Morris Professor
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

р.В. Уоткинс

Профессор
Биологическая и сельскохозяйственная инженерия

Дополнительную информацию можно найти на следующих веб-сайтах NC State Extension:

Дата публикации: янв.1, 1995
AG-398

N.C. Cooperative Extension запрещает дискриминацию и домогательства независимо от возраста, цвета кожи, инвалидности, семейного и семейного положения, гендерной идентичности, национального происхождения, политических убеждений, расы, религии, пола (включая беременность), сексуальной ориентации и статуса ветерана.

Горячие корпуса могут означать более скользкие корабли

Хотите, чтобы корабль двигался быстрее по воде? Что ж, единственное, что вы можете сделать, это покрасить его корпус краской с низким коэффициентом трения или антибиообрастающей краской, чтобы не дать ракушкам и другим морским организмам расти на нем.По словам профессора Дерека Чана из факультета математики и статистики Мельбурнского университета, другой подход, который должен сработать, — это нагреть корпус до температуры более 100 ° C (212F). Предложенный им метод основан на 255-летнем принципе, известном как эффект Лейденфроста.

Названный в честь своего первооткрывателя, немецкого доктора Иоганна Готтлоба Лейденфроста, эффект Лейденфроста — это явление, при котором жидкость при воздействии твердого вещества, температура которого значительно выше точки кипения, образует изолирующий паровой слой между собой и этим твердым телом.Это причина того, что капли воды танцуют на достаточно горячей сковороде, а не просто испаряются на месте.

Применяя этот принцип к кораблю, Чан считает, что внешняя температура корпуса, значительно превышающая точку кипения воды, должна вызывать образование слоя пара с низким коэффициентом трения между корпусом и водой. Он проверил теорию, проанализировав запись на высокой скорости полированных шаров, падающих через жидкость — их сопротивление, как сообщается, значительно уменьшилось, когда они были нагреты до точки, при которой возник эффект Лейденфроста.

Это можно использовать не только для снижения транспортных расходов и выбросов парниковых газов от судоходства, — предполагает он, но и для увеличения скорости потока жидкости по трубам.

Чан, однако, признает, что поддержание корпуса в таком горячем состоянии может увеличить скорость коррозии, и продолжает изучать эту возможность. Также возникает вопрос, будет ли энергия, необходимая для нагрева корпуса (и поддержания его в горячем состоянии, поскольку он подвергается воздействию холодной воды океана), будет значительно меньше количества энергии, которое можно было бы сэкономить за счет уменьшения трения.

Университет Мельбурна работал с Университетом короля Абдуллы Саудовской Аравии над исследованием, которое недавно было опубликовано в журнале Physical Review Letters .

Патенты и заявки на генераторы трения (класс 122/26)

Номер патента: 10654336

Реферат: Система обогрева электрического или гибридного транспортного средства, к которой подключен высоковольтный аккумулятор, включает в себя контур охлаждающей жидкости, имеющий контур обогрева, к которому подключен нагревательный теплообменник для кондиционирования воздуха в салоне, и имеющий контур охлаждения, к которому подключены охладитель и источник тепла.Система обогрева имеет по меньшей мере два холодильных контура, причем первый холодильный контур включает в себя испаритель кондиционирования воздуха для кондиционирования воздуха внутри и первый конденсатор, с помощью которого первый холодильный контур термически соединен с контуром хладагента для рассеивания тепла. тепло от первого холодильного контура. Второй холодильный контур термически соединен вторым конденсатором с контуром хладагента. Однако два холодильных контура не соединены друг с другом.По меньшей мере, один из холодильных контуров дополнительно включает в себя чиллер для отвода тепла от контура хладагента.

Тип: Грант

Подано: 11 июля 2018 г.

Дата патента: 19 мая, 2020

Цессионарий: Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft

Изобретателей: Кристиан Альгойер, Николас Флао, Маркус Мозер, Марион Мак, Оливер Хорн

Минеральные изменения позволяют количественно оценить нагрев от трения во время большого оползня с низким коэффициентом трения | Геология

Мы также провели эксперименты по высокоскоростному трению на трех образцах черного сланца вблизи скользящей поверхности на горе Цзивэйшань, используя роторный сдвигающий аппарат в Институте геологии, Управление землетрясений Китая, Пекин (см. Репозиторий данных).Сборка образцов включала два противоположных цилиндрических образца-хозяина, созданных из сланца. Ротационный сдвиг выполнялся при нормальном напряжении 1 МПа и «эквивалентных скоростях скольжения» (Tsutsumi and Shimamoto, 1997) 1 и 2 м / с. Цилиндры для образцов имели диаметр 40 мм и длину 50 мм. Температура на поверхности скольжения во время вращения контролировалась парой термопар ( T _n и T _f ), установленной близко к поверхности скольжения, соответственно расположенных в 4 мм и 8 мм от границы образца (см. Репозиторий данных; рис.DR6). Три репрезентативных эксперимента при нормальном напряжении 1 МПа и скорости скольжения 1 и 2 м / с показаны на рисунках 4A – 4C. В эксперименте, показанном на рисунке 4A, при нормальном напряжении 1 МПа и скорости скольжения 1 м / с пиковый коэффициент трения ~ 0,38 был достигнут после ~ 7 м сдвига. Наблюдался сравнительно медленный процесс ослабления, а наименьший коэффициент трения составлял ~ 0,06. Мы получили максимальную температуру ~ 700 ° C после ~ 45 м сдвигового смещения. При дальнейшем перемещении происходило медленное охлаждение до ~ 400 ° C, а затем снова нагревание, постепенно до ~ 420 ° C.Однако зарегистрированную температуру можно принять только как нижнюю границу реальной температуры на поверхности скольжения из-за сложной эволюции зон скольжения (например, ширины и точного расположения, а также их изменения при скольжении). Кроме того, измеренные изменения температуры на более поздних стадиях могут частично быть результатом поглощения энергии эндотермических реакций разложения, которые сдерживают или подавляют повышение температуры при трении (Brantut et al., 2011). В другом испытании на 1 МПа и 1 м / с (рис. 4В) мы получили пиковый коэффициент трения ~ 0.79, за которым последовал быстрый процесс ослабления. Наименьший полученный коэффициент трения составлял ~ 0,19 (рис. 4В). Для эксперимента при 1 МПа и 2 м / с максимальный и самый низкий коэффициенты трения были соответственно ∼0,65 и 0,1 (рис. 4C). Различия в механических данных для различных экспериментов в основном связаны с периодом пикового трения во время начального смещения, что может быть связано с неоднородностью образцов и сложностью процесса измельчения сланца во время инициирования скольжения.После охлаждения до комнатной температуры одну сторону поверхности скольжения исследовали с помощью SEM (рис. 4E). Поверхность была бороздчатой. Гребни бороздок состояли в основном из перекристаллизованного волластонита (рис. 4G), в то время как впадины содержали агломерированные наночастицы (рис. 4H), приставшие к перекристаллизованной, измененной нагреванием вмещающей породе, как было определено с помощью микрозондового анализа. Также наблюдались выровненные полигональные зерна и искривленные границы зерен (Mitchell et al., 2015) (рис. 4F), которые были в ~ 40 раз больше, чем аналогичные структуры, наблюдаемые на полевом образце (рис.3С). Часть цилиндра непосредственно под поверхностью скольжения также была исследована с помощью SEM (см. Хранилище данных; рис. DR7). Признаки термического разложения наблюдались на кристаллах кальцита и доломита, которые были усеяны наношфероидами. Те, что показаны на рисунках 4I и 4J, были расположены на ~ 3 мм ниже поверхности скольжения. Грибообразные или подобные эритроцитам структуры (рис. 4J), возможно, были спущенными пузырьками CaO и MgO после выброса газа CO ₂ , образовавшегося в результате термического разложения доломита.

Четырнадцать небольших образцов были вырезаны из цилиндрической матрицы с кумулятивным шагом ~ 1 мм от поверхности скольжения для XRD. Репрезентативные анализы XRD показаны на рисунке 4D. Результаты показывают, что основная часть цилиндра на расстоянии> 5 мм от поверхности скольжения содержит неизмененный кальцит, доломит, кварц и тальк в качестве основных минералов и лишь незначительное количество энстатита. Ближе 5 мм от поверхности скольжения происходит замена талька энстатитом и разложение доломита и кальцита до оксидов магния и кальция.