§33. Chauffage de l'air et sa température

Rappelles toi

• Quel appareil est utilisé pour mesurer la température de l'air? Quels types de rotation de la Terre connaissez-vous? Pourquoi y a-t-il un changement de jour et de nuit sur Terre?

Comment la surface et l'atmosphère de la terre se réchauffent. Le soleil émet une énorme quantité d'énergie. Cependant, l'atmosphère fuit vers surface de la Terre seulement la moitié des rayons du soleil. Certains d'entre eux sont réfléchis, certains sont absorbés par les nuages, les gaz et les particules de poussière (Fig. 83).

Figure: 83. Consommation d'énergie solaire pénétrant dans la Terre

En passant à travers les rayons du soleil, leur atmosphère se réchauffe à peine. La surface de la terre se réchauffe et elle-même devient une source de chaleur. C'est à partir de là que l'air atmosphérique est chauffé. Par conséquent, à la surface de la terre, l'air de la troposphère est plus chaud qu'en altitude. En montant à chaque kilomètre, la température de l'air baisse de 6 "C.Haut en montagne, en raison des basses températures, la neige accumulée ne fond pas même en été. La température dans la troposphère change non seulement avec l'altitude, mais aussi pendant certaines périodes: jours, années.

Différences de chauffage de l'air au cours de la journée et de l'année. Pendant la journée, les rayons du soleil illuminent la surface de la terre et la réchauffent, et l'air s'en réchauffe. La nuit, le flux d'énergie solaire s'arrête et la surface se refroidit progressivement avec l'air.

Le soleil se lève le plus haut au-dessus de l'horizon à midi. À ce moment, le plus d'énergie solaire entre en jeu. Cependant, la température la plus élevée est observée 2 à 3 heures après midi, car il faut du temps pour transférer la chaleur de la surface de la Terre vers la troposphère. La température la plus froide se produit avant le lever du soleil.

La température de l'air change également en fonction des saisons. Vous savez déjà que la Terre se déplace autour du Soleil en orbite et que l'axe de la Terre est constamment incliné vers le plan orbital. Pour cette raison, au cours de l'année dans la même zone, les rayons du soleil tombent à la surface de différentes manières.

Lorsque l'angle d'incidence des rayons est plus vertical, la surface reçoit plus d'énergie solaire, la température de l'air augmente et l'été commence (Fig. 84).

Figure: 84. La chute des rayons du soleil sur la surface de la terre à midi les 22 juin et 22 décembre

Lorsque les rayons du soleil sont plus inclinés, la surface se réchauffe légèrement. La température de l'air à ce moment baisse et l'hiver arrive. Le mois le plus chaud de l'hémisphère nord est juillet, tandis que le mois le plus froid est janvier. Dans l'hémisphère sud, le contraire est vrai: le mois le plus froid de l'année est juillet et le plus chaud est janvier.

À partir de la figure, déterminez en quoi l'angle d'incidence des rayons du soleil le 22 juin et le 22 décembre aux parallèles 23,5 ° N diffère. sh. Andy. w.; aux parallèles 66,5 ° N sh. Andy. sh.

Considérez pourquoi les mois les plus chauds et les plus froids ne sont pas juin et décembre, lorsque les rayons du soleil ont les angles d'incidence les plus grands et les plus petits à la surface de la terre.

Figure: 85. Températures annuelles moyennes de l'air de la Terre

Indicateurs de changements de température. Pour identifier les tendances générales des changements de température, utilisez l'indicateur des températures moyennes: moyenne journalière, moyenne mensuelle, moyenne annuelle (Fig. 85). Par exemple, pour calculer la température journalière moyenne pendant la journée, la température est mesurée plusieurs fois, ces indicateurs sont additionnés et la somme obtenue est divisée par le nombre de mesures.

Définir:

• température quotidienne moyenne selon les indicateurs de quatre mesures par jour: -8 ° С, -4 ° С, + 3 ° С, + 1 ° С;
• la température annuelle moyenne de Moscou, sur la base des données du tableau.

Tableau 4

Lors de la détermination du changement de température, ses valeurs les plus élevées et les plus basses sont généralement notées.

La différence entre les valeurs les plus élevées et les plus basses s'appelle la plage de température.

L'amplitude peut être déterminée pour un jour (amplitude journalière), un mois, une année. Par exemple, si la température la plus élevée par jour est de + 20 ° C et la plus basse de + 8 ° C, alors l'amplitude quotidienne sera de 12 ° C (Fig. 86).

Figure: 86. Plage de température quotidienne

Déterminez de combien de degrés l'amplitude annuelle à Krasnoïarsk est supérieure à celle de Saint-Pétersbourg, si la température moyenne de juillet à Krasnoïarsk est de + 19 ° C et en janvier de -17 ° C; à Saint-Pétersbourg + 18 ° С et -8 ° С, respectivement.

Sur les cartes, la distribution des températures moyennes est reflétée à l'aide d'isothermes.

Les isothermes sont des lignes qui connectent des points avec le même température moyenne l'air pendant un certain temps.

Affiche généralement les isothermes des mois les plus chauds et les plus froids de l'année, c'est-à-dire juillet et janvier.

Questions et tâches

1. Comment l'air de l'atmosphère se réchauffe-t-il?
2. Comment la température de l'air change-t-elle pendant la journée?
3. Qu'est-ce qui détermine la différence de réchauffement de la surface de la Terre au cours de l'année?

Les recherches menées au tournant des années 1940-1950 ont permis de développer un certain nombre de solutions aérodynamiques et technologiques qui assurent le passage en toute sécurité du mur du son même par les avions de série. Ensuite, il semble que la conquête du mur du son crée des possibilités illimitées pour augmenter encore la vitesse de vol. En quelques années à peine, environ 30 types d'avions supersoniques ont été utilisés, dont un nombre important a été mis en production de masse.

La variété des solutions utilisées a conduit au fait que de nombreux problèmes associés aux vols à des vitesses supersoniques élevées ont été étudiés et résolus de manière exhaustive. Cependant, de nouveaux problèmes ont été rencontrés, beaucoup plus complexes que le mur du son. Ils sont causés par l'échauffement de la structure de l'aéronef lors d'un vol à grande vitesse dans les couches denses de l'atmosphère. Ce nouvel obstacle s'appelait autrefois la barrière thermique. Contrairement à la barrière du son, la nouvelle barrière ne peut pas être caractérisée par une constante, similaire à la vitesse du son, car elle dépend à la fois des paramètres de vol (vitesse et altitude) et de la conception de la cellule (solutions de conception et matériaux utilisés), et de l'équipement de l'avion (climatisation, systèmes de refroidissement, etc.). P.). Ainsi, le concept de "barrière thermique" inclut non seulement le problème du réchauffement dangereux de la structure, mais également des questions telles que le transfert de chaleur, les propriétés de résistance des matériaux, les principes de conception, la climatisation, etc.

L'échauffement de l'aéronef en vol se produit principalement pour deux raisons: de la décélération aérodynamique du flux d'air et du dégagement de chaleur du système de propulsion. Ces deux phénomènes constituent le processus d'interaction entre le milieu (air, gaz d'échappement) et un corps solide profilé (avion, moteur). Le deuxième phénomène est typique de tous les aéronefs, et il est associé à une augmentation de la température des éléments structurels du moteur, qui reçoivent la chaleur de l'air comprimé dans le compresseur, ainsi que des produits de combustion dans la chambre et le tuyau d'échappement. Lors d'un vol à grande vitesse, l'échauffement interne de l'aéronef se produit également à partir de l'air décéléré dans le canal d'air devant le compresseur. Lors d'un vol à basse vitesse, l'air qui traverse le moteur a une basse température, à la suite de quoi un échauffement dangereux des éléments de la structure de la cellule ne se produit pas. Aux vitesses de vol élevées, la limitation du chauffage de la structure de la cellule à partir des éléments chauds du moteur est assurée par un refroidissement supplémentaire avec de l'air à basse température. Typiquement, on utilise de l'air qui est retiré de l'admission d'air à l'aide d'un guide qui sépare la couche limite, ainsi que de l'air capturé de l'atmosphère à l'aide d'admissions supplémentaires situées à la surface de la nacelle du moteur. Les moteurs à double circuit utilisent également de l'air externe (froid) pour le refroidissement.

Ainsi, le niveau de la barrière thermique pour les avions supersoniques est déterminé par un chauffage aérodynamique externe. L'intensité de l'échauffement de la surface dans un courant d'air dépend de la vitesse de vol. Aux faibles vitesses, ce chauffage est si négligeable que l'élévation de température peut ne pas être prise en compte. À vitesse élevée, le flux d'air a une énergie cinétique élevée, et donc l'élévation de température peut être importante. Ceci s'applique également à la température à l'intérieur de l'aéronef, car le débit à grande vitesse, décéléré dans l'admission d'air et comprimé dans le compresseur du moteur, devient si chaud qu'il ne peut pas évacuer la chaleur des parties chaudes du moteur.

Une augmentation de la température de la peau de l'aéronef due à un échauffement aérodynamique est provoquée par la viscosité de l'air circulant autour de l'aéronef, ainsi que par sa compression sur les surfaces avant. En raison de la perte de vitesse par les particules d'air dans la couche limite en raison du frottement visqueux, la température de toute la surface aérodynamique de l'avion augmente. Du fait de la compression de l'air, la température n'augmente cependant que localement (il s'agit principalement du nez du fuselage, du pare-brise du cockpit, et surtout des bords d'attaque de l'aile et de l'empennage), mais le plus souvent elle atteint des valeurs peu sûres pour la structure. Dans ce cas, à certains endroits, il y a une collision presque directe du flux d'air avec la surface et un freinage dynamique complet. Conformément au principe de conservation de l'énergie, toute l'énergie cinétique du flux est alors convertie en énergie thermique et de pression. L'augmentation de température correspondante est directement proportionnelle au carré de la vitesse d'écoulement avant décélération (ou, hors vent, au carré de la vitesse de l'avion) \u200b\u200bet inversement proportionnelle à l'altitude de vol.

Théoriquement, si le débit est régulier, le temps est calme et sans nuages, et il n'y a pas de transfert de chaleur par rayonnement, alors la chaleur ne pénètre pas dans la structure et la température de la peau est proche de la température de freinage dite adiabatique. Sa dépendance au nombre de Mach (vitesse et altitude) est indiquée dans le tableau. 4.

En conditions réelles, l'augmentation de la température de la peau de l'aéronef due à l'échauffement aérodynamique, c'est-à-dire la différence entre la température de stagnation et la température ambiante, s'avère un peu plus faible en raison de l'échange thermique avec le milieu (par rayonnement), les éléments structurels voisins, etc. De plus, une décélération complète de l'écoulement se produit uniquement aux points dits critiques situés sur les parties saillantes de l'aéronef, et le flux de chaleur vers la peau dépend également de la nature de la couche limite air (il est plus intense pour une couche limite turbulente). Une diminution significative de la température se produit également lors du vol à travers les nuages, en particulier lorsqu'ils contiennent des gouttelettes d'eau surfondues et des cristaux de glace. Pour de telles conditions de vol, on suppose que la diminution de la température de la peau au point critique par rapport à la température de stagnation théorique peut même atteindre 20 à 40%.

Néanmoins, l'échauffement général d'un aéronef en vol à des vitesses supersoniques (surtout à basse altitude) est parfois si élevé qu'une augmentation de la température des éléments individuels de la cellule et des équipements conduit soit à leur destruction, soit, du moins, à la nécessité de changer de mode de vol. Par exemple, lors de l'examen de l'avion KhV-70A lors de vols à des altitudes de plus de 21000 m à une vitesse de M \u003d 3, la température des bords d'attaque de l'entrée d'air et des bords d'attaque de l'aile était de 580 à 605 K, et le reste de la peau était de 470 à 500 K. à des valeurs aussi élevées peut être pleinement apprécié, étant donné que même à des températures d'environ 370 K, le verre organique se ramollit, qui est couramment utilisé pour vitrer les cabines, fait bouillir le carburant et la colle ordinaire perd sa résistance. À 400 K, la résistance du duralumin est considérablement réduite, à 500 K, la décomposition chimique du fluide de travail dans le système hydraulique et la destruction des joints se produisent, à 800 K les alliages de titane perdent les propriétés mécaniques nécessaires, à des températures supérieures à 900 K, l'aluminium et le magnésium fondent et l'acier se ramollit. Une augmentation de la température conduit également à la destruction des revêtements, dont l'anodisation et le chromage peuvent être utilisés jusqu'à 570 K, le nickelage jusqu'à 650 K et le placage d'argent jusqu'à 720 K.

Après l'apparition de ce nouvel obstacle à l'augmentation de la vitesse de vol, des études ont commencé à éliminer ou atténuer ses conséquences. Les moyens de protéger l'aéronef des effets du réchauffement aérodynamique sont déterminés par des facteurs qui empêchent l'élévation de température. En plus de l'altitude de vol et des conditions atmosphériques, un effet significatif sur le degré de chauffage de l'aéronef est exercé par:

- coefficient de conductivité thermique du matériau de la peau;

- la taille de la surface (notamment frontale) de l'aéronef; -temps de vol.

Il s'ensuit que les moyens les plus simples pour réduire l'échauffement de la structure sont d'augmenter l'altitude de vol et de limiter sa durée au minimum. Ces méthodes ont été utilisées dans le premier avion supersonique (en particulier dans les avions expérimentaux). En raison de la conductivité thermique et de la capacité thermique plutôt élevées des matériaux utilisés pour la fabrication des éléments soumis à des contraintes thermiques de la structure de l'avion, un temps assez long s'écoule généralement entre le moment où l'avion atteint une vitesse élevée et le moment où les éléments structurels individuels se réchauffent jusqu'à la température de conception du point critique. Sur les vols de plusieurs minutes (même à basse altitude), les températures destructrices ne sont pas atteintes. Le vol à haute altitude a lieu dans des conditions de basse température (environ 250 K) et de faible densité de l'air. En conséquence, la quantité de chaleur dégagée par l'écoulement vers les surfaces de l'aéronef est faible et l'échange thermique prend plus de temps, ce qui atténue considérablement le problème. Un résultat similaire est obtenu en limitant la vitesse de l'aéronef à basse altitude. Par exemple, lors d'un vol au-dessus du sol à une vitesse de 1600 km / h, la force du duralumin ne diminue que de 2% et une augmentation de la vitesse à 2400 km / h entraîne une diminution de sa résistance jusqu'à 75% par rapport à la valeur initiale.

Figure: 1.14. Répartition de la température dans le canal d'air et dans le moteur de l'avion Concorde en vol avec M \u003d 2,2 (a) et la température de la peau de l'avion XB-70A en vol à une vitesse constante de 3200 km / h (b).

Cependant, la nécessité d'assurer des conditions de fonctionnement sûres dans toute la gamme des vitesses utilisées et des altitudes de vol oblige les concepteurs à rechercher les moyens techniques appropriés. Étant donné que le chauffage des éléments structurels des aéronefs entraîne une diminution des propriétés mécaniques des matériaux, l'apparition de contraintes thermiques dans la structure, ainsi qu'une détérioration des conditions de travail de l'équipage et de l'équipement, ces moyens techniques utilisés dans la pratique actuelle peuvent être divisés en trois groupes. Ils incluent donc l'utilisation de 1) matériaux résistants à la chaleur, 2) des solutions de conception qui fournissent l'isolation thermique nécessaire et la déformation admissible des pièces, et 3) des systèmes de refroidissement pour la cabine de l'équipage et les compartiments d'équipement.

Dans les avions avec une vitesse maximale de M \u003d 2,0-1-2,2, les alliages d'aluminium (duralumin) sont largement utilisés, qui se caractérisent par une résistance relativement élevée, une faible densité et la préservation des propriétés de résistance avec une légère augmentation de la température. Les matériaux durs sont généralement complétés par des alliages d'acier ou de titane, à partir desquels sont fabriquées les parties de la cellule qui sont soumises aux plus fortes charges mécaniques ou thermiques. Les alliages de titane étaient déjà utilisés dans la première moitié des années 50, d'abord à très petite échelle (maintenant, certaines d'entre eux peuvent représenter jusqu'à 30% de la masse de la cellule). Dans les avions expérimentaux avec M ~ 3, il devient nécessaire d'utiliser des alliages d'acier résistant à la chaleur comme principal matériau de structure. Ces aciers conservent de bonnes propriétés mécaniques à des températures élevées, typiques des vols à des vitesses hypersoniques, mais leurs inconvénients sont un coût élevé et une densité élevée. Ces lacunes, en un sens, limitent le développement des avions à grande vitesse, de sorte que d'autres matériaux sont en cours de recherche.

Dans les années 70, les premières expériences ont été menées pour utiliser le béryllium dans la construction d'avions, ainsi que des matériaux composites à base de bore ou de fibres de carbone. Ces matériaux ont toujours un coût élevé, mais en même temps ils se caractérisent par une faible densité, une résistance et une rigidité élevées, ainsi qu'une résistance thermique importante. Des exemples d'applications spécifiques de ces matériaux dans la construction de cellules sont donnés dans les descriptions des aéronefs individuels.

Un autre facteur qui affecte considérablement les performances de la structure chauffée de l'aéronef est l'effet des contraintes dites thermiques. Ils résultent de différences de température entre les surfaces externe et interne des éléments, et notamment entre la peau et les éléments structurels internes de l'aéronef. L'échauffement de la surface de la cellule entraîne une déformation de ses éléments. Par exemple, un gauchissement de la peau de l'aile peut se produire, ce qui entraînera une modification des caractéristiques aérodynamiques. Par conséquent, dans de nombreux avions, une peau multicouche brasée (parfois collée) est utilisée, qui se caractérise par une rigidité élevée et de bonnes propriétés isolantes, ou des éléments de la structure interne avec des compensateurs appropriés sont utilisés (par exemple, dans l'avion F-105, les parois des longerons sont en tôle ondulée). Il existe également des expériences connues de refroidissement des ailes avec du carburant (par exemple, dans l'avion X-15) s'écoulant sous la peau sur le chemin du réservoir aux buses de la chambre de combustion. Cependant, à des températures élevées, le carburant subit généralement une cokéfaction, de sorte que de telles expériences peuvent être considérées comme infructueuses.

Différentes méthodes sont actuellement à l'étude, dont l'application d'une couche isolante de matériaux réfractaires par projection plasma. D'autres méthodes jugées prometteuses n'ont pas trouvé d'application. Entre autres, il a été suggéré d'utiliser " couche protectrice»Créé par soufflage de gaz sur la peau, refroidissement par« transpiration »en fournissant un liquide à haute température d'évaporation à la surface à travers la peau poreuse, et refroidissement créé par fusion et entraînement d'une partie de la peau (matériaux ablatifs).

Une tâche assez spécifique et en même temps très importante est de maintenir la température appropriée dans le cockpit et dans les compartiments d'équipement (notamment électroniques), ainsi que la température des systèmes de carburant et hydrauliques. Actuellement, ce problème est résolu grâce à l'utilisation de systèmes de climatisation, de refroidissement et de réfrigération performants, une isolation thermique efficace, l'utilisation de fluides de travail de systèmes hydrauliques à haute température d'évaporation, etc.

Les problèmes de barrière thermique doivent être traités de manière globale. Tout progrès dans ce domaine pousse la barrière pour ce type d'aéronef vers une vitesse de vol plus élevée, sans l'exclure en tant que telle. Cependant, la recherche de vitesses encore plus élevées conduit à la création de structures et d'équipements encore plus complexes, nécessitant l'utilisation de meilleurs matériaux. Cela a un impact significatif sur le poids, le coût d'achat et les coûts d'exploitation et de maintenance des avions.

De ceux donnés dans le tableau. 2 de ces avions de chasse, on peut voir que dans la plupart des cas, la vitesse maximale de 2200-2600 km / h était considérée comme rationnelle. Dans certains cas seulement, on considère que la vitesse d'un aéronef doit dépasser M ~ 3. Les avions capables de développer de telles vitesses comprennent les avions expérimentaux X-2, XB-70A et T.188, l'avion de reconnaissance SR-71 et l'avion E-266.

1* La réfrigération est le transfert forcé de chaleur d'une source froide à un environnement à haute température tout en s'opposant artificiellement à la direction naturelle du mouvement de la chaleur (d'un corps chaud à un corps froid lorsque le processus de refroidissement a lieu). Le réfrigérateur le plus simple est un réfrigérateur domestique.

Ils traversent l'atmosphère transparente sans la chauffer, ils atteignent la surface de la terre, la réchauffent et l'air en est ensuite chauffé.

Le degré d'échauffement de la surface, et donc de l'air, dépend principalement de la latitude de la zone.

Mais à chaque point spécifique, il (t environ) sera également déterminé par un certain nombre de facteurs, parmi lesquels les principaux sont:

A: altitude au-dessus du niveau de la mer;

B: surface sous-jacente;

B: distance des côtes des océans et des mers.

R - Puisque l'air est chauffé depuis la surface de la terre, plus les hauteurs absolues de la zone sont basses, plus la température de l'air est élevée (à une latitude). Dans des conditions d'air insaturé en vapeur d'eau, on observe une régularité: en montant tous les 100 mètres d'altitude, la température (t o) diminue de 0,6 o C.

B - Caractéristiques qualitatives de la surface.

B 1 - les surfaces de couleur et de structure différentes absorbent et réfléchissent les rayons du soleil de différentes manières. La réflectivité maximale est typique pour la neige et la glace, la minimum pour les sols et les roches de couleur foncée.

Illumination de la Terre par les rayons du soleil les jours des solstices et des équinoxes.

B 2 - différentes surfaces ont une capacité thermique et un transfert de chaleur différents. Ainsi, la masse d'eau de l'océan mondial, qui occupe les 2/3 de la surface de la Terre, se réchauffe très lentement et se refroidit très lentement en raison de sa forte capacité thermique. La terre se réchauffe rapidement et se refroidit rapidement, c'est-à-dire que pour chauffer au même t environ 1 m 2 de terre et 1 m 2 de surface d'eau, vous devez dépenser une quantité d'énergie différente.

B - des côtes à l'intérieur des continents, la quantité de vapeur d'eau dans l'air diminue. Plus l'atmosphère est transparente, moins les rayons du soleil y sont dispersés et tous les rayons du soleil atteignent la surface de la Terre. En présence d'une grande quantité de vapeur d'eau dans l'air, les gouttelettes d'eau réfléchissent, se dispersent, absorbent les rayons du soleil, et elles n'atteignent pas toutes la surface de la planète, tandis que son échauffement diminue.

Les températures de l'air les plus élevées ont été enregistrées dans les zones de déserts tropicaux. Dans les régions centrales du Sahara, pendant près de 4 mois, la température de l'air à l'ombre est supérieure à 40 o C.Dans le même temps, à l'équateur, où l'angle d'incidence des rayons du soleil est le plus grand, la température ne dépasse pas +26 o C.

D'autre part, la Terre, en tant que corps chauffé, émet de l'énergie dans l'espace principalement dans le spectre infrarouge à ondes longues. Si la surface de la terre est enveloppée dans une «couverture» de nuages, tous les rayons infrarouges ne quittent pas la planète, car les nuages \u200b\u200bles retiennent, se réfléchissant à la surface de la terre.

Avec un ciel clair, quand il y a peu de vapeur d'eau dans l'atmosphère, les rayons infrarouges émis par la planète vont librement dans l'espace, tandis que la surface de la terre se refroidit, ce qui se refroidit et donc la température de l'air diminue.

Littérature

1. Zubashchenko E.M. Géographie physique régionale. Climats de la Terre: aide pédagogique. Partie 1. / E.M. Zubashchenko, V.I. Shmykov, A. Ya. Nemykin, N.V. Polyakov. - Voronej: VSPU, 2007 .-- 183 p.

Dans un certain nombre de cas, il est possible de réduire considérablement les coûts d'investissement et d'exploitation en assurant un chauffage autonome des locaux à air chaud basé sur l'utilisation de générateurs de chaleur fonctionnant au gaz ou au combustible liquide. Dans de telles unités, ce n'est pas de l'eau qui est chauffée, mais de l'air - air frais, recirculé ou mélangé. Cette méthode est particulièrement efficace pour assurer le chauffage autonome de locaux industriels, pavillons d'exposition, ateliers, garages, stations-service, lave-autos, studios de cinéma, entrepôts, bâtiments publics, gymnases, supermarchés, serres, serres, complexes d'élevage, fermes avicoles, etc.

Avantages du chauffage de l'air

Il existe de nombreux avantages de la méthode de chauffage à air par rapport au chauffage à eau traditionnel dans les grandes pièces, nous n'en énumérerons que les principaux:

1. Rentabilité. La chaleur est produite directement dans la pièce chauffée et est presque entièrement consommée aux fins prévues. Grâce à la combustion directe du combustible sans caloporteur intermédiaire, un rendement thermique élevé de l'ensemble du système de chauffage est atteint: 90-94% - pour les appareils de chauffage à récupération et presque 100% - pour les systèmes de chauffage direct. L'utilisation de thermostats programmables offre la possibilité d'économies supplémentaires de 5 à 25% d'énergie thermique grâce à la fonction "mode veille" - maintien automatique de la température ambiante pendant les heures de repos au niveau de + 5-7 ° С.
2. Possibilité de «mettre en marche» la ventilation d'alimentation. Ce n'est un secret pour personne qu'aujourd'hui, dans la plupart des entreprises, la ventilation de l'alimentation ne fonctionne pas correctement, ce qui aggrave considérablement les conditions de travail des personnes et affecte la productivité du travail. Les générateurs de chaleur ou les systèmes de chauffage direct réchauffent l'air jusqu'à 90 ° C - cela suffit amplement pour «forcer» la ventilation d'alimentation à fonctionner même dans le Grand Nord. Ainsi, le chauffage de l'air implique non seulement une efficacité économique, mais aussi une amélioration de la situation environnementale et des conditions de travail.
3. Petite inertie. Les unités des systèmes de chauffage à air se mettent en marche en quelques minutes et, en raison du renouvellement élevé de l'air, la pièce est complètement réchauffée en quelques heures seulement. Cela permet de manœuvrer rapidement et de manière flexible lorsque la demande de chaleur change.
4. L'absence de fluide caloporteur intermédiaire permet d'abandonner la construction et l'entretien d'un système de chauffage à eau, inefficace pour les grandes pièces, une chaufferie, des conduites de chauffage et une station d'épuration. Les pertes dans les conduites de chauffage et leur réparation sont exclues, ce qui permet de réduire drastiquement les coûts d'exploitation. En hiver, il n'y a aucun risque de dégivrage des aérothermes et du système de chauffage en cas d'arrêts prolongés du système. Un refroidissement même à un «moins» profond n'entraîne pas de dégivrage du système.
5. Un degré élevé d'automatisation vous permet de générer exactement la quantité de chaleur nécessaire. En combinaison avec la fiabilité élevée des équipements à gaz, cela augmente considérablement la sécurité du système de chauffage et un minimum de personnel de maintenance est suffisant pour son fonctionnement.
6. Faibles coûts. La méthode de chauffage de grandes pièces avec des générateurs de chaleur est l'une des moins chères et des plus rapides mises en œuvre. Dépenses en capital pour la construction ou la rénovation système d'air, en règle générale, bien inférieur au coût d'organisation de l'eau ou du chauffage par rayonnement. La période de récupération des coûts en capital ne dépasse généralement pas une ou deux saisons de chauffage.

En fonction des tâches à résoudre, des appareils de chauffage de différents types peuvent être utilisés dans les systèmes de chauffage à air. Dans cet article, nous ne considérerons que les unités qui fonctionnent sans l'utilisation d'un caloporteur intermédiaire - les aérothermes à récupération (avec un échangeur de chaleur et évacuation des produits de combustion à l'extérieur) et les systèmes de chauffage à air direct (aérothermes à gaz).

Réchauffeurs d'air à récupération

Dans les unités de ce type, le carburant, mélangé à la quantité d'air requise, est fourni par le brûleur à la chambre de combustion. Les produits de combustion résultants traversent un échangeur de chaleur à deux ou trois passages. La chaleur obtenue lors de la combustion du combustible est transférée à l'air chauffé à travers les parois de l'échangeur de chaleur, et les gaz de combustion sont évacués à l'extérieur par la cheminée (Fig.1) - c'est pourquoi ils sont appelés générateurs de chaleur à «chauffage indirect».

Les aérothermes à récupération peuvent être utilisés non seulement directement pour le chauffage, mais également dans le cadre d'un système de ventilation par soufflage, ainsi que pour le chauffage de l'air de process. La puissance thermique nominale de ces systèmes est de 3 kW à 2 MW. L'air chauffé est fourni à la pièce par un ventilateur intégré ou externe, ce qui permet d'utiliser les unités à la fois pour le chauffage direct de l'air avec son acheminement à travers des grilles à lamelles et avec des conduits d'air.

En lavant la chambre de combustion et l'échangeur de chaleur, l'air est chauffé et dirigé soit directement dans la pièce chauffée par les grilles de distribution d'air à persiennes situées dans la partie supérieure, soit distribué à travers le système de conduits d'air. Un brûleur de bloc automatisé est situé à l'avant du générateur de chaleur (Fig. 2).

En règle générale, les échangeurs de chaleur des aérothermes modernes sont en acier inoxydable (la chambre de combustion est en acier résistant à la chaleur) et servent de 5 à 25 ans, après quoi ils peuvent être réparés ou remplacés. L'efficacité des modèles modernes atteint 90-96%. Le principal avantage des aérothermes à récupération est leur polyvalence.

Ils peuvent fonctionner au gaz naturel ou au GPL, gas-oil, huile, mazout ou huile usagée - il suffit de changer le brûleur. Il est possible de travailler avec de l'air frais, avec un mélange d'air intérieur et en mode de recirculation totale. Un tel système permet à certaines libertés, par exemple, de modifier le débit d'air chauffé, de redistribuer «à la volée» le flux d'air chauffé aux différentes branches des conduits à l'aide de vannes spéciales.

En été, les aérothermes à récupération peuvent fonctionner en mode ventilation. Les unités sont montées à la fois verticalement et horizontalement, sur le sol, sur le mur, ou intégrées dans une chambre de ventilation sectionnelle en tant que section de chauffage.

Les aérothermes à récupération peuvent être utilisés même pour chauffer des pièces d'une catégorie de confort élevé, si l'unité elle-même est retirée de la zone de service direct.

Principaux inconvénients:

1. Un échangeur de chaleur grand et complexe augmente le coût et le poids du système, par rapport aux aérothermes à mélange;
2. Ils ont besoin d'une cheminée et d'un drain de condensat.

Systèmes de chauffage à air direct

Les technologies modernes ont permis d'atteindre une telle propreté de la combustion du gaz naturel qu'il est devenu possible de ne pas détourner les produits de combustion «dans un tuyau», mais de les utiliser pour le chauffage direct de l'air dans les systèmes de ventilation. Le gaz entrant dans la combustion brûle complètement dans le flux d'air chauffé et, se mélangeant avec lui, lui donne toute la chaleur.

Ce principe est mis en œuvre dans un certain nombre de conceptions similaires de brûleur à rampe aux États-Unis, en Angleterre, en France et en Russie et a été utilisé avec succès depuis les années 60 du XXe siècle dans de nombreuses entreprises en Russie et à l'étranger. Basés sur le principe de la combustion ultrapure du gaz naturel directement dans le flux d'air chauffé, les aérothermes à gaz de type STV (STARVEINE - "star wind") sont produits avec une puissance thermique nominale de 150 kW à 21 MW.

La technologie de combustion elle-même, ainsi qu'un degré élevé de dilution des produits de combustion, permettent d'obtenir un air chaud propre dans des installations conformes à toutes les normes applicables, pratiquement exempt d'impuretés nocives (pas plus de 30% de la concentration maximale admissible). Les aérothermes STV (Fig. 3) se composent d'un bloc brûleur modulaire situé à l'intérieur du corps (section de conduit d'air), d'une conduite de gaz DUNGS (Allemagne) et d'un système d'automatisation.

Le boîtier est généralement équipé d'une porte pressurisée pour un entretien facile. Le bloc brûleur, en fonction de la puissance thermique requise, est composé du nombre requis de sections de brûleur de différentes configurations. L'automatisme des appareils de chauffage permet un démarrage automatique en douceur selon le cyclogramme, le contrôle des paramètres de fonctionnement en toute sécurité et la possibilité d'une régulation en douceur de la puissance thermique (1: 4), ce qui permet de maintenir automatiquement la température de l'air requise dans la pièce chauffée.

Application de réchauffeurs d'air à mélange de gaz

Leur objectif principal est le chauffage direct de l'air frais fourni aux locaux de production pour compenser la ventilation par extraction et ainsi améliorer les conditions de travail des personnes.

Pour les pièces à haute fréquence d'échange d'air, il devient conseillé de combiner le système de ventilation et le système de chauffage - à cet égard, les systèmes de chauffage direct n'ont pas de concurrents en termes de rapport qualité / prix. Les aérothermes à mélange de gaz sont conçus pour:

• chauffage autonome de l'air de locaux à des fins diverses avec un grand échange d'air (К 򖅁, 5);
• chauffage de l'air dans des rideaux thermiques à air de type à coupure, il est possible de le combiner avec des systèmes de chauffage et de ventilation;
• systèmes de préchauffage pour moteurs de voitures dans des parkings non chauffés;
• chauffage et décongélation de voitures, citernes, voitures, matériaux en vrac, chauffage et séchage de produits avant peinture ou autres types de traitement;
• chauffage direct air atmosphérique ou un agent de séchage dans diverses installations de chauffage et de séchage de procédé, par exemple, le séchage du grain, de l'herbe, du papier, des textiles, du bois; application dans les chambres de peinture et de séchage après peinture, etc.

Hébergement

Les réchauffeurs mélangeurs peuvent être intégrés dans les conduits d'air des systèmes de ventilation et des rideaux thermiques, dans les conduits d'air des unités de séchage - à la fois en sections horizontales et verticales. Ils peuvent être montés au sol ou sur une plateforme, sous le plafond ou au mur. Ils sont généralement placés dans des chambres d'alimentation et de ventilation, mais ils peuvent être installés directement dans une pièce chauffée (selon la catégorie).

Avec un équipement supplémentaire, les éléments appropriés peuvent desservir des pièces des catégories A et B. La recirculation de l'air interne à travers des aérothermes mélangeurs n'est pas souhaitable - une diminution significative du niveau d'oxygène dans la pièce est possible.

Forces systèmes de chauffage direct

Simplicité et fiabilité, faible coût et efficacité, capacité à chauffer à des températures élevées, un degré élevé d'automatisation, une régulation fluide, ne nécessitent pas de cheminée. Le chauffage direct est la méthode la plus économique - l'efficacité du système est de 99,96%. Le niveau des coûts d'investissement spécifiques pour un système de chauffage basé sur une unité de chauffage direct combinée à une ventilation forcée est le plus bas avec le plus haut degré d'automatisation.

Les aérothermes de tous types sont équipés d'un système d'automatisation de sécurité et de contrôle qui assure un démarrage en douceur, le maintien du mode chauffage et l'arrêt en cas d'urgence. Afin d'économiser de l'énergie, il est possible d'équiper les aérothermes d'une régulation automatique prenant en compte les températures extérieure et intérieure, avec les fonctions des modes de programmation de chauffage journalier et hebdomadaire.

Il est également possible d'inclure les paramètres du système de chauffage, qui se compose de nombreuses unités de chauffage, dans le système de commande et de répartition centralisé. Dans ce cas, l'opérateur-répartiteur aura des informations opérationnelles sur le fonctionnement et l'état des unités de chauffage, clairement affichées sur l'écran de l'ordinateur, et contrôlera également leur mode de fonctionnement directement à partir du point de répartition distant.

Générateurs de chaleur mobiles et pistolets thermiques

Conçu pour une utilisation temporaire - sur les chantiers de construction, pour le chauffage hors saison, le chauffage de process. Les générateurs de chaleur mobiles et les pistolets thermiques fonctionnent au propane (GPL), au diesel ou au kérosène. Ils peuvent être à la fois par chauffage direct et par élimination des produits de combustion.

Types de systèmes de chauffage de l'air autonomes

Pour le chauffage autonome de divers locaux, différents types de systèmes de chauffage de l'air sont utilisés - avec distribution de chaleur centralisée et décentralisée; systèmes fonctionnant entièrement sur l'approvisionnement air frais, ou avec recirculation totale / partielle de l'air intérieur.

Dans les systèmes de chauffage à air décentralisés, le chauffage et la circulation de l'air dans la pièce sont assurés par des générateurs de chaleur autonomes situés dans différentes zones ou zones de travail - au sol, au mur et sous le toit. L'air des radiateurs est fourni directement à la zone de travail de la pièce. Parfois, pour une meilleure répartition des flux de chaleur, les générateurs de chaleur sont équipés de petits systèmes de conduits d'air (locaux).

Pour les unités de cette conception, la puissance minimale du moteur du ventilateur est caractéristique, par conséquent les systèmes décentralisés sont plus économiques en termes de consommation d'énergie. Il est également possible d'utiliser des rideaux de chauffage à air dans le cadre d'un système de chauffage de l'air ou d'une ventilation d'appoint.

La possibilité d'une régulation locale et l'utilisation de générateurs de chaleur selon les besoins - par zones, à des moments différents - permet de réduire considérablement les coûts de carburant. Cependant, le coût en capital de la mise en œuvre de cette méthode est légèrement plus élevé. Dans les systèmes avec distribution de chaleur centralisée, des unités de chauffage de l'air sont utilisées; l'air chaud qu'ils génèrent pénètre dans les zones de travail via le système de conduits d'air.

Les unités, en règle générale, sont intégrées dans des chambres de ventilation existantes, mais il est possible de les placer directement dans une pièce chauffée - sur le sol ou sur le site.

Application et placement, sélection de l'équipement

Chacun des types d'unités de chauffage ci-dessus a ses propres avantages indéniables. Et il n'y a pas de recette toute faite, auquel cas laquelle d'entre elles est la plus appropriée - cela dépend de nombreux facteurs: la quantité d'échange d'air en fonction de la quantité de perte de chaleur, la catégorie de la pièce, la disponibilité de l'espace libre pour placer l'équipement, des possibilités financières. Nous essaierons de former le plus principes généraux sélection appropriée de l'équipement.

1. Systèmes de chauffage pour pièces à faible échange d'air (échange d'air ≤򖅀, 5-1)

Dans ce cas, la puissance thermique totale des générateurs de chaleur est considérée comme presque égale à la quantité de chaleur nécessaire pour compenser les pertes de chaleur dans la pièce, la ventilation est relativement faible, il est donc conseillé d'utiliser un système de chauffage basé sur des générateurs de chauffage indirect avec recirculation totale ou partielle de l'air intérieur dans la pièce.

La ventilation dans de tels locaux peut être naturelle ou avec un mélange d'air extérieur et d'air de recirculation. Dans le second cas, la puissance des appareils de chauffage est augmentée d'une quantité suffisante pour chauffer l'air frais d'alimentation. Un tel système de chauffage peut être local, avec des générateurs de chaleur au sol ou au mur.

S'il est impossible de placer l'unité dans une pièce chauffée ou lors de l'organisation de l'entretien de plusieurs pièces, un système centralisé peut être utilisé: des générateurs de chaleur sont placés dans la chambre de ventilation (annexe, en mezzanine, dans une pièce adjacente), et la chaleur est distribuée à travers les conduits d'air.

Pendant les heures de travail, les générateurs de chaleur peuvent fonctionner en mode de recirculation partielle, chauffant simultanément l'air d'alimentation mélangé, pendant le temps de non-fonctionnement, certains d'entre eux peuvent être désactivés et les autres peuvent être commutés en mode veille économique + 2-5 ° С avec recirculation complète.

2. Systèmes de chauffage pour pièces à fort taux de renouvellement d’air, nécessitant en permanence l’apport de grands volumes d’air frais (échange d’air 򖅂)

Dans ce cas, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'air d'alimentation peut déjà être plusieurs fois supérieure à la quantité de chaleur nécessaire pour compenser la perte de chaleur. Ici, il est plus opportun et plus économique de combiner le système de chauffage de l'air avec le système de ventilation d'alimentation. Le système de chauffage peut être construit sur la base d'unités de chauffage à air direct, ou sur la base de l'utilisation de générateurs de chaleur à récupération dans une conception avec un degré de chauffage accru.

La puissance thermique totale des appareils de chauffage doit être égale à la somme de la demande de chaleur pour chauffer l'air soufflé et de la chaleur nécessaire pour compenser les pertes de chaleur. Dans les systèmes de chauffage direct, 100% de l'air extérieur est chauffé, fournissant le volume d'air d'alimentation requis.

Pendant les heures de travail, ils chauffent l'air de l'extérieur à la température de conception de + 16-40 ° C (en tenant compte de la surchauffe pour assurer la compensation des pertes de chaleur). Afin d'économiser de l'argent en dehors des heures de travail, vous pouvez éteindre certains des appareils de chauffage pour réduire la consommation d'air soufflé et transférer le reste en mode veille de maintien de + 2-5 ° С.

Les générateurs de chaleur à récupération en mode veille permettent des économies supplémentaires en les transférant en mode de recirculation totale. Les coûts d'investissement les plus bas lors de l'organisation de systèmes de chauffage centralisés - lors de l'utilisation des plus grands appareils de chauffage possibles. Les coûts d'investissement pour les réchauffeurs d'air à mélange de gaz STV peuvent aller de 300 à 600 roubles / kW de puissance thermique installée.

3. Systèmes combinés de chauffage à air

La meilleure option pour les pièces avec un échange d'air important pendant les heures de travail avec un mode de fonctionnement à une équipe ou un cycle de travail intermittent - lorsque la différence entre le besoin de fournir de l'air frais et de la chaleur pendant la journée est significative.

Dans ce cas, le fonctionnement séparé de deux systèmes est conseillé: chauffage de secours et ventilation de soufflage, combinés à un système de chauffage (réchauffage). Dans le même temps, des générateurs de chaleur à récupération sont installés dans une pièce chauffée ou dans des chambres de ventilation pour ne maintenir que le mode veille avec recirculation complète (à la température extérieure prévue).

Le système de ventilation, combiné au système de chauffage, permet de chauffer le volume d'air neuf requis jusqu'à + 16-30 ° С et de réchauffer la pièce à la température requise température de fonctionnement et par souci d'économie, il n'est inclus que pendant les heures de travail.

Il est construit soit sur la base de générateurs de chaleur à récupération (avec un degré de chauffage accru), soit sur la base de puissants systèmes de chauffage direct (qui est 2 à 4 fois moins cher). Une combinaison du système de chauffage d'appoint avec le système de chauffage à eau chaude existant est possible (il peut rester en service), l'option est également applicable pour la modernisation par étapes le système existant chauffage et ventilation.

Avec cette méthode, les coûts d'exploitation seront les plus bas. Ainsi, en utilisant des aérothermes différents types dans diverses combinaisons, il est possible de résoudre les deux problèmes en même temps - à la fois le chauffage et la ventilation d'alimentation.

Il existe de nombreux exemples d'application de systèmes de chauffage à air et les possibilités de leur combinaison sont extrêmement diverses. Dans chaque cas, il est nécessaire d'effectuer des calculs thermiques, de prendre en compte toutes les conditions d'utilisation et d'effectuer plusieurs options pour la sélection des équipements, en les comparant en termes d'opportunité, de montant des coûts d'investissement et de coûts d'exploitation.

L'humanité connaît peu de types d'énergie - énergie mécanique (cinétique et potentielle), énergie interne (thermique), énergie de champ (gravitationnelle, électromagnétique et nucléaire), chimique. Séparément, il convient de souligner l'énergie de l'explosion, ...

L'énergie du vide et n'existe encore qu'en théorie - l'énergie noire. Dans cet article, le premier de la rubrique "Génie du chauffage", je vais essayer de vous parler dans un langage simple et accessible, à l'aide d'un exemple pratique, de le type le plus important l'énergie dans la vie des gens - oh l'énérgie thermique et de lui donner naissance à temps capacité thermique.

Quelques mots pour comprendre la place du génie thermique en tant que branche de la science de l'obtention, du transfert et de l'utilisation de l'énergie thermique. L'ingénierie thermique moderne est issue de la thermodynamique générale, qui à son tour est l'une des branches de la physique. La thermodynamique est littéralement «chaude» plus «puissance». Ainsi, la thermodynamique est la science du «changement de température» d'un système.

L'impact sur le système de l'extérieur, dans lequel son énergie interne change, peut être le résultat d'un transfert de chaleur. L'énérgie thermique, qui est acquis ou perdu par le système à la suite d'une telle interaction avec l'environnement, est appelé la quantité de chaleur et est mesurée en unités SI en Joules.

Si vous n'êtes pas un chauffagiste et que vous ne traitez pas tous les jours des problèmes d'ingénierie thermique, alors face à eux, parfois sans expérience, il est très difficile de les comprendre rapidement. Il est difficile, sans expérience, d'imaginer même la dimensionnalité des valeurs recherchées de la quantité de chaleur et de puissance thermique. Combien de Joules d'énergie faut-il pour chauffer 1000 mètres cubes d'air d'une température de -37˚C à + 18˚C? .. Quelle est la puissance d'une source de chaleur pour faire cela en 1 heure? .. Ce ne sont pas les plus questions difficiles Tous les ingénieurs ne sont pas en mesure de répondre «tout à fait» aujourd'hui. Parfois, les spécialistes se souviennent même des formules, mais seuls quelques-uns peuvent les appliquer dans la pratique!

Après avoir lu cet article jusqu'au bout, vous pouvez facilement résoudre de vrais problèmes industriels et domestiques liés au chauffage et au refroidissement de divers matériaux. Comprendre la nature physique des processus de transfert de chaleur et connaître des formules de base simples sont les principaux éléments de base des connaissances en génie thermique!

La quantité de chaleur dans divers processus physiques.

La plupart des substances connues peuvent être à l'état solide, liquide, gazeux ou plasma à différentes températures et pressions. Transition d'un état d'agrégation à un autre se produit à température constante (à condition que la pression et les autres paramètres ne changent pas environnement) et s'accompagne d'une absorption ou d'une libération d'énergie thermique. Malgré le fait que 99% de la matière de l'Univers soit à l'état de plasma, nous ne considérerons pas cet état d'agrégation dans cet article.

Considérez le graphique montré dans la figure. Il montre la dépendance de la température de la substance T sur la quantité de chaleur Q , amené à un certain système fermé contenant une certaine masse d'une substance spécifique.

1. Corps solide avec température T1 , chauffer à température Tm , dépensant pour ce processus une quantité de chaleur égale à Q1 .

2. Ensuite, le processus de fusion commence, qui se produit à une température constante TPL (point de fusion). Pour faire fondre toute la masse d'un solide, il est nécessaire de dépenser de l'énergie thermique dans une quantité Q2 - Q1 .

3. Ensuite, le liquide résultant de la fusion d'un solide est chauffé jusqu'au point d'ébullition (formation de gaz) Tkp , dépense sur cette quantité de chaleur égale à Q3-Q2 .

4. Maintenant à point d'ébullition constant Tkp le liquide bout et s'évapore, se transformant en gaz. Pour convertir toute la masse de liquide en gaz, il faut dépenser l'énérgie thermique en quantité T4-Q3.

5. À la dernière étape, le gaz est chauffé à partir de la température Tkp à une certaine température T2 ... Dans ce cas, le coût de la quantité de chaleur sera Q5-T4 ... (Si nous chauffons le gaz à la température d'ionisation, le gaz se transforme en plasma.)

Ainsi, chauffer le solide d'origine à partir de la température T1 à la température T2 nous avons dépensé de l'énergie thermique d'un montant Q5 , transférant la substance à travers trois états d'agrégation.

En nous déplaçant dans la direction opposée, nous éliminerons la même quantité de chaleur de la substance. Q5, passant par les étapes de condensation, cristallisation et refroidissement à partir de la température T2 à la température T1 ... Bien entendu, nous envisageons un système fermé sans perte d'énergie vers l'environnement extérieur.

Notez qu'une transition de état solide dans un état gazeux, en contournant la phase liquide. Un tel processus est appelé sublimation, et le processus inverse est appelé désublimation.

Ainsi, ils se sont rendu compte que les processus de transitions entre les états d'agrégation de la matière sont caractérisés par la consommation d'énergie à température constante. Lorsqu'une substance est chauffée dans un état d'agrégation constant, la température augmente et de l'énergie thermique est également consommée.

Les principales formules de transfert de chaleur.

Les formules sont très simples.

Quantité de chaleur Q en J est calculé par les formules:

1. Du côté de la consommation de chaleur, c'est-à-dire du côté de la charge:

1.1. Lors du chauffage (refroidissement):

Q = m * c * (T2-T1)

m – masse de substance en kg

de -chaleur spécifique d'une substance en J / (kg * K)

1.2. Lors de la fusion (congélation):

Q = m * λ

λ – chaleur spécifique de fusion et cristallisation d'une substance en J / kg

1.3. Ébullition, évaporation (condensation):

Q = m * r

r – chaleur spécifique de formation de gaz et condensation d'une substance en J / kg

2. Du côté de la production de chaleur, c'est-à-dire du côté de la source:

2.1. Pendant la combustion du carburant:

Q = m * q

q – chaleur spécifique de combustion du carburant en J / kg

2.2. Lors de la conversion de l'électricité en énergie thermique (loi de Joule-Lenz):

Q \u003d t * I * U \u003d t * R * I ^ 2 \u003d (t / R)* U ^ 2

t – temps en s

je – courant effectif en A

U – valeur de tension effective en V

R – résistance de charge en ohms

Nous concluons que la quantité de chaleur est directement proportionnelle à la masse de la substance pendant toutes les transformations de phase et, lorsqu'elle est chauffée, est en outre directement proportionnelle à la différence de température. Les coefficients de proportionnalité ( c , λ , r , q ) pour chaque substance ont leurs propres valeurs et sont déterminées empiriquement (tirées d'ouvrages de référence).

Energie thermique N en W est la quantité de chaleur transférée au système pendant un certain temps:

N \u003d Q / t

Plus vite nous voulons chauffer le corps à une certaine température, plus la source d'énergie thermique doit être puissante - tout est logique.

Calcul dans Excel d'un problème appliqué.

Dans la vie, il est souvent nécessaire de faire une estimation rapide du calcul afin de comprendre s'il est logique de continuer à étudier le sujet, de faire un projet et des calculs précis et détaillés qui demandent beaucoup de travail. Après avoir effectué un calcul en quelques minutes, même avec une précision de ± 30%, vous pouvez prendre une décision de gestion importante, qui sera 100 fois moins chère et 1000 fois plus opérationnelle et, par conséquent, 100000 fois plus efficace que d'effectuer un calcul précis en une semaine, sinon et un mois, par un groupe de spécialistes coûteux ...

Conditions du problème:

Dans les locaux de l'atelier de préparation de métal laminé de 24m x 15m x 7m, nous importons des produits métalliques d'un montant de 3 tonnes depuis un entrepôt dans la rue. Le métal laminé contient de la glace d'un poids total de 20 kg. Dans la rue -37˚С. Combien de chaleur est nécessaire pour chauffer le métal jusqu'à + 18˚С; chauffer la glace, la faire fondre et chauffer l'eau à + 18 ° C; chauffer tout le volume d'air de la pièce, en supposant que le chauffage était complètement éteint auparavant? Quelle capacité le système de chauffage devrait-il avoir si tout ce qui précède doit être fait en 1 heure? (Conditions très dures et presque irréalistes - surtout en ce qui concerne l'air!)

Nous effectuerons le calcul dans le programmeMS Excel ou dans le programmeOOo Calc.

Pour la mise en forme des couleurs des cellules et des polices, voir la page "".

Donnée initiale:

1. Nous écrivons les noms des substances:

à la cellule D3: Acier

à la cellule E3: La glace

dans la cellule F3: L'eau glacée

à la cellule G3: L'eau

à la cellule G3: Air

2. Nous entrons les noms des processus:

dans les cellules D4, E4, G4, G4: chaleur

dans la cellule F4: fusion

3. Chaleur spécifique des substances c en J / (kg * K) on écrit respectivement pour l'acier, la glace, l'eau et l'air

à la cellule D5: 460

à la cellule E5: 2110

à la cellule G5: 4190

à la cellule H5: 1005

4. Chaleur spécifique de fonte de la glace λ en J / kg on entre

dans la cellule F6: 330000

5. Masse de substances m en kg on entre respectivement pour l'acier et la glace

à la cellule D7: 3000

à la cellule E7: 20

Puisque la masse ne change pas lorsque la glace se transforme en eau, alors

dans les cellules F7 et G7: \u003d E7 =20

On trouve la masse d'air par le produit du volume de la pièce et de la gravité spécifique

dans la cellule H7: \u003d 24 * 15 * 7 * 1.23 =3100

6. Temps de traitement t en min on n'écrit qu'une seule fois pour l'acier

à la cellule D8: 60

Les valeurs de temps pour chauffer la glace, la faire fondre et chauffer l'eau résultante sont calculées sur la base que tous ces trois processus doivent être achevés dans la somme pour le même temps alloué pour chauffer le métal. Nous lisons en conséquence

dans la cellule E8: \u003d E12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,7

dans la cellule F8: \u003d F12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =41,0

dans la cellule G8: \u003d G12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,4

L'air doit également se réchauffer pendant le même temps imparti, lire

dans la cellule H8: \u003d D8 =60,0

7. La température initiale de toutes les substances T1 en ˚C on entre

à la cellule D9: -37

à la cellule E9: -37

à la cellule F9: 0

à la cellule G9: 0

à la cellule H9: -37

8. La température finale de toutes les substances T2 en ˚C on entre

à la cellule D10: 18

à la cellule E10: 0

à la cellule F10: 0

à la cellule G10: 18

à la cellule H10: 18

Je pense qu'il ne devrait pas y avoir de questions sur les articles 7 et 8.

Résultats du calcul:

9. Quantité de chaleur Q en KJ requis pour chacun des processus que nous calculons

pour chauffer l'acier dans la cellule D12: \u003d D7 * D5 * (D10-D9) / 1000 =75900

pour chauffer la glace dans le compartiment E12: \u003d E7 * E5 * (E10-E9) / 1000 = 1561

pour faire fondre la glace dans la cellule F12: \u003d F7 * F6 / 1000 = 6600

pour l'eau de chauffage dans la cellule G12: \u003d G7 * G5 * (G10-G9) / 1000 = 1508

pour l'air de chauffage dans la cellule H12: \u003d H7 * H5 * (H10-H9) / 1000 = 171330

La quantité totale d'énergie thermique requise pour tous les processus est lue

dans la cellule fusionnée D13E13F13G13H13: \u003d SUM (D12: H12) = 256900

Dans les cellules D14, E14, F14, G14, H14 et dans la cellule combinée D15E15F15G15H15, la quantité de chaleur est donnée dans l'unité de mesure de l'arc - en Gcal (en giga calories).

10. Energie thermique N en kW, nécessaire pour chacun des processus est calculé

pour chauffer l'acier dans la cellule D16: \u003d D12 / (D8 * 60) =21,083

pour chauffer la glace dans la cellule E16: \u003d E12 / (E8 * 60) = 2,686

pour faire fondre la glace dans la cellule F16: \u003d F12 / (F8 * 60) = 2,686

pour l'eau de chauffage dans la cellule G16: \u003d G12 / (G8 * 60) = 2,686

pour l'air de chauffage dans la cellule H16: \u003d H12 / (H8 * 60) = 47,592

La puissance thermique totale requise pour terminer tous les processus à temps t calculé

dans la cellule fusionnée D17E17F17G17H17: \u003d D13 / (D8 * 60) = 71,361

Dans les cellules D18, E18, F18, G18, H18 et dans la cellule combinée D19E19F19G19H19, la puissance thermique est donnée dans l'unité de mesure de l'arc - en Gcal / heure.

Ceci termine le calcul dans Excel.

Conclusions:

Veuillez noter que chauffer l'air nécessite plus de deux fois plus d'énergie que chauffer la même masse d'acier.

Lors du chauffage de l'eau, la consommation d'énergie est deux fois plus élevée que lors du chauffage de la glace. Le processus de fusion consomme beaucoup plus d'énergie que le processus de chauffage (avec une petite différence de température).

L'eau de chauffage consomme dix fois plus d'énergie thermique que l'acier de chauffage et quatre fois plus que l'air de chauffage.

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Nous nous sommes souvenus des concepts de «quantité de chaleur» et de «puissance thermique», avons examiné les formules fondamentales du transfert de chaleur et analysé un exemple pratique. J'espère que mon langage était simple, clair et intéressant.

J'attends des questions et des commentaires sur l'article!

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