Systèmes de chauffage à air. La chaleur dépensée pour chauffer l'air par cycle Ce qui détermine le chauffage de l'air

Quand le soleil se réchauffe - quand est-il plus haut au-dessus de votre tête ou quand est-il plus bas?

Le soleil se réchauffe davantage lorsqu'il est plus haut. Dans ce cas, les rayons du soleil tombent à droite ou près d'un angle droit.

Quels types de rotation de la Terre connaissez-vous?

La terre tourne autour de son axe et autour du soleil.

Pourquoi y a-t-il un changement de jour et de nuit sur Terre?

Le changement de jour et de nuit est le résultat de la rotation axiale de la Terre.

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.

Le 22 juin, l'angle d'incidence des rayons du soleil au parallèle de 23,50 N. 900, S - 430. Au parallèle de 66,50 de latitude nord. - 470, 66,50 S - angle de glissement.

Le 22 décembre, l'angle d'incidence des rayons du soleil au parallèle de 23,50 N. 430, S - 900. Au parallèle de 66,50 de latitude nord. - angle de rasage, 66,50 S - 470.

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 sur surface de la Terre.

L'air atmosphérique est chauffé à partir de la surface de la terre. Par conséquent, en juin, la surface de la terre se réchauffe et la température atteint un maximum en juillet. Cela arrive aussi en hiver. En décembre, la surface de la terre est refroidie. L'air se refroidit en janvier.

Définir:

température quotidienne moyenne en termes de quatre mesures par jour: -8 ° С, -4 ° С, + 3 ° С, + 1 ° С.

La température moyenne quotidienne est de -20 ° C.

la température annuelle moyenne de Moscou, sur la base des données du tableau.

La température moyenne annuelle est de 50 ° C.

Déterminez l'amplitude quotidienne de la température pour les lectures du thermomètre à la Figure 110, c.

L'amplitude de la température sur la figure est de 180 ° C.

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

La plage de température à Krasnoïarsk est de 360 \u200b\u200b° C.

La plage de température à Saint-Pétersbourg est de 260 ° C.

La plage de température à Krasnoïarsk est 100 ° C plus élevée.

Questions et tâches

1. Comment est le chauffage de l'air atmosphérique?

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.

2. De combien de degrés la température dans la troposphère diminue-t-elle tous les 100 m?

En montant par kilomètre, la température de l'air baisse de 6 ° C. Cela signifie que de 0,60 pour 100 m.

3. Calculez la température de l'air à l'extérieur de l'avion si l'altitude de vol est de 7 km et la température à la surface de la Terre est de + 20 ° C.

La température baissera de 420 lors de l'ascension de 7 km, ce qui signifie que la température à l'extérieur de l'avion sera de -220.

4. Est-il possible de rencontrer un glacier en montagne à une altitude de 2500 m, si la température est de + 250 ° C au pied des montagnes?

La température à une altitude de 2500 m sera de + 100 ° C. Il n'y a pas de glacier à une altitude de 2500 m.

5. Comment et pourquoi la température de l'air change-t-elle pendant la journée?

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.

6. Qu'est-ce qui détermine la différence de réchauffement de la surface de la Terre au cours de l'année?

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 raide, la surface reçoit plus d'énergie solaire, la température de l'air augmente et l'été commence. Lorsque les rayons du soleil sont plus inclinés, la surface se réchauffe légèrement. La température de l'air à ce moment diminue et l'hiver commence. 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.

Les recherches menées au tournant des années 1940-1950 ont permis de développer un certain nombre de solutions aérodynamiques et technologiques garantissant le passage en toute sécurité du mur du son même par des avions de série. Ensuite, il a semblé 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 le chauffage de la structure avion en volant à grande vitesse dans les couches denses de l'atmosphère. Ce nouvel obstacle était autrefois appelé la barrière thermique. Contrairement à la barrière du son, la nouvelle barrière ne peut être qualifiée de 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'aéronef. équipements (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 passant à travers le moteur a une température relativement basse, ce qui empêche un échauffement dangereux des éléments structurels de la cellule. 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. En règle générale, 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. Cela vaut également pour 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. En raison de la compression de l'air, la température n'augmente cependant que localement (principalement le nez du fuselage, le pare-brise du cockpit, et surtout les bords d'attaque de l'aile et de l'empennage), mais atteint plus souvent des valeurs dangereuses 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, 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 donnée dans le tableau. quatre.

En conditions réelles, l'augmentation de la température de la peau de l'avion due à l'échauffement aérodynamique, c'est-à-dire la différence entre la température de décélération et la température ambiante, s'avère un peu plus faible en raison de l'échange de chaleur avec le milieu (par rayonnement), structure voisine En outre, la 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 d'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 qu'une 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 (notamment à basse altitude) est parfois si élevé qu'une augmentation de la température des éléments individuels de la cellule et de l'équipement conduit soit à leur destruction, soit, au moins, à la besoin de changer le 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 470-500 K. à des valeurs aussi élevées peuvent être pleinement appréciées, étant donné que même à des températures d'environ 370 K, le verre organique se ramollit, ce qui est couramment utilisé pour vitrer les cabines, faire bouillir le carburant et ordinaire la colle perd de sa force. 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 fondre 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'émergence de ce nouvel obstacle à l'augmentation de la vitesse de vol, des études ont commencé pour 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 en résulte 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'aéronef, un temps assez long s'écoule généralement du moment où l'avion atteint sa vitesse élevée jusqu'au moment où les éléments structurels individuels se réchauffent à la température du point critique calculée. Lors de 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% en comparaison avec la valeur initiale.

Chiffre: 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 existante peuvent être divisé 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 le cockpit 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 exposées 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 parties 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 différents aéronefs.

Un autre facteur qui affecte considérablement les performances de la structure chauffée de l'aéronef est l'effet des soi-disant contraintes 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 aéronefs, 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, le les parois latérales 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 proposé 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 matériaux de meilleure qualité. 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. Ce n'est que dans certains cas que l'on considère que la vitesse de l'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 le 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, atteignent la surface de la terre, la chauffent 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 de hauteur, 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 ne pas dépasser +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 et se reflètent vers la surface de la terre.

Avec un ciel clair, lorsqu'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: manuel de formation. Partie 1. / E.M. Zubashchenko, V.I. Shmykov, A. Ya. Nemykin, N.V. Polyakov. - Voronej: VSPU, 2007 .-- 183 p.

Tous les processus de la vie sur Terre sont causés par l'énergie thermique. La principale source à partir de laquelle la Terre reçoit l'énérgie thermique, est le soleil. Il émet de l'énergie sous la forme de divers faisceaux - ondes électromagnétiques. Le rayonnement solaire sous forme d'ondes électromagnétiques, se propageant à une vitesse de 300 000 km / s, est appelé, qui se compose de rayons de différentes longueurs transportant la lumière et la chaleur vers la Terre.

Le rayonnement peut être direct et diffus. Sans l'atmosphère, la surface de la terre ne recevrait qu'un rayonnement direct. Par conséquent, le rayonnement provenant directement du Soleil sous forme de lumière directe du soleil et dans un ciel sans nuages \u200b\u200best appelé direct. Il transporte la plus grande quantité de chaleur et de lumière. Mais, en traversant l'atmosphère, les rayons du soleil sont partiellement dispersés, s'écartent du chemin direct en raison de la réflexion des molécules d'air, des gouttelettes d'eau, des particules de poussière et passent dans des rayons allant dans toutes les directions. Un tel rayonnement est appelé diffus. Par conséquent, il y a de la lumière dans les endroits où la lumière directe du soleil (rayonnement direct) ne pénètre pas (couvert forestier, côté ombragé des rochers, des montagnes, des bâtiments, etc.). Le rayonnement diffus détermine la couleur du ciel. Tout rayonnement solaire atteignant la surface de la terre, c'est-à-dire direct et dispersé, appelé total. La surface de la terre, absorbant le rayonnement solaire, se réchauffe et devient elle-même une source de rayonnement thermique dans l'atmosphère. Il est appelé rayonnement terrestre, ou rayonnement terrestre, et est largement retenu par la basse atmosphère. Le rayonnement solaire absorbé par la surface de la terre est dépensé pour chauffer l'eau, le sol, l'air, l'évaporation et le rayonnement dans l'atmosphère. Terreux plutôt que de définir régime de température troposphère, c'est-à-dire les rayons du soleil qui traversent tout ne le chauffent pas. La plus grande quantité de chaleur est reçue et chauffée aux températures les plus élevées par les couches inférieures de l'atmosphère, directement adjacentes à la source de chaleur - la surface de la terre. Le chauffage diminue avec la distance de la surface de la terre. C'est pourquoi dans la troposphère avec la hauteur, il diminue en moyenne de 0,6 ° С pour 100 m d'élévation. C'est un modèle général pour la troposphère. Il y a des moments où les couches d'air sus-jacentes sont plus chaudes que les couches sous-jacentes. Ce phénomène est appelé inversion de température.

Le chauffage de la surface de la terre diffère considérablement non seulement en hauteur. Montant total radiation solaire dépend directement de l'angle d'incidence des rayons du soleil: plus cette valeur est proche de 90 °, plus la surface de la terre reçoit d'énergie solaire.

À son tour, l'angle d'incidence de la lumière du soleil sur un certain point de la surface de la terre est déterminé par sa latitude. La force du rayonnement solaire direct dépend de la longueur du chemin parcouru par les rayons du soleil dans l'atmosphère. Lorsque le Soleil est à son zénith (près de l'équateur), ses rayons tombent verticalement sur la surface de la terre, c'est-à-dire vaincre l'atmosphère par le chemin le plus court (à 90 °) et donner intensément leur énergie à une petite zone. Alors que vous vous éloignez de zone équatoriale au sud ou au nord, la longueur du trajet des rayons du soleil augmente, c'est-à-dire l'angle de leur incidence sur la surface de la terre diminue. De plus en plus de rayons commencent à glisser le long de la Terre et se rapprochent de la tangente dans la région des pôles. Dans ce cas, le même faisceau d'énergie est diffusé sur une grande surface et la quantité d'énergie réfléchie augmente. Ainsi, là où les rayons du soleil frappent la surface de la terre à un angle de 90 °, elle est constamment élevée et, à mesure qu'elle se déplace vers les pôles, elle devient plus froide. C'est aux pôles, là où les rayons du soleil tombent à un angle de 180 ° (c'est-à-dire tangentiellement), qu'il y a le moins de chaleur.

Une telle répartition inégale de la chaleur sur la Terre, en fonction de la latitude du lieu, permet de distinguer cinq zones de chaleur: une chaude, deux et deux froides.

Les conditions de chauffage de l'eau et du sol par rayonnement solaire sont très différentes. La capacité calorifique de l'eau est le double de celle de la terre. Cela signifie qu'avec la même quantité de chaleur, la terre se réchauffe deux fois plus vite que l'eau, et lorsqu'elle refroidit, c'est l'inverse qui se produit. De plus, l'eau s'évapore lorsqu'elle est chauffée, ce qui consomme une quantité considérable de chaleur. Sur terre, la chaleur n'est concentrée que dans sa couche supérieure, seule une petite partie de celle-ci est transférée en profondeur. Dans l'eau, les rayons chauffent immédiatement une épaisseur importante, ce qui est facilité par le mélange vertical de l'eau. En conséquence, l'eau accumule beaucoup plus de chaleur que la terre, la conserve plus longtemps et l'utilise plus uniformément que la terre. Il chauffe plus lentement et se refroidit plus lentement.

La surface terrestre est hétérogène. Son chauffage dépend en grande partie de propriétés physiques sols et glace, exposition (angle d'inclinaison des terres par rapport aux rayons solaires incidents) des pentes. Les particularités de la surface sous-jacente déterminent la nature différente du changement des températures de l'air au cours de la journée et de l'année. Les plus basses températures l'air pendant la journée sur terre sont notés peu avant le lever du soleil (pas d'afflux de rayonnement solaire et de fort rayonnement terrestre la nuit). Les plus élevés sont l'après-midi (14-15 heures). Au cours de l'année dans l'hémisphère nord, les températures de l'air les plus élevées sur terre sont enregistrées en juillet et les plus basses en janvier. Au-dessus de la surface de l'eau, la température quotidienne maximale de l'air est décalée et est notée 15 à 16 heures et au moins 2 à 3 heures après le lever du soleil. Le maximum annuel (dans l'hémisphère nord) est en août et le minimum est en février.

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-auto, 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 caloporteur intermédiaire permet d'abandonner la construction et l'entretien d'un système de chauffe-eau, ce qui est 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 grands locaux à l'aide de générateurs de chaleur est l'une des moins chères et des plus rapides mises en œuvre. Le coût en capital de la construction ou de la rénovation d'un système de ventilation est généralement nettement inférieur au coût d'organisation de l'eau chaude 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 combustible, 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 d'alimentation, 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 est 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 y a la possibilité 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 dans différentes branches du conduit 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 la 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 de l'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'automatisation des appareils de chauffage permet un démarrage automatique en douceur selon le cyclogramme, le contrôle des paramètres travail sûr et la possibilité d'une régulation en douceur de la puissance thermique (1: 4), qui vous 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 d'alimentation 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;
• chariots de chauffage et de dégivrage, citernes, voitures, matériaux en vrac, produits de chauffage et de séchage 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 économie, capacité à chauffer à des températures élevées, un degré élevé d'automatisation, un contrôle en douceur, 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, les fonctions des modes de programmation de chauffage journalier et hebdomadaire.

Il est également possible d'inclure les paramètres du système de chauffage, composé 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 (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, à partir des capacités financières. Nous essaierons de former les principes les plus généraux pour la sélection appropriée des équipements.

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

La puissance thermique totale des générateurs de chaleur dans ce cas 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 chaleur de chauffage indirect avec recirculation totale ou partielle de l'air intérieur dans la pièce.

La ventilation dans de telles pièces peut être naturelle ou avec un mélange d'air extérieur et d'air recyclé. 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 par 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 ° C avec recirculation complète.

2. Systèmes de chauffage pour pièces avec un taux de renouvellement d'air élevé, nécessitant constamment l'apport de grands volumes d'air frais 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 le plus opportun et le 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 + 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 d'alimentation et transférer le reste en mode veille de maintien de + 2-5 ° C.

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 aérothermes à 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 d'un système de chauffage d'appoint avec un 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.