Sistemas de aquecimento de ar. O calor gasto no aquecimento do ar por ciclo O que determina o aquecimento do ar

Quando o sol fica mais quente - quando está mais alto acima de sua cabeça ou quando está mais baixo?

O sol esquenta mais quando está mais alto. Nesse caso, os raios do sol incidem na direita ou próximos a um ângulo reto.

Que tipo de rotação da Terra você conhece?

A Terra gira em torno de seu eixo e em torno do sol.

Por que há mudança de dia e noite na Terra?

A mudança do dia e da noite é o resultado da rotação axial da Terra.

Determine como o ângulo de incidência dos raios solares em 22 de junho e 22 de dezembro nos paralelos 23,5 ° N difere. sh. e y. W .; nos paralelos 66,5 ° N sh. e y. sh.

22 de junho, o ângulo de incidência dos raios solares no paralelo de 23,50 N. 900, S - 430. No paralelo de 66,50 latitude norte. - 470, 66,50 S - ângulo de deslizamento.

22 de dezembro, o ângulo de incidência dos raios solares no paralelo de 23,50 N. 430, S - 900. No paralelo de 66,50 latitude norte. - ângulo rasante, 66,50 S - 470.

Considere por que os meses mais quentes e mais frios não são junho e dezembro, quando os raios solares têm os maiores e menores ângulos de incidência em superfície Terrestre.

O ar atmosférico é aquecido da superfície da Terra. Portanto, em junho, a superfície da Terra se aquece e a temperatura atinge o máximo em julho. Isso também acontece no inverno. Em dezembro, a superfície da Terra é resfriada. O ar esfria em janeiro.

Definir:

temperatura média diária em termos de quatro medições por dia: -8 ° С, -4 ° С, + 3 ° С, + 1 ° С.

A temperatura média diária é de -20C.

a temperatura média anual de Moscou, usando os dados da tabela.

A temperatura média anual é de 50 ° C.

Determine a amplitude de temperatura diária para as leituras do termômetro na Figura 110, c.

A amplitude da temperatura na figura é 180 ° C.

Determine em quantos graus a amplitude anual em Krasnoyarsk é maior do que em São Petersburgo, se temperatura média Julho em Krasnoyarsk + 19 ° С, e em janeiro -17 ° С; em São Petersburgo + 18 ° С e -8 ° С, respectivamente.

A faixa de temperatura em Krasnoyarsk é 360 ° C.

A faixa de temperatura em São Petersburgo é 260C.

A faixa de temperatura em Krasnoyarsk é 100 ° C mais alta.

Perguntas e tarefas

1. Como ocorre o aquecimento do ar atmosférico?

Passando pelos raios do sol, a atmosfera deles dificilmente esquenta. A superfície da Terra se aquece e ela mesma se torna uma fonte de calor. É a partir dele que o ar atmosférico é aquecido.

2. Em quantos graus a temperatura na troposfera diminui a cada 100 m?

Ao subir pa a cada quilômetro, a temperatura do ar cai 6 ° C. Isso significa que em 0,60 para cada 100 m.

3. Calcule a temperatura do ar fora do avião se a altitude de vôo for 7 km e a temperatura na superfície da Terra for + 20 ° C.

A temperatura cairá 420 durante a subida de 7 km, o que significa que a temperatura fora do avião será -220.

4. É possível encontrar um glaciar nas montanhas a uma altitude de 2500 m no verão se a temperatura for de + 250ºC no sopé das montanhas?

A temperatura a uma altitude de 2500 m será de + 100ºC. Não há geleira a uma altitude de 2500 m.

5. Como e por que a temperatura do ar muda durante o dia?

Durante o dia, os raios do sol iluminam a superfície da Terra e a aquecem, e o ar aquece a partir dela. À noite, o fluxo de energia solar para e a superfície gradualmente esfria com o ar. O sol nasce mais alto acima do horizonte ao meio-dia. Nesse momento, entra a maior parte da energia solar. No entanto, a temperatura mais alta é observada 2-3 horas após o meio-dia, uma vez que leva tempo para transferir calor da superfície da Terra para a troposfera. A temperatura mais fria ocorre antes do nascer do sol.

6. O que determina a diferença no aquecimento da superfície da Terra durante o ano?

Durante o ano, na mesma área, os raios solares incidem sobre a superfície de diferentes formas. Quando o ângulo de incidência dos raios é mais acentuado, a superfície recebe mais energia solar, a temperatura do ar sobe e o verão começa. Quando os raios do sol são mais inclinados, a superfície aquece ligeiramente. A temperatura do ar nessa época diminui e o inverno começa. O mês mais quente no Hemisfério Norte é julho, enquanto o mês mais frio é janeiro. No hemisfério sul, ocorre o contrário: o mês mais frio do ano é julho e o mais quente é janeiro.

Pesquisas realizadas na virada dos anos 1940-1950 possibilitaram o desenvolvimento de uma série de soluções aerodinâmicas e tecnológicas que garantem a passagem segura da barreira do som mesmo em aeronaves em série. Então parecia que a conquista da barreira do som cria possibilidades ilimitadas para aumentar ainda mais a velocidade de vôo. Em apenas alguns anos, cerca de 30 tipos de aeronaves supersônicas foram voados, dos quais um número significativo foi colocado em produção em massa.

A variedade de soluções usadas levou ao fato de que muitos problemas associados a voos em altas velocidades supersônicas foram amplamente estudados e resolvidos. No entanto, novos problemas foram encontrados, muito mais complexos do que a barreira do som. Eles são causados \u200b\u200bpelo aquecimento da estrutura aeronave ao voar em alta velocidade nas camadas densas da atmosfera. Este novo obstáculo já foi chamado de barreira térmica. Ao contrário da barreira do som, a nova barreira não pode ser caracterizada como constante, semelhante à velocidade do som, uma vez que depende tanto dos parâmetros de voo (velocidade e altitude) e do design da fuselagem (soluções de design e materiais usados), e do equipamento da aeronave (ar condicionado, sistemas de refrigeração, etc.). P.). Assim, o conceito de "barreira térmica" inclui não apenas o problema do aquecimento perigoso da estrutura, mas também questões como transferência de calor, propriedades de resistência dos materiais, princípios de design, ar condicionado, etc.

O aquecimento da aeronave em vôo ocorre principalmente por dois motivos: pela desaceleração aerodinâmica do fluxo de ar e pela liberação de calor do sistema de propulsão. Ambos os fenômenos constituem o processo de interação entre o meio (ar, gases de exaustão) e um corpo sólido aerodinâmico (aeronave, motor). O segundo fenômeno é típico de todas as aeronaves e está associado ao aumento da temperatura dos elementos estruturais do motor, que recebem calor do ar comprimido no compressor, bem como dos produtos de combustão da câmara e do escapamento. Ao voar em altas velocidades, o aquecimento interno da aeronave também ocorre a partir da frenagem a ar no canal de ar em frente ao compressor. Ao voar em baixas velocidades, o ar que passa pelo motor tem uma temperatura relativamente baixa, como resultado do qual o aquecimento perigoso dos elementos estruturais da fuselagem não ocorre. Em altas velocidades de vôo, o aquecimento da estrutura da fuselagem por elementos quentes do motor é limitado pelo resfriamento adicional com ar de baixa temperatura. Normalmente, utiliza-se o ar retirado da entrada de ar por meio de uma guia que separa a camada limite, bem como o ar capturado da atmosfera por meio de entradas adicionais localizadas na superfície da nacela do motor. Os motores de circuito duplo também usam ar externo (frio) para resfriamento.

Assim, o nível da barreira térmica para aeronaves supersônicas é determinado por aquecimento aerodinâmico externo. A intensidade do aquecimento da superfície em uma corrente de ar depende da velocidade do vôo. Em velocidades baixas, esse aquecimento é tão insignificante que o aumento da temperatura pode não ser levado em consideração. Em alta velocidade, o fluxo de ar tem alta energia cinética e, portanto, o aumento de temperatura pode ser significativo. Isso também se aplica à temperatura interna da aeronave, uma vez que o fluxo em alta velocidade, desacelerado na entrada de ar e comprimido no compressor do motor, torna-se tão quente que não consegue retirar o calor das partes quentes do motor.

Um aumento na temperatura do revestimento da aeronave como resultado do aquecimento aerodinâmico é causado pela viscosidade do ar que flui ao redor da aeronave, bem como por sua compressão nas superfícies frontais. Devido à perda de velocidade pelas partículas de ar na camada limite como resultado do atrito viscoso, a temperatura de toda a superfície aerodinâmica da aeronave aumenta. Como resultado da compressão do ar, a temperatura sobe, porém, apenas localmente (principalmente no nariz da fuselagem, para-brisa da cabine e principalmente nas bordas dianteiras da asa e empenagem), mas com mais frequência atinge valores que não são seguros para a estrutura. Neste caso, em alguns locais ocorre uma colisão quase direta do fluxo de ar com a superfície e frenagem dinâmica completa. De acordo com o princípio de conservação de energia, toda a energia cinética do fluxo é então convertida em calor e energia de pressão. O aumento correspondente na temperatura é diretamente proporcional ao quadrado da velocidade do fluxo antes da desaceleração (ou, excluindo o vento, ao quadrado da velocidade do avião) e inversamente proporcional à altitude de vôo.

Teoricamente, se o fluxo for constante, o tempo estiver calmo e sem nuvens, e não houver transferência de calor por radiação, então o calor não penetra na estrutura e a temperatura da pele fica próxima da chamada temperatura de frenagem adiabática. Sua dependência do número de Mach (velocidade e altitude) é dada na Tabela. 4

Em condições reais, o aumento na temperatura do revestimento da aeronave devido ao aquecimento aerodinâmico, ou seja, a diferença entre a temperatura de desaceleração e a temperatura ambiente, acaba sendo um pouco menor devido à troca de calor com o meio (por meio de radiação), elementos estruturais vizinhos, etc. Além disso, ocorre desaceleração completa do fluxo apenas nos chamados pontos críticos localizados nas partes salientes da aeronave, e o fluxo de calor para a pele também depende da natureza da camada limite de ar (é mais intenso para uma camada limite turbulenta). Uma diminuição significativa da temperatura também ocorre ao voar através das nuvens, especialmente quando elas contêm gotículas de água super-resfriadas e cristais de gelo. Para tais condições de voo, assume-se que a diminuição da temperatura da pele no ponto crítico em comparação com a temperatura de estagnação teórica pode chegar a 20-40%.

No entanto, o aquecimento geral de uma aeronave em vôo em velocidades supersônicas (especialmente em baixas altitudes) às vezes é tão alto que um aumento na temperatura de elementos individuais da fuselagem e do equipamento leva à sua destruição ou, pelo menos, à necessidade de alterar o modo de voo. Por exemplo, ao investigar a aeronave KhV-70A em voos em altitudes de mais de 21.000 m a uma velocidade de M \u003d 3, a temperatura das bordas de ataque da entrada de ar e bordas de ataque da asa era 580-605 K, e o resto da pele era 470-500 K. a valores tão grandes podem ser totalmente apreciados, dado o fato de que mesmo em temperaturas de cerca de 370 K o vidro orgânico amolece, que é comumente usado para cabines de envidraçamento, ferve o combustível e a cola comum perde sua resistência. A 400 K, a resistência do duralumínio é significativamente reduzida, a 500 K a decomposição química do fluido de trabalho no sistema hidráulico e a destruição das vedações ocorrem, a 800 K as ligas de titânio perdem as propriedades mecânicas necessárias, em temperaturas acima de 900 K de alumínio e magnésio fundem e o aço amolece. Um aumento na temperatura também leva à destruição de revestimentos, dos quais anodização e cromagem podem ser usados \u200b\u200baté 570 K, niquelado até 650 K e prata até 720 K.

Após o surgimento deste novo obstáculo ao aumento da velocidade de voo, começaram os estudos para eliminar ou mitigar suas consequências. As formas de proteger a aeronave dos efeitos do aquecimento aerodinâmico são determinadas por fatores que evitam o aumento da temperatura. Além da altitude de vôo e das condições atmosféricas, um efeito significativo no grau de aquecimento da aeronave é exercido por:

- coeficiente de condutividade térmica do material da pele;

- o tamanho da superfície (especialmente a frontal) da aeronave; -hora do voo.

Conclui-se que as formas mais simples de reduzir o aquecimento da estrutura são aumentar a altitude de vôo e limitar sua duração ao mínimo. Esses métodos foram usados \u200b\u200bnas primeiras aeronaves supersônicas (especialmente nas experimentais). Devido à condutividade térmica e capacidade de calor bastante elevadas dos materiais usados \u200b\u200bpara a fabricação de elementos estressados \u200b\u200bpor calor da estrutura da aeronave, um tempo bastante longo geralmente decorre do momento em que a aeronave atinge uma alta velocidade até o momento em que os elementos estruturais individuais aquecem até a temperatura de projeto do ponto crítico. Em voos com duração de vários minutos (mesmo em baixas altitudes), as temperaturas destrutivas não são atingidas. O voo em grandes altitudes ocorre em condições de baixa temperatura (cerca de 250 K) e baixa densidade do ar. Como resultado, a quantidade de calor emitida pelo fluxo para as superfícies da aeronave é pequena e a troca de calor é mais demorada, o que alivia significativamente o problema. Um resultado semelhante é obtido limitando a velocidade da aeronave em baixas altitudes. Por exemplo, durante o voo sobre o solo a uma velocidade de 1600 km / h, a resistência do duralumínio diminui em apenas 2% e um aumento na velocidade para 2.400 km / h leva a uma diminuição em sua resistência em até 75% em comparação com o valor inicial.

Figura: 1,14. Distribuição da temperatura no canal de ar e no motor da aeronave Concorde durante o vôo com M \u003d 2.2 (a) e a temperatura do revestimento da aeronave XB-70A durante o vôo a uma velocidade constante de 3200 km / h (b).

No entanto, a necessidade de garantir condições de operação seguras em toda a faixa de velocidades e altitudes de vôo utilizadas obriga os projetistas a buscar os meios técnicos adequados. Uma vez que o aquecimento dos elementos estruturais da aeronave provoca uma diminuição nas propriedades mecânicas dos materiais, a ocorrência de tensões térmicas na estrutura, bem como uma deterioração nas condições de trabalho da tripulação e equipamentos, tais meios técnicos utilizados na prática existente podem ser divididos em três grupos. Eles incluem, portanto, o uso de 1) materiais resistentes ao calor, 2) soluções de design que fornecem o isolamento térmico necessário e a deformação permitida das peças, e 3) sistemas de resfriamento para a cabine do piloto e compartimentos de equipamentos.

Em aviões com uma velocidade máxima de M \u003d 2,0-1-2,2, as ligas de alumínio (duralumínio) são amplamente utilizadas, as quais são caracterizadas por resistência relativamente alta, baixa densidade e preservação das propriedades de resistência com um ligeiro aumento na temperatura. Durals são geralmente suplementados com ligas de aço ou titânio, a partir das quais são feitas as partes da fuselagem que são expostas às maiores cargas mecânicas ou térmicas. As ligas de titânio já eram usadas na primeira metade dos anos 50, primeiro em uma escala muito pequena (agora algumas partes podem chegar a 30% da massa da fuselagem). Em aeronaves experimentais com M ~ 3, torna-se necessário o uso de ligas de aço resistentes ao calor como principal material estrutural. Esses aços retêm boas propriedades mecânicas em altas temperaturas, típicas para voos em velocidades hipersônicas, mas suas desvantagens são alto custo e alta densidade. Essas deficiências, de certa forma, limitam o desenvolvimento de aeronaves de alta velocidade, por isso outros materiais estão sendo pesquisados.

Na década de 70, foram realizados os primeiros experimentos com o uso de berílio na construção de aeronaves, além de materiais compostos à base de boro ou fibras de carbono. Esses materiais ainda apresentam um custo elevado, mas ao mesmo tempo são caracterizados pela baixa densidade, alta resistência e rigidez, além de significativa resistência ao calor. Exemplos de aplicações específicas desses materiais na construção de fuselagens são dados nas descrições de aeronaves individuais.

Outro fator que afeta significativamente o desempenho da estrutura aquecida da aeronave é o efeito das chamadas tensões térmicas. Eles surgem como resultado de diferenças de temperatura entre as superfícies externa e interna dos elementos e, principalmente, entre a pele e os elementos estruturais internos da aeronave. O aquecimento da superfície da fuselagem leva à deformação de seus elementos. Por exemplo, pode ocorrer empenamento da pele da asa, o que levará a uma mudança nas características aerodinâmicas. Portanto, em muitas aeronaves, pele de multicamadas soldada (às vezes colada) é usada, que é caracterizada por alta rigidez e boas propriedades de isolamento, ou elementos da estrutura interna com compensadores apropriados são usados \u200b\u200b(por exemplo, na aeronave F-105, as paredes dos membros laterais são feitas de folha ondulada). Existem também experiências conhecidas de resfriamento de asas com combustível (por exemplo, na aeronave X-15) fluindo sob a pele no caminho do tanque para os bicos da câmara de combustão. No entanto, em altas temperaturas, o combustível geralmente sofre coque, de modo que tais experimentos podem ser considerados malsucedidos.

Vários métodos estão sendo investigados, incluindo a aplicação de uma camada isolante de materiais refratários por pulverização de plasma. Outros métodos considerados promissores não encontraram aplicação. Entre outras coisas, foi sugerido o uso de “ camada protetora”Criado pelo sopro de gás na pele, resfriando por“ suor ”ao fornecer um líquido com alta temperatura de evaporação à superfície através da pele porosa e resfriamento criado pela fusão e arrastamento de uma parte da pele (materiais ablativos).

Uma tarefa bastante específica e ao mesmo tempo muito importante é manter a temperatura adequada na cabine e nos compartimentos dos equipamentos (especialmente eletrônicos), bem como a temperatura dos sistemas de combustível e hidráulico. Atualmente, este problema está sendo resolvido através da utilização de sistemas de ar condicionado, refrigeração e refrigeração de alto desempenho, isolamento térmico eficaz, utilização de fluidos de trabalho de sistemas hidráulicos com alta temperatura de evaporação, etc.

Os problemas de barreira térmica devem ser tratados de maneira abrangente. Qualquer progresso nesta área empurra a barreira para este tipo de aeronave em direção a uma maior velocidade de vôo, não excluindo-a como tal. Porém, a busca por velocidades ainda maiores leva à criação de estruturas e equipamentos ainda mais complexos, exigindo a utilização de materiais de maior qualidade. Isso tem um impacto significativo no peso, custo de compra e custos de operação e manutenção da aeronave.

Dos dados na tabela. 2 dessas aeronaves de caça, pode-se verificar que na maioria dos casos a velocidade máxima de 2.200-2600 km / h foi considerada racional. Apenas em alguns casos é considerado que a velocidade da aeronave deve exceder M ~ 3. Aviões capazes de desenvolver tais velocidades incluem as aeronaves experimentais X-2, XB-70A e T. 188, a aeronave de reconhecimento SR-71 e a aeronave E-266.

1* Refrigeração é a transferência forçada de calor de uma fonte fria para um ambiente com alta temperatura, enquanto se opõe artificialmente à direção natural do movimento do calor (de um corpo quente para um frio, quando ocorre o processo de resfriamento). A geladeira mais simples é uma geladeira doméstica.

Eles passam pela atmosfera transparente sem aquecê-la, alcançam a superfície da terra, aquecem-na e a partir dela o ar é posteriormente aquecido.

O grau de aquecimento da superfície e, portanto, do ar, depende principalmente da latitude da área.

Mas em cada ponto específico, ele (t cerca) também será determinado por uma série de fatores, entre os quais os principais são:

A: altitude acima do nível do mar;

B: superfície subjacente;

B: distância das costas dos oceanos e mares.

A - Como o ar é aquecido da superfície da Terra, quanto mais baixas as alturas absolutas da área, maior a temperatura do ar (em uma latitude). Em condições de ar não saturado com vapor d'água, observa-se uma regularidade: ao subir a cada 100 metros de altitude, a temperatura (t o) diminui 0,6 o C.

B - Características qualitativas da superfície.

B 1 - superfícies com cores e estruturas diferentes absorvem e refletem os raios solares de maneiras diferentes. A refletividade máxima é típica para neve e gelo, a mínima para solos e rochas de cor escura.

Iluminação da Terra pelos raios do sol nos dias dos solstícios e equinócios.

B 2 - superfícies diferentes têm capacidade e transferência de calor diferentes. Portanto, a massa de água do Oceano Mundial, que ocupa 2/3 da superfície da Terra, aquece muito lentamente e esfria muito lentamente devido à sua alta capacidade de calor. O solo aquece rapidamente e esfria rapidamente, ou seja, para aquecer ao mesmo t cerca de 1 m 2 de terreno e 1 m 2 de superfície da água, é necessário gastar uma quantidade diferente de energia.

B - das costas para o interior dos continentes, a quantidade de vapor d'água no ar diminui. Quanto mais transparente a atmosfera, menos os raios do sol são espalhados nela, e todos os raios do sol atingem a superfície da Terra. Na presença de grande quantidade de vapor d'água no ar, as gotas d'água refletem, se espalham, absorvem os raios solares, e nem todos chegam à superfície do planeta, enquanto seu aquecimento diminui.

As mais altas temperaturas do ar foram registradas em áreas de desertos tropicais. Nas regiões centrais do Saara, há quase 4 meses, a temperatura do ar à sombra é superior a 40 ° C. Ao mesmo tempo, no equador, onde o ângulo de incidência dos raios solares é maior, a temperatura não ultrapassa os +26 ° C.

Por outro lado, a Terra, como um corpo aquecido, irradia energia para o espaço principalmente no espectro infravermelho de ondas longas. Se a superfície da Terra está envolta em um "cobertor" de nuvens, nem todos os raios infravermelhos deixam o planeta, pois as nuvens os retêm, refletindo de volta à superfície da Terra.

Com céu limpo, quando há pouco vapor d'água na atmosfera, os raios infravermelhos emitidos pelo planeta vão livremente para o espaço, enquanto a superfície da Terra é resfriada, o que esfria e, com isso, a temperatura do ar diminui.

Literatura

1. Zubashchenko E.M. Geografia física regional. Climas da Terra: auxílio didático. Parte 1. / E.M. Zubashchenko, V.I. Shmykov, A. Ya. Nemykin, N.V. Polyakova. - Voronezh: VSPU, 2007 .-- 183 p.

Todos os processos vitais na Terra são causados \u200b\u200bpor energia térmica. A principal fonte de onde a Terra recebe energia térmica, é o sol. Ele emite energia na forma de vários feixes - ondas eletromagnéticas. É chamada a radiação do Sol na forma de ondas eletromagnéticas, propagando-se a uma velocidade de 300.000 km / s, que consiste em raios de vários comprimentos, que transportam luz e calor para a Terra.

A radiação pode ser direta e difusa. Sem a atmosfera, a superfície da Terra receberia apenas radiação direta. Portanto, a radiação vinda diretamente do Sol na forma de luz solar direta e em um céu sem nuvens é chamada de direta. Ele carrega a maior quantidade de calor e luz. Mas, ao passar pela atmosfera, os raios solares são parcialmente dispersos, desviados do caminho direto em decorrência da reflexão de moléculas de ar, gotículas de água, partículas de poeira e passam em raios que vão em todas as direções. Essa radiação é chamada de difusa. Portanto, é luz também naqueles lugares onde a luz solar direta (radiação direta) não penetra (copa da floresta, lado sombreado de rochas, montanhas, edifícios, etc.). A radiação espalhada também determina a cor do céu. Toda a radiação solar que atinge a superfície da Terra, ou seja, direto e disperso, denominado total. A superfície da Terra, absorvendo a radiação solar, se aquece e se torna uma fonte de radiação de calor para a atmosfera. É chamada de radiação terrestre, ou radiação terrestre, e é amplamente retida pela baixa atmosfera. A radiação do Sol absorvida pela superfície da Terra é gasta no aquecimento de água, solo, ar, evaporação e radiação para a atmosfera. Terroso em vez de definir regime de temperatura troposfera, ou seja, os raios do sol que passam por tudo não o aquecem. A maior quantidade de calor é recebida e aquecida às temperaturas mais altas pelas camadas inferiores da atmosfera, diretamente adjacentes à fonte de calor - a superfície da Terra. O aquecimento diminui com a distância da superfície terrestre. É por isso que na troposfera com altura ela diminui em média 0,6 ° С para cada 100 m de elevação. Este é um padrão geral para a troposfera. Há momentos em que as camadas de ar subjacentes são mais quentes do que as subjacentes. Este fenômeno é denominado inversão de temperatura.

O aquecimento da superfície terrestre difere significativamente, não apenas na altura. Valor total radiação solar depende diretamente do ângulo de incidência dos raios do Sol. Quanto mais próximo esse valor estiver de 90 °, mais energia solar a superfície da Terra receberá.

Por sua vez, o ângulo de incidência da luz solar em um determinado ponto da superfície terrestre é determinado por sua latitude. A intensidade da radiação solar direta depende da extensão do caminho que os raios solares percorrem na atmosfera. Quando o Sol está no zênite (perto do equador), seus raios caem verticalmente na superfície da Terra, ou seja, superar a atmosfera pelo caminho mais curto (a 90 °) e dar intensamente sua energia a uma pequena área. Conforme você se afasta de zona equatorial para o sul ou norte, o comprimento do caminho dos raios do sol aumenta, ou seja, o ângulo de sua incidência na superfície da Terra diminui. Mais e mais raios começam a deslizar ao longo da Terra e se aproximar da linha tangente na região dos pólos. Nesse caso, o mesmo feixe de energia é espalhado por uma grande área e a quantidade de energia refletida aumenta. Assim, onde os raios do sol atingem a superfície da Terra em um ângulo de 90 °, ele está constantemente alto e, à medida que viaja para os pólos, fica mais frio. É nos pólos, onde os raios do sol incidem em um ângulo de 180 ° (ou seja, tangencialmente), onde o calor é mínimo.

Essa distribuição desigual do calor na Terra, dependendo da latitude do local, permite distinguir cinco zonas de calor: uma quente, duas e duas frias.

As condições de aquecimento de água e solo por radiação solar são muito diferentes. A capacidade térmica da água é o dobro da terra. Isso significa que, com a mesma quantidade de calor, a terra esquenta duas vezes mais rápido que a água e, quando resfriada, ocorre o contrário. Além disso, a água evapora quando aquecida, o que consome uma quantidade considerável de calor. Em terra, o calor concentra-se apenas na camada superior, apenas uma pequena parte dele é transferida para o fundo. Na água, os raios aquecem imediatamente uma espessura significativa, o que é facilitado pela mistura vertical da água. Como resultado, a água acumula calor muito mais do que a terra, o retém por mais tempo e o usa de maneira mais uniforme do que a terra. Ele aquece mais lentamente e esfria mais lentamente.

A superfície da terra é heterogênea. Seu aquecimento depende muito de propriedades físicas solos e, gelo, declives de exposição (ângulo de inclinação das áreas de terra em relação aos raios solares incidentes). As peculiaridades da superfície subjacente determinam a natureza diferente da mudança nas temperaturas do ar durante o dia e o ano. A maioria baixas temperaturas ar durante o dia na terra são notados pouco antes do nascer do sol (nenhum influxo de radiação solar e forte radiação terrestre à noite). As maiores são no período da tarde (14-15 horas). Durante o ano no Hemisfério Norte, as temperaturas mais altas do ar na terra são registradas em julho e as mais baixas em janeiro. Acima da superfície da água, a temperatura máxima diária do ar é alterada e é observada em 15-16 horas, e pelo menos 2-3 horas após o nascer do sol. O máximo anual (no Hemisfério Norte) é em agosto e o mínimo em fevereiro.

Em vários casos, é possível reduzir significativamente os custos de capital e operacionais, fornecendo aquecimento autônomo de instalações com ar quente com base no uso de geradores de calor a gás ou combustível líquido. Nessas unidades, não é aquecida a água, mas sim o ar fresco, recirculado ou misturado. Este método é especialmente eficaz para fornecer aquecimento autônomo de instalações industriais, pavilhões de exposição, oficinas, garagens, estações de serviço, lavagens de automóveis, estúdios de cinema, armazéns, edifícios públicos, ginásios, supermercados, estufas, estufas, complexos de gado, aviários, etc.

Benefícios do aquecimento do ar

Existem muitas vantagens do método de aquecimento do ar sobre o aquecimento tradicional de água em grandes salas, listaremos apenas as principais:

1. Lucratividade. O calor é produzido diretamente na sala aquecida e é quase totalmente consumido para o fim a que se destina. Graças à combustão direta do combustível sem um portador de calor intermediário, uma alta eficiência térmica de todo o sistema de aquecimento é alcançada: 90-94% - para aquecedores recuperativos e quase 100% - para sistemas de aquecimento direto. O uso de termostatos programáveis \u200b\u200boferece a possibilidade de economia adicional de 5 a 25% da energia térmica devido à função "modo de espera" - manutenção automática da temperatura ambiente fora do horário de trabalho ao nível de + 5-7 ° С.
2. Possibilidade de "ligar" a ventilação de alimentação. Não é segredo que hoje, na maioria das empresas, a ventilação de abastecimento não funciona bem, o que piora significativamente as condições de trabalho das pessoas e afeta a produtividade do trabalho. Geradores de calor ou sistemas de aquecimento direto aquecem o ar em ∆t até 90 ° C - isso é o suficiente para "forçar" a ventilação de alimentação a funcionar mesmo no Extremo Norte. Assim, o aquecimento do ar implica não só eficiência económica, mas também uma melhoria da situação ambiental e das condições de trabalho.
3. Pequena inércia. As unidades de sistemas de aquecimento de ar entram em funcionamento em questão de minutos, e devido à alta rotação do ar, a sala está completamente aquecida em apenas algumas horas. Isso torna possível manobrar de forma rápida e flexível quando a demanda de calor muda.
4. A ausência de um portador de calor intermediário permite abandonar a construção e manutenção de um sistema de aquecimento de água, que é ineficaz para grandes salas, uma sala de caldeiras, redes de aquecimento e uma estação de tratamento de água. Excluem-se as perdas na rede de aquecimento e na sua reparação, o que permite reduzir drasticamente os custos de funcionamento. No inverno, não há risco de degelo dos aquecedores de ar e do sistema de aquecimento em caso de desligamentos prolongados do sistema. Mesmo o resfriamento até um "negativo" profundo não leva ao degelo do sistema.
5. Um alto grau de automação permite gerar exatamente a quantidade de calor necessária. Em combinação com a alta confiabilidade do equipamento a gás, isso aumenta significativamente a segurança do sistema de aquecimento e um mínimo de pessoal de manutenção é suficiente para sua operação.
6. Custos baixos. O método de aquecimento de grandes salas com geradores de calor é um dos mais baratos e mais rapidamente implementados. O custo de capital para construir ou renovar um sistema de ar é geralmente significativamente menor do que o custo de organizar a água quente ou aquecimento radiante. O período de recuperação dos custos de capital geralmente não excede uma ou duas temporadas de aquecimento.

Dependendo das tarefas a serem resolvidas, aquecedores de vários tipos podem ser usados \u200b\u200bem sistemas de aquecimento de ar. Neste artigo, consideraremos apenas as unidades que operam sem o uso de um transportador de calor intermediário - aquecedores de ar recuperativos (com trocador de calor e exaustão dos produtos da combustão externa) e sistemas de aquecimento direto do ar (aquecedores de ar de mistura a gás).

Aquecedores de ar recuperativos

Em unidades deste tipo, o combustível, misturado com a quantidade necessária de ar, é fornecido pelo queimador à câmara de combustão. Os produtos de combustão resultantes passam por um trocador de calor de duas ou três vias. O calor obtido durante a combustão do combustível é transferido para o ar aquecido através das paredes do trocador de calor, e os gases de combustão são descarregados para fora através da chaminé (Fig. 1) - por isso são chamados de geradores de calor de "aquecimento indireto".

Os aquecedores de ar recuperativos podem ser usados \u200b\u200bnão apenas diretamente para aquecimento, mas também como parte de um sistema de ventilação de alimentação, bem como para aquecimento do ar de processo. A potência térmica nominal de tais sistemas é de 3 kW a 2 MW. O ar aquecido é fornecido à divisão através de um soprador embutido ou externo, o que permite a utilização das unidades tanto para aquecimento direto do ar com a sua saída através de grelhas de venezianas, como por condutas de ar.

Ao lavar a câmara de combustão e o trocador de calor, o ar é aquecido e direcionado diretamente para o ambiente aquecido através das grades de distribuição de ar localizadas na parte superior, ou é distribuído através do sistema de dutos de ar. Um queimador de bloco automatizado está localizado na frente do gerador de calor (Fig. 2).

Os trocadores de calor dos modernos aquecedores de ar, via de regra, são feitos de aço inoxidável (a fornalha é feita de aço resistente ao calor) e funcionam de 5 a 25 anos, após os quais podem ser reparados ou substituídos. A eficiência dos modelos modernos chega a 90-96%. A principal vantagem dos aquecedores de ar de recuperação é a versatilidade.

Eles podem funcionar com gás natural ou GLP, combustível diesel, óleo, óleo combustível ou óleo usado - basta trocar o queimador. Existe a possibilidade de trabalhar com ar puro, com mistura de ar interno e em modo de recirculação total. Tal sistema permite algumas liberdades, por exemplo, para alterar a taxa de fluxo de ar aquecido, "on the fly" redistribuir o fluxo de ar aquecido em diferentes ramos do duto usando válvulas especiais.

No verão, os aquecedores de ar recuperativos podem operar em modo de ventilação. As unidades são montadas verticalmente e horizontalmente, no chão, na parede ou construídas em uma câmara de ventilação seccional como uma seção de aquecimento.

Aquecedores de ar recuperativos podem ser usados \u200b\u200bmesmo para aquecer ambientes com uma categoria de alto conforto, se o próprio aparelho for retirado da área de serviço direta.

Principais desvantagens:

1. Um trocador de calor grande e complexo aumenta o custo e o peso do sistema em comparação com um aquecedor de ar do tipo de mistura;
2. Eles precisam de uma chaminé e drenagem de condensado.

Sistemas de aquecimento de ar direto

As tecnologias modernas tornaram possível alcançar tal limpeza da combustão do gás natural que se tornou possível não desviar os produtos da combustão "para dentro da tubulação", mas sim utilizá-los para aquecimento direto do ar em sistemas de ventilação de abastecimento. O gás que entra na combustão se queima completamente no fluxo de ar aquecido e, misturando-se com ele, fornece todo o calor.

Este princípio é implementado em vários projetos semelhantes de um queimador de rampa nos EUA, Inglaterra, França e Rússia e tem sido usado com sucesso desde os anos 60 do século XX em muitas empresas na Rússia e no exterior. Com base no princípio da combustão ultrapura do gás natural diretamente na corrente de ar aquecida, os aquecedores de ar de mistura de gás do tipo STV (STARVEINE - "star wind") são produzidos com uma saída de calor nominal de 150 kW a 21 MW.

A própria tecnologia de combustão, bem como um alto grau de diluição dos produtos da combustão, permitem obter ar quente limpo em instalações de acordo com todas as normas aplicáveis, praticamente isento de impurezas nocivas (não mais de 30% da concentração máxima permitida). Os aquecedores de ar STV (Fig. 3) consistem em um bloco queimador modular localizado dentro do corpo (seção de duto de ar), uma linha de gás DUNGS (Alemanha) e um sistema de automação.

A caixa geralmente é equipada com uma porta pressurizada para fácil manutenção. O bloco do queimador, dependendo da saída de calor necessária, é composto pelo número necessário de seções do queimador de várias configurações. Aquecedores automáticos fornecem partida automática suave de acordo com o ciclograma, controle de parâmetros trabalho seguro e a possibilidade de regulação suave da energia térmica (1: 4), que permite manter automaticamente a temperatura do ar necessária na sala aquecida.

Aplicação de aquecedores de ar de mistura de gás

Seu objetivo principal é aquecer diretamente o ar fresco fornecido às instalações de produção para compensar a ventilação de exaustão e, assim, melhorar as condições de trabalho das pessoas.

Para divisões com alta frequência de troca de ar, torna-se conveniente combinar o sistema de ventilação de alimentação e o sistema de aquecimento - neste aspecto, os sistemas de aquecimento direto não têm concorrentes em termos de relação qualidade / preço. Aquecedores de ar de mistura a gás são projetados para:

• aquecimento de ar autônomo de instalações para vários fins com uma grande troca de ar (К 򖅁, 5);
• aquecimento do ar em cortinas térmicas do tipo corte, podendo ser combinado com sistemas de aquecimento e ventilação;
• sistemas de pré-aquecimento para motores de automóveis em parques de estacionamento sem aquecimento;
• aquecimento e degelo de vagões, tanques, carros, materiais a granel, aquecimento e secagem de produtos antes da pintura ou outros tipos de processamento;
• aquecimento direto ar atmosférico ou um agente de secagem em vários processos de aquecimento e instalações de secagem, por exemplo, secagem de grãos, grama, papel, têxteis, madeira; aplicação em câmaras de pintura e secagem após pintura, etc.

Alojamento

Os aquecedores de mistura podem ser instalados nos dutos de ar dos sistemas de ventilação e nas cortinas de calor, nos dutos de ar das unidades de secagem - nas seções horizontal e vertical. Podem ser montados no chão ou plataforma, sob o teto ou na parede. Geralmente são colocados em câmaras de alimentação e ventilação, mas podem ser instalados diretamente em ambiente aquecido (de acordo com a categoria).

Com equipamentos adicionais, os elementos apropriados podem servir para salas das categorias A e B. A recirculação do ar interno por meio de aquecedores de ar de mistura é indesejável - uma diminuição significativa no nível de oxigênio na sala é possível.

Forças sistemas de aquecimento direto

Simplicidade e confiabilidade, baixo custo e economia, capacidade de aquecimento a altas temperaturas, alto grau de automação, controle suave, não precisa de chaminé. O aquecimento direto é o método mais econômico - a eficiência do sistema é de 99,96%. O nível de custos de capital específicos para um sistema de aquecimento baseado em uma unidade de aquecimento direto combinada com ventilação forçada é o mais baixo com o maior grau de automação.

Aquecedores de ar de todos os tipos são equipados com um sistema de automação de segurança e controle que garante um bom arranque, manutenção do modo de aquecimento e desligamento em caso de emergência. Para poupar energia, é possível dotar os aquecedores de ar com comando automático tendo em conta as temperaturas exterior e interior, com funções de modos de programação de aquecimento diário e semanal.

Também é possível incluir os parâmetros do sistema de aquecimento, que consiste em várias unidades de aquecimento, no sistema de controle e despacho centralizado. Neste caso, o operador-despachante terá informações operacionais sobre o funcionamento e estado das unidades de aquecimento, claramente exibidas no monitor do computador, e também controlará o seu modo de operação diretamente do posto de despacho remoto.

Geradores de calor móveis e pistolas de calor

Projetado para uso temporário - em canteiros de obras, para aquecimento em períodos de entressafra, aquecimento de processo. Geradores de calor móveis e pistolas de calor funcionam com propano (GLP), óleo diesel ou querosene. Podem ser tanto aquecimento direto quanto com remoção de produtos de combustão.

Tipos de sistemas autônomos de aquecimento de ar

Para aquecimento autônomo de vários locais, vários tipos de sistemas de aquecimento de ar são usados \u200b\u200b- com distribuição de calor centralizada e descentralizada; sistemas operando inteiramente no fornecimento ar fresco, ou com recirculação total / parcial do ar interno.

Nos sistemas descentralizados de aquecimento de ar, o aquecimento e a circulação do ar na divisão são efectuados por geradores de calor autónomos localizados em diferentes áreas ou áreas de trabalho - no chão, parede e por baixo da cobertura. O ar dos aquecedores é fornecido diretamente para a área de trabalho da sala. Às vezes, para melhor distribuição dos fluxos de calor, os geradores de calor são equipados com pequenos sistemas de dutos de ar (locais).

Para unidades com este design, a potência mínima do motor do ventilador é característica, portanto, os sistemas descentralizados são mais econômicos em termos de consumo de energia. Também é possível usar cortinas de aquecimento de ar como parte de um sistema de aquecimento de ar ou fornecimento de ventilação.

A possibilidade de regulação local e utilização de geradores de calor conforme necessário - por zonas, em momentos diferentes - permite reduzir significativamente os custos com combustível. No entanto, o custo de capital de implementação desse método é um pouco mais alto. Em sistemas com distribuição de calor centralizada, unidades de aquecimento de ar são usadas; o ar quente gerado por eles entra nas áreas de trabalho através do sistema de dutos de ar.

As unidades, via de regra, são construídas em câmaras de ventilação existentes, mas é possível colocá-las diretamente em uma sala aquecida - no chão ou no local.

Aplicação e colocação, seleção de equipamentos

Cada um dos tipos de unidades de aquecimento acima tem suas próprias vantagens inegáveis. E não existe uma receita pronta, caso em que qual delas é mais conveniente - depende de muitos fatores: a quantidade de troca de ar em relação à quantidade de perda de calor, a categoria da sala, a disponibilidade de espaço livre para colocar o equipamento, das possibilidades financeiras. Tentaremos formar os princípios mais gerais para a seleção adequada de equipamentos.

1. Sistemas de aquecimento para salas com baixa troca de ar (troca de ar ≤򖅀, 5-1)

Neste caso, a potência térmica total dos geradores de calor é considerada quase igual à quantidade de calor necessária para compensar as perdas de calor na sala, a ventilação é relativamente pequena, portanto, é aconselhável usar um sistema de aquecimento baseado em geradores de calor indiretos com recirculação total ou parcial do ar interno.

A ventilação nessas salas pode ser natural ou com uma mistura de ar externo com ar de recirculação. No segundo caso, a potência dos aquecedores é aumentada em uma quantidade suficiente para aquecer o ar fresco fornecido. Esse sistema de aquecimento pode ser local, com geradores de calor de piso ou parede.

Se for impossível colocar a unidade em uma sala aquecida ou ao organizar a manutenção de várias salas, um sistema centralizado pode ser usado: os geradores de calor são colocados na câmara de ventilação (anexo, no mezanino, em uma sala adjacente), e o calor é distribuído pelos dutos de ar.

Durante o horário de trabalho, os geradores de calor podem operar em modo de recirculação parcial, aquecendo simultaneamente o ar de fornecimento misto, durante o tempo não operacional, alguns deles podem ser desligados e os restantes podem ser colocados em modo de espera econômico + 2-5 ° C com recirculação total.

2. Sistemas de aquecimento para salas com grande taxa de troca de ar, exigindo constantemente o fornecimento de grandes volumes de ar fresco (troca de ar 򖅂)

Nesse caso, a quantidade de calor necessária para aquecer o ar fornecido pode já ser várias vezes maior do que a quantidade de calor necessária para compensar a perda de calor. Aqui, é mais conveniente e econômico combinar o sistema de aquecimento de ar com o sistema de fornecimento de ventilação. O sistema de aquecimento pode ser construído com base em unidades de aquecimento de ar direto, ou com base no uso de geradores de calor recuperativos em um projeto com um grau de aquecimento aumentado.

A produção total de calor dos aquecedores deve ser igual à soma da demanda de calor para aquecer o ar fornecido e o calor necessário para compensar as perdas de calor. Em sistemas de aquecimento direto, 100% do ar externo é aquecido, fornecendo o volume necessário de ar fornecido.

Durante o horário de trabalho, eles aquecem o ar de fora até a temperatura projetada de + 16-40 ° C (levando em consideração o superaquecimento para garantir a compensação pela perda de calor). Para economizar dinheiro fora do horário de trabalho, você pode desligar alguns dos aquecedores para reduzir o consumo de ar fornecido e transferir o restante para o modo de espera de manutenção de + 2-5 ° С.

Os geradores de calor recuperativos em modo de espera fornecem economias adicionais ao transferi-los para o modo de recirculação total. Os menores custos de capital ao organizar sistemas de aquecimento centralizados - ao usar os maiores aquecedores possíveis. Os custos de capital para aquecedores de ar de mistura de gás STV podem variar de 300 a 600 rublos / kW de energia térmica instalada.

3. Sistemas combinados de aquecimento de ar

A melhor opção para salas com grande troca de ar durante o horário de trabalho com um turno de trabalho, ou um ciclo de trabalho intermitente - quando a diferença na necessidade de fornecimento de ar fresco e calor durante o dia é significativa.

Neste caso, é aconselhável operar dois sistemas separadamente: aquecimento de reserva e ventilação de alimentação, combinados com um sistema de aquecimento (reaquecimento). Ao mesmo tempo, geradores de calor recuperativo são instalados na sala aquecida ou em câmaras de ventilação para manter apenas o modo de espera com recirculação total (na temperatura externa projetada).

O sistema de ventilação de alimentação, combinado com o sistema de aquecimento, fornece aquecimento do volume necessário de ar fresco de entrada até + 16-30 ° С e aquece a sala até o nível necessário temperatura de trabalho e por uma questão de economia está incluído apenas durante o horário de trabalho.

É construído com base em geradores de calor recuperativos (com um grau de aquecimento aumentado) ou com base em sistemas de aquecimento direto potentes (que é 2-4 vezes mais barato). É possível uma combinação de um sistema de reaquecimento de abastecimento com um sistema de aquecimento de água quente existente (pode permanecer em serviço), a opção também é aplicável para a modernização em etapas o sistema existente aquecimento e ventilação.

Com este método, os custos operacionais serão os mais baixos. Assim, usando aquecedores de ar tipos diferentes em várias combinações, é possível resolver os dois problemas ao mesmo tempo - aquecimento e ventilação.

Existem muitos exemplos de aplicação de sistemas de aquecimento de ar e as possibilidades de sua combinação são extremamente diversas. Em cada caso, é necessário realizar cálculos térmicos, levar em consideração todas as condições de uso e realizar diversas opções para a seleção dos equipamentos, comparando-as em termos de conveniência, montante de custos de capital e custos operacionais.