О тепловой энергии простым языком!

Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва.

. энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Количество теплоты при различных физических процессах.

Большинство известных веществ могут при разных температуре и давлении находиться в твердом, жидком, газообразном или плазменном состояниях. Переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при постоянной температуре (при условии, что не меняются давление и другие параметры окружающей среды) и сопровождается поглощением или выделением тепловой энергии. Не смотря на то, что во Вселенной 99% вещества находится в состоянии плазмы, мы в этой статье не будем рассматривать это агрегатное состояние.

Рассмотрим график, представленный на рисунке. На нем изображена зависимость температуры вещества Т от количества теплоты Q , подведенного к некой закрытой системе, содержащей определенную массу какого-то конкретного вещества.

1. Твердое тело, имеющее температуру T1 , нагреваем до температуры Tпл , затрачивая на этот процесс количество теплоты равное Q1 .

2. Далее начинается процесс плавления, который происходит при постоянной температуре Тпл (температуре плавления). Для расплавления всей массы твердого тела необходимо затратить тепловой энергии в количестве Q2 — Q1 .

3. Далее жидкость, получившаяся в результате плавления твердого тела, нагреваем до температуры кипения (газообразования) Ткп , затрачивая на это количество теплоты равное Q3 — Q2 .

4. Теперь при неизменной температуре кипения Ткп жидкость кипит и испаряется, превращаясь в газ. Для перехода всей массы жидкости в газ необходимо затратить тепловую энергию в количестве Q4 — Q3 .

5. На последнем этапе происходит нагрев газа от температуры Ткп до некоторой температуры Т2 . При этом затраты количества теплоты составят Q5 — Q4 . (Если нагреем газ до температуры ионизации, то газ превратится в плазму.)

Таким образом, нагревая исходное твердое тело от температуры Т1 до температуры Т2 мы затратили тепловую энергию в количестве Q5 , переводя вещество через три агрегатных состояния.

Двигаясь в обратном направлении, мы отведем от вещества то же количество тепла Q5 , пройдя этапы конденсации, кристаллизации и остывания от температуры Т2 до температуры Т1 . Разумеется, мы рассматриваем замкнутую систему без потерь энергии во внешнюю среду.

Заметим, что возможен переход из твердого состояния в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс именуется возгонкой, а обратный ему процесс – десублимацией.

Итак, уяснили, что процессы переходов между агрегатными состояниями вещества характеризуются потреблением энергии при неизменной температуре. При нагреве вещества, находящегося в одном неизменном агрегатном состоянии, повышается температура и также расходуется тепловая энергия.

Главные формулы теплопередачи.

Формулы очень просты.

Количество теплоты Q в Дж рассчитывается по формулам:

1. Со стороны потребления тепла, то есть со стороны нагрузки:

1.1. При нагревании (охлаждении):

Формула расчета Гкал по отоплению

Что же такое Гкал? Гкал – гигакалория, то есть измерительная единица, в которой исчисляется тепловая энергия. Произвести расчет Гкал можно самостоятельно, но предварительно изучив некоторую информацию о тепловой энергии. Рассмотрим в статье общие сведения о расчетах, а также формулу для расчета Гкал.

Что такое Гкал?

Калория – определенное количество энергии, которое необходимо для нагрева 1 грамма воды до 1 градуса. Данное условие соблюдается в условиях атмосферного давления. Для расчетов тепловой энергии применяется большая величина — Гкал. Гигакалория соответствует 1 миллиарду калорий. Данная величина начала использоваться с 1995 года в соответствии с документом Министерства топлива и энергетики.

В России среднее значение потребления на 1 кв.м. составляет 0,9342 Гкал за месяц. В каждом регионе это значение может меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от погодных условий.

Что такое гигакалория, если ее перевести в обычные величины?

1. 1 Гигакалория равняется 1162,2 киловатт-часам.
2. Для того чтобы нагреть 1 тысячу тонн воды до температуры +1 градус потребуется 1 гигакалория.

Гкал в многоквартирных домах

В многоквартирных домах гигакалории используются в тепловых расчетах. Если знать точное количество теплоэнергии, которое остается в доме, то можно рассчитать счет для оплаты отопления. Например, если в доме не установлен общедомовой или индивидуальный прибор тепла, то за централизованное отопление придется платить исходя из площади обогреваемого помещения. В том случае если тепловой счетчик установлен, то подразумевается разводка горизонтального типа или же последовательная, или коллекторная. В таком варианте в квартире делают два стояка для подающей и обратной трубы, а система внутри квартиры определяется жильцами. Такие схемы используются в новых домах. Именно поэтому жильцы могут самостоятельно регулировать расход тепловой энергии, сделав выбор между комфортом и экономией.

Регулировка производится следующим образом:

1. За счет дросселирования батарей отопления происходит ограничение проходимости прибора отопления, следовательно, температура в нем снижается, а расход тепловой энергии уменьшается.
2. Установка общего термостата на обратной трубе. В таком варианте расход рабочей жидкости определяется температурой в квартире и если она увеличивается, то расход снижается, а если уменьшается, то расход увеличивается.

Гкал в частных домах

Если говорить о Гкал в частном доме, то жильцы в первую очередь интересуются затратами теплоэнергии при каждом виде топлива. Поэтому рассмотрим некоторые расценки за 1 Гкал на различные виды топлива:

• Газ природный – 3300 рублей;
• Газ сжиженный – 520 рублей;
• Уголь – 550 рублей;
• Пеллеты – 1800 рублей;
• Дизельное топливо – 3270 рублей;
• Электроэнергия – 4300 рублей.

Цена может меняться в зависимости от региона, а также стоит учитывать, что стоимость топлива периодически увеличивается.

Общие сведения о расчетах Гкал

Для расчета Гкал необходимо произвести специальные вычисления, порядок которых установлен специальными нормативными актами. Расчет производят коммунальные службы, которые могут вам разъяснить порядок расчета Гкал, а также расшифровать любые непонятные моменты.

Если у вас установлен индивидуальный прибор, то получится избежать любых проблем и переплат. Вам достаточно, ежемесячно снимать показатели со счетчика и умножать полученное число на тариф. Полученную сумму необходимо оплатить за пользование отоплением.

Счетчики тепла

Для того чтобы рассчитать тепловую энергию нужно знать следующую информацию:

1. Температура жидкости на входе и выходе определенного участка магистрали.
2. Расход жидкости, которая движется через отопительные приборы.

Расход можно определить при помощи счетчиков тепла. Приборы учета тепла могут быть двух видов:

1. Крыльчатые счетчики. Такие приборы используются для учета тепловой энергии, а также расхода горячей воды. Отличие между такими счетчиками и приборами для учета холодной воды — материал, из которого изготавливается крыльчатка. В таких приборах она наиболее устойчива к воздействию высоких температур. Принцип работы схож у двух приборов:

• Учетному устройству передается вращение крыльчатки;
• Крыльчатка начинает вращение из-за движения рабочей жидкости;
• Передача производится без непосредственного взаимодействия, а с помощью перманентного магнита.

Такие приборы имеют простую конструкцию, но порог срабатывания у них невысок. А также они имеют надежную защиту от искажений показаний. При помощи антимагнитного экрана происходит предотвращение торможения крыльчатки наружным магнитным полем.

1. Устройства с регистратором перепадов. Такие счетчики работают по закону Бернулли, который утверждает, что скорость движения потока жидкости или газа обратно пропорциональна его статическому движению. Если давление регистрируется двумя датчиками, то можно без труда определить расход в реальном времени. Счетчик подразумевает в устройстве конструкции электронику. Практически все модели предоставляют информацию о расходе и температуре рабочей жидкости, а также определяют расход тепловой энергии. Настраивать работу можно вручную при помощи ПК. Подключить прибор можно к ПК через порт.

Многие жильцы задаются вопросом, как рассчитать количество Гкал на отопление в открытой системе отопления, в которой возможен отбор для горячей воды. Датчики напора устанавливаются на обратную трубу и подающую одновременно. Разница, которая будет в расходе рабочей жидкости, будет показывать количество теплой воды, которая была потрачена для бытовых нужд.

Формула расчета Гкал по отоплению

Если у вас отсутствует индивидуальный прибор, то необходимо воспользоваться следующей формулой расчета тепла на отопление: Q = V * (T1 – T2) / 1000, где:

1. Q – общий объем энергии тепла.
2. V- объем потребления горячей воды. Измеряется в тоннах или кубических метрах.
3. T1 – это температура горячей воды, которая измеряется в градусах Цельсия. В таком расчете лучше учитывать такую температуру, которая будет характерна для конкретного рабочего давления. Такой показатель имеет название – энтальпия. Если нет необходимого датчика, то принять ту температуру, которая будет схожа с энтальпией. Обычно средний показатель такой температуры находится в пределах 60-65 градусов Цельсия.
4. T2 – это температура холодной воды, которая измеряется в градусах Цельсия. Как известно попасть к трубопроводу с холодной водой не просто, поэтому такие значения определяются постоянными значения. Они в свою очередь зависят от климатических условий за пределами дома. Например, в холодное время года такая величина может быть 5 градусов, а в теплое время, когда нет отопления, может достигать 15 градусов.
5. 1000 представляет собой коэффициент, благодаря которому можно получить ответ в гигакалориях. Такое значение будет более точным, чем в обычных калориях.

В закрытой отопительной системе расчет гигакалорий происходит в другой форме. Для того чтобы рассчитать Гкал в закрытой системе отопления необходимо воспользоваться следующей формулой: Q = ((V1 * (T1 – T)) — (V2 * (T2 – T))) / 1000, где:

1. Q – прежний объем тепловой энергии;
2. V1 – это параметр расхода носителя тепла в подающей трубе. В качестве источника тепла может быть водяной пар или обычная вода.
3. V2 – объем расхода воды в отводящей трубе;
4. T1 – температура в трубе подачи носителя тепла;
5. T2 – температура на выходе трубы;
6. T – температура холодной воды.

Расчет тепловой энергии на отопление по данной формуле зависит от двух параметров: первый показывает тепло, которое поступает в систему, а второй – параметр тепла при отводе носителя тепла по обратной трубе.

Другие способы расчета Гкал по отоплению

Рассчитать количество тепла, которое поступает в отопительную систему можно и другими способами. Например, формула для расчета Гкал может иметь два других вида:

1. Q = ((V1 * (T1 — T2)) + (V1 — V2) * (T2 – T)) / 1000.
2. Q = ((V2 * (T1 — T2)) + (V1 — V2) * (T1 – T)) / 1000.

Все значения в данных формулах такие же, как и в предыдущей формуле. Исходя из вышеперечисленных расчетов, можно сделать вывод, что рассчитать Гкал за отопление можно самостоятельно. Но следует обратиться за консультацией в специальные компании, которые несут ответственность за подачу теплоэнергии в дом, так как их работа и система расчетов могут отличаться от этих формул и состоять из другого комплекса мероприятий.

Если вы решили в своем частном доме сделать систему «Теплый пол», то принцип расчета отопления будет совершенно другой. Расчет будет намного сложнее, так как следует учитывать не только особенности контура отопления, но и значения электрической сети, от которой происходит нагрев пола. Компании, которые отвечают за контроль над работами по монтажу теплого пола, будут другими.

Многие жильцы испытывают трудности при переводе килокалорий в киловатты. Связано это со многими пособиями измерительных единиц в международной системе, которая называется «Си». При переводе килокалорий в киловатты следует использовать коэффициент 850. То есть 1 кВт равняется 850 ккал. Такой расчет намного проще других, так как узнать необходимый объем гигакалорий не трудно. 1 гигакалория = 1 миллиону калорий.

В ходе расчета следует помнить, что любые современные приборы имеют небольшую погрешность. В основном они являются допустимыми. Но рассчитывать погрешность необходимо самостоятельно. Например, это можно сделать при помощи следующей формулы: R = (V1 — V2) / (V1+V2) * 100, где:

1. R – погрешность общедомового прибора на отопление.
2. V1 и V2 – это уже указанные ранее параметры расхода воды в системе.
3. 100 – это коэффициент, который отвечает за перевод полученного значения в проценты.
   В соответствии с эксплуатационными нормами максимальная погрешность, которая может быть – 2%. В основном такой показатель не превышает 1%.

Итоги расчетов Гкал по отоплению

Если вы правильно выполнили расчет потребления Гкал тепловой энергии, то вы можете не беспокоиться о переплатах за коммунальные услуги. Если воспользоваться вышеперечисленными формулами, то можно сделать вывод, что при отоплении жилого дома площадью до 200 кв.м. потребуется затратить около 3 Гкал за 1 месяц. Если учесть что отопительный сезон во многих регионах страны длится примерно 6 месяцев, то можно посчитать приблизительный расход тепловой энергии. Для этого 3 Гкал умножаем на 6 месяцев и получаем 18 Гкал.

Посчитать расход гигакалорий намного легче в частном доме, так как там можно установить свой индивидуальный прибор. В многоквартирных домах с централизованным отоплением обойтись обычным прибором не получится.

Исходя из информации указанной выше, можно сделать вывод, что все расчеты по расходу тепловой энергии в определенном доме можно сделать самостоятельно без помощи специальных организаций. Но стоит помнить, что все данные должны быть рассчитаны точно по специальным математическим формулам. Кроме этого все процедуры нужно согласовывать со специальными органами, которые контролируют такие действия. Если вы не уверены, что выполните расчет самостоятельно, то можете воспользоваться услугами профессиональных специалистов, которые занимаются такой работой и имеют в наличии материалы, подробно описывающие весь процесс и фото образцов системы отопления, а также их схемы подключения.