Фізичний процес передачі тепла від одного фізичного тіла до іншого називається теплопередачей.
Передача тепла здійснюється від гарячого фізичного тіла до холодного або при безпосередньому контакті, або через перегородку.
Теплова енергія буде передаватися до тих пір, поки температури фізичних тіл не зрівняються. У фізиці цей стан називається термодинамічним рівновагою. Теплопередача, як правило, відбувається від гарячого тіла до холодного, що повністю відповідає другому закону термодинаміки. Згідно з цим законом працюють всі системи опалення.
З точки зору фізики існують три елементарних типу передачі тепла: теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання. Але в чистому вигляді, окремо, вони практично не зустрічаються, в загальному випадку тепло передається поєднанням простих типів. В основному розрізняють три типи теплопередачі: тепловіддача, теплопередача і конвективно-променевого метод передачі тепла.
Як працюють традиційні системи опалення
До традиційних систем опалення відносяться ті системи, в яких використовується будь-яке паливо. В даний час найчастіше використовується газ, хоча в деяких випадках застосовується рідке і тверде паливо. Але незалежно від типу палива принцип роботи всіх традиційних систем однаковий. Теплота від згоряння палива нагріває теплоносій, який надходить в радіатори опалювальної системи і нагріває повітря в приміщенні. В якості теплоносія в традиційних системах опалення використовується вода, тому такі системи називають водяними.
За всіма законами фізики тепле повітря спрямовується вгору, а холодний, природно, переміщається вниз. Такий рух повітря є не що інше, як згадана вище конвекція. Цей холодне повітря як раз і створює холодні підлоги, що доводиться усувати пристроєм «теплих підлог». Якщо приміщення досить висока (виробничий корпус, зоровий або спортивний зал і т.п.), то прогрів всього об'єму триває досить довго, створюється розшарування повітря.
Піднімається вгору тепле повітря створює протяг в приміщенні, крім того збільшуються втрати тепла через дах і стіни, тепло просто йде з будівлі. У цьому випадку говорять, що ми опалюємо вулицю. Люди, що знаходяться внизу, виявляються в зоні холодного повітря.
На малюнку 1 схематично показано розподіл тепла при роботі традиційної системи опалення.
Малюнок 1. Розподіл тепла при роботі традиційної системи опалення
Як влаштовані традиційні водяні системи опалення
Основним пристроєм системи водяного охолодження є котел, найчастіше газовий. Нагріта в котлі вода по трубах надходить в опалювальні прилади - біметалічні радіатори опалення . Для циркуляції води в системі встановлюється насос, якщо циркуляція примусова, хоча циркуляція може бути природною. В цьому випадку можна обійтися і без насоса.
Крім цих основних пристроїв і деталей в водяну систему опалення входить також безліч «допоміжних», але потрібних деталей. Перш за все, це розширювальний бак для компенсації температурного розширення води, фітинги для з'єднання труб, повітряні клапани і багато іншого, необхідного для нормальної роботи всієї системи в цілому.
В індивідуальному будинку для установки газового котла потрібно додаткове приміщення, обладнане системою вентиляції і димоходом, не кажучи вже про систему підведення газу. У разі централізованого опалення потрібно будівництво великої котельні і прокладка цілої мережі теплотрас. Вся система виходить дорогий і складною. Але в деяких випадках, наприклад для невеликого заміського будинку, і якщо поблизу немає газу, доводиться робити електричну систему опалення.
Найбільш поширеними в таких випадках є електричні котли для водяного опалення або різні електричні обігрівачі. В першу чергу це масляні радіатори, електрокаміни і тепловентилятори різних конструкцій. Принцип роботи цих приладів також конвекційний, як у водяних систем опалення: спочатку гріється повітря, а вже потім стіни, меблі, люди. Така система малоефективна і малоекономічних.
Інфрачервоні опалювальні прилади
В даний час випускаються різні прилади інфрачервоного опалення, які забезпечують раціональний і економний обігрів приміщень в самих різних умовах. Далі будуть розглянуті деякі з цих приладів, принципи їх роботи.
З точки зору природи традиційні системи опалення діють неправильно. Спочатку нагрівається повітря, а потім і все інше. У природних умовах все відбувається навпаки.
Природним джерелом тепла на Землі є Сонце. Сонячні промені володіють дуже широким спектром, але саме його інфрачервона складова нагріває Землю, людей, рослини і всі предмети, а вже від них нагрівається повітря і створюються комфортні умови для життєдіяльності людини.
Саме за таким принципом працюють інфрачервоні обігрівачі. Повітря для інфрачервоних променів абсолютно прозорий, тому інфрачервоні промені безперешкодно доходять до поверхонь, що обігріваються і предметів.
На малюнку 2 схематично показано розподіл тепла при використанні інфрачервоного обігрівача.
Малюнок 2. Розподіл тепла при використанні інфрачервоного обігрівача
Інфрачервоне випромінювання представляє собою електромагнітні хвилі з довжиною хвилі в межах 1 * 10-6 ... 1 * 10-3 мкм. Інтенсивність теплового випромінювання залежить від довжини хвилі ІЧ випромінювання: короткохвильові промені виходять при температурі випромінює тіла понад 750 ° С. Залежно від області застосування і конструкції температура випромінюючого елемента ІК обігрівача може перебувати в межах 100 ... 950 ° С.
Підвісні інфрачервоні обігрівачі
У досить високому приміщенні водяні системи опалення, як уже було сказано вище, малоефективні, адже весь тепле повітря піднімається вгору.
При висоті стелі 2,5 ... 3,6 м досить ефективні і економічні будуть низькотемпературні інфрачервоні підвісні обігрівачі з температурою випромінювача в межах 100 ... 120 ° С.
Щоб досягти рівномірності обігріву приміщення, уникнути появи теплих і холодних зон потрібно здійснювати опалення декількома обігрівачами, сумарна потужність яких повинна відповідати теплових втрат будівлі. Якщо висота стель 4 м і більше, то цілком допустимо і безпечно застосування обігрівачів з температурою випромінюючої поверхні до 200 ° С і вище. Такі обігрівачі називають високотемпературними.
Конструкція і принцип дії випромінювачів така, що їх установка можлива на будь-якій висоті. Якщо приміщення дуже велике, наприклад склад або ангар, то інфрачервоні обігрівачі можна встановити, лише над робочими майданчиками, в місцях знаходження людей, що дозволяє економити електроенергію.
Низькотемпературний обігрівач являє собою металевий короб з розміщеним всередині нього розподіленим нагрівачем. Випромінююча поверхня обробляється спеціальними матеріалами, що забезпечують максимальну інтенсивність теплового випромінювання, емісію теплової променевої енергії. Коефіцієнт теплової емісії у найбільш досконалих обігрівачів досягає 90%. Збільшенню теплової віддачі в чималому ступені сприяє те, що випромінює поверхня робиться рельєфною, горбистою. Це дозволяє збільшити її площу не менше ніж в 2,5 ... 3 рази.
Високотемпературні обігрівачі також є коробчатий корпус, всередині якого розташовані один або кілька нагрівальних елементів. Тепло цих елементів передається профілем з алюмінію, що випромінює поверхня якого покрита спеціальною керамікою, що дозволяє знизити температуру випромінюючої поверхні за рахунок підвищення коефіцієнта емісії променевого потоку.
Простір між корпусом і нагрівальними елементами заповнене термостійким високоякісним утеплювачем, чим досягається повна пожежна безпека всього пристрою в цілому. Така теплоізоляція характерна як для високотемпературних, так і для низькотемпературних обігрівачів.
Деякі фірми, наприклад Thermatex, Armh5, Rockfon випускають інфрачервоні обігрівачі для монтажу в касетні стелі, що зайвий раз говорить пожежної інфрачервоних обігрівачів.
Однією з новинок ринку стали тепловипромінюючі дзеркала. Їх відображає шар є одночасно і нагрівальним елементом. Максимальна температура поверхні дзеркала не перевищує 75 ° С, що повністю безпечно для оточуючих. У сауні або у ванній кімнаті таке дзеркало не пітніє, не змінює природний рівень вологості і прекрасно вписується в дизайн приміщення, екологічно безпечно.
Як показали різні дослідження, теплової спектр частот інфрачервоного опалення для людини абсолютно безпечний. Це підтверджують дослідження не тільки фірм - виробників, а й результати незалежних експертиз. Безпека інфрачервоних приладів підтверджують також сертифікати відповідності, видані як російськими, так і зарубіжними санітарними службами.
Різними фірмами випускаються інфрачервоні обігрівачі в основному стельового типу придатні для використання в будь-яких приміщеннях: виробничих, житлових, сільськогосподарських, вологих і навіть вибухонебезпечних.
Багатьма фірмами випускаються також обігрівачі настінного типу, підлогові і переносні, що встановлюються на стійках. Відомі інфрачервоні обігрівачі, в яких застосовується газ.
Інфрачервоні обігрівачі-картини
Останнім часом в якості додаткових місцевих обігрівачів все більш популярними стають різні елементи інтер'єру: обігрівачі-картини, плінтуси, теплі настінні панелі. Подібні нагрівальні елементи складаються з карбонових ниток підключених паралельно між собою. Таких ниток в нагрівачах не одна і навіть не дві сотні, завдяки чому кожна нитка працює без всяких перевантажень, потужність виділяється нею дуже мала. Тому виключено виникнення перевантажень і перегріву, надійність таких обігрівачів дуже висока, термін служби досягає 10 років і більше.
Переваги інфрачервоних обігрівачів
Одним з достоїнств інфрачервоних обігрівачів є те, що тепло, створюючи протяги і піднімаючи хмари пилу, не йде під стелю, як в разі конвекційних систем опалення. Рівень електромагнітних полів інфрачервоних систем набагато менше, ніж у багатьох побутових електроприладів, не спалюється кисень, вологість повітря в приміщенні не зменшується, залишається на природному рівні.
Тепло в приміщенні відчувається відразу після включення, поверхні навколишніх предметів майже відразу стають теплими. При цьому не обов'язково рівномірно опалювати всі приміщення, можливе створення окремих комфортних зон, наприклад, біля телевізора або над письмовим або комп'ютерним столом.
Безсумнівним достоїнством інфрачервоних обладнання є його малогабаритність і мобільність. За рахунок цих параметрів економиться корисна площа, обладнання легко переміщується, встановлюється і демонтується. Інфрачервоні обігрівачі дуже ефективні в будівлях з поганою теплоізоляцією і високими стелями, мало впливають на роботу вентиляції.
Установка інфрачервоних обігрівачів відповідної потужності можлива навіть на відкритій місцевості. Наприклад, над столиками в літньому кафе. На відміну від традиційної водяної системи опалення не потрібна установка складного дорогого устаткування: труби, котли, насоси тощо У разі установки інфрачервоного опалення зникають такі проблеми, як розморожування труб при відключенні системи. При повторному включенні електрики інфрачервоне опалення запрацює знову, як ні в чому не бувало.
За допомогою сучасних програмованих терморегуляторів можливо підтримувати температуру в діапазоні 5 ... 30 ° С, задаючи її для кожного приміщення окремо.
У порівнянні з конвекційними обігрівачами ІК прилади економічніше на 20 ... 25%, а в разі використання двухтарифні оплати за електроенергію економія може досягти 40 ... 45%.
Борис Аладишкін
Читайте найцікавіші історії ЕлектроВісті в Telegram і Viber