Электрическое отопление

Нагревательные змеевики сопротивления 30 кВт

В этом лучистом обогревателе используются вольфрамовые галогенные лампы .

Электрический нагрев - это процесс преобразования электрической энергии в тепловую . Общие области применения включают отопление помещений , приготовление пищи , нагрев воды и промышленные процессы. Электрический нагреватель представляет собой электрическое устройство , которое преобразует электрический ток в тепло. ^[1] нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя представляет собой электрический резистор , и работает по принципу нагрева Джоуля : электрический токпрохождение через резистор преобразует эту электрическую энергию в тепловую. В большинстве современных электронагревательных приборов в качестве активного элемента используется нихромовая проволока; В нагревательном элементе, изображенном справа, используется нихромовая проволока, поддерживаемая керамическими изоляторами.

В качестве альтернативы тепловой насос использует электродвигатель для запуска цикла охлаждения , который забирает тепловую энергию из источника, такого как земля или внешний воздух, и направляет это тепло в обогреваемое пространство. Некоторые системы можно перевернуть так, чтобы внутреннее пространство охлаждалось, а теплый воздух выпускался наружу или в землю.

Отопление помещений [ править ]

Отопление помещений используется для обогрева интерьеров зданий. Обогреватели полезны в местах с затрудненной вентиляцией воздуха, например в лабораториях. Используются несколько методов электрического обогрева помещений.

Инфракрасные лучистые обогреватели [ править ]

Электрический радиационный обогреватель

В электрическом инфракрасном лучистом обогревателе используются нагревательные элементы, которые нагреваются до высокой температуры. Элемент обычно помещается в стеклянную оболочку, напоминающую лампочку, и с отражателем, который направляет выходную энергию от корпуса нагревателя. Элемент излучает инфракрасное излучение.который движется по воздуху или пространству, пока не достигнет поглощающей поверхности, где он частично преобразуется в тепло и частично отражается. Это тепло напрямую согревает людей и предметы в комнате, а не воздух. Этот тип обогревателя особенно полезен в помещениях, через которые проходит ненагретый воздух. Они также идеально подходят для подвалов и гаражей, где желательно точечное отопление. В целом, они являются отличным выбором для отопления в зависимости от конкретной задачи.

Излучающие обогреватели работают бесшумно и представляют наибольшую потенциальную опасность возгорания ближайшей мебели из-за целенаправленной мощности их мощности и отсутствия защиты от перегрева. В Соединенном Королевстве эти приборы иногда называют электрическими каминами, потому что они изначально использовались для замены открытого огня.

Активной средой нагревателя, изображенного в этом разделе, является катушка из нихромовой резистивной проволоки внутри трубки из плавленого кварца , открытая для атмосферы на концах, хотя существуют модели, в которых плавленый кварц герметизирован на концах, а сплав сопротивления не является нихромом .

Конвекционные обогреватели [ править ]

В конвекционном нагревателе нагревательный элемент нагревает воздух, контактирующий с ним, за счет теплопроводности . Горячий воздух менее плотный, чем холодный, поэтому он поднимается вверх за счет плавучести , позволяя более холодному воздуху поступать на его место. Это создает конвекционный поток горячего воздуха, который поднимается из обогревателя, нагревает окружающее пространство, охлаждает и затем повторяет цикл. Эти нагреватели иногда заполняются маслом или теплоносителем. Они идеально подходят для обогрева замкнутого пространства. Они работают бесшумно и имеют меньший риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью по сравнению с лучистыми электрическими обогревателями.

Тепловентиляторы [ править ]

Тепловентилятор, также называемый обогревателем с принудительной конвекцией, представляет собой разновидность конвекционного обогревателя, который включает в себя электрический вентилятор для ускорения воздушного потока. Они работают со значительным шумом, вызываемым вентилятором. Они имеют умеренный риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью. Их преимущество в том, что они более компактны, чем обогреватели, использующие естественную конвекцию, а также экономичны для портативных систем отопления и отопления небольших помещений.

Накопительное отопление [ править ]

Система накопительного отопления использует более низкие цены на электроэнергию, продаваемую в периоды низкого спроса, например, в ночное время. В Соединенном Королевстве это называется Economy 7. Накопительный нагреватель накапливает тепло в глиняных кирпичах, а затем отдает его в течение дня, когда это необходимо. Новые водонагреватели можно использовать по разным тарифам. Хотя их можно использовать в экономичном режиме 7, их можно использовать и с дневными тарифами. Это связано с современными конструктивными особенностями, которые добавляются в процессе производства. Наряду с новыми конструкциями использование термостата или датчика повысило эффективность накопительного нагревателя. Термостат или датчик могут считывать температуру в помещении и соответственно изменять мощность нагревателя.

Воду также можно использовать в качестве теплоносителя.

Внутренние электрические теплые полы [ править ]

В системе электрического теплого пола в пол встроены нагревательные кабели. Ток протекает через проводящий нагревательный материал, подаваемый либо непосредственно от сетевого напряжения (120 или 240 вольт), либо при низком напряжении от трансформатора. Нагреваемые кабели нагревают пол за счет прямой теплопроводности и отключаются, когда температура достигает значения, установленного термостатом пола.. Более теплая поверхность пола излучает тепло на более холодные окружающие поверхности (потолок, стены, мебель.), Которые поглощают тепло и отражают все непоглощенное тепло к еще более прохладным поверхностям. Цикл излучения, поглощения и отражения начинается медленно и медленно замедляется по мере приближения к заданной температуре и прекращается после достижения полного равновесия. Напольный термостат, комнатный термостат или комбинация регулируют включение / выключение пола. В процессе лучистого обогрева тонкий слой воздуха, соприкасающийся с нагретыми поверхностями, также поглощает некоторое количество тепла, что создает небольшую конвекцию (циркуляцию воздуха). Вопреки мнению, люди не нагреваются этим нагретым циркулирующим воздухом или конвекцией (конвекция имеет охлаждающий эффект), а нагреваются за счет прямого излучения источника и отражения его окружения.Комфорт достигается при более низкой температуре воздуха за счет исключения циркулирующего воздуха. Лучистое отопление обеспечивает высочайший уровень комфорта, поскольку собственная энергия людей (± 70 Вт для взрослого) (которая должна излучаться в отопительный сезон) находится в балансе с окружающей средой. По сравнению с системой конвекционного отопления, основанной на научных исследованиях, температура воздуха может быть снижена до 3 градусов. Один из вариантов - использование трубок, заполненных циркулирующей горячей водой, в качестве источника тепла для обогрева пола. Принцип нагрева остался прежним. Как старые электрические системы, так и системы водяного теплого пола, встроенные в конструкцию пола, работают медленно и не могут реагировать на внешние погодные изменения или внутренние требования / требования к образу жизни.В последнем варианте специализированные системы электрического отопления и одеяла размещаются непосредственно под декором пола и поверх дополнительной изоляции, размещаемой поверх строительных полов. Строительные полы остаются холодными. Принципиальное изменение расположения источника тепла позволяет ему в течение нескольких минут реагировать на изменение погоды и требования внутреннего спроса, такие как стиль жизни на работе, отдых, сон, присутствие большего количества людей / приготовление пищи и т. Д.

Система освещения [ править ]

В больших офисных башнях система освещения интегрирована вместе с системой отопления и вентиляции. Отработанное тепло от люминесцентных ламп захватываются в возвратном воздухе отопительной системы; в больших зданиях значительная часть годовой тепловой энергии обеспечивается системой освещения. Однако это отходящее тепло становится помехой при использовании кондиционера. Таких затрат можно избежать за счет интеграции энергоэффективной системы освещения , которая также создает источник электрического тепла. ^[2]

Тепловые насосы [ править ]

В тепловом насосе используется компрессор с электрическим приводом для работы холодильного цикла, который отбирает тепловую энергию из наружного воздуха, грунта или грунтовых вод и перемещает это тепло в обогреваемое пространство. Жидкость, содержащаяся в испарителе теплового насоса, кипит при низком давлении, поглощая тепловую энергию из наружного воздуха или земли. Затем пар сжимается компрессором и подается по трубопроводу в змеевик конденсатора внутри здания, где его нужно обогреть. Тепло от горячего плотного газа поглощается воздухом в здании (а иногда также используется для горячего водоснабжения), заставляя горячую рабочую жидкость снова конденсироваться в жидкость. Оттуда жидкость под высоким давлением возвращается в секцию испарителя, где она расширяется через отверстие в секцию испарителя, завершая цикл. В летние месяцыцикл можно обратить, чтобы отвести тепло из кондиционированного помещения в наружный воздух.

Тепловые насосы могут получать низкопотенциальное тепло из наружного воздуха в мягком климате. В районах со средней зимней температурой значительно ниже нуля тепловые насосы , работающие на земле , более эффективны, чем тепловые насосы , работающие на воздухе, поскольку они могут извлекать остаточное солнечное тепло, хранящееся в земле, при более высоких температурах, чем из холодного воздуха. ^[3] По данным Агентства по охране окружающей среды США , геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим нагревом сопротивлением. ^[4] Высокая цена теплового насоса по сравнению с резистивными нагревателями может быть компенсирована, если также потребуется кондиционирование воздуха .

Жидкостное отопление [ править ]

Погружной нагреватель [ править ]

Погружной нагреватель имеет электрический резистивный нагревательный элемент, заключенный в трубку и непосредственно помещенный в воду (или другую жидкость) для нагрева. Переносные погружные нагреватели могут не иметь регулирующего термостата, так как они предназначены для кратковременного использования под контролем оператора.

Для бытового горячего водоснабжения или промышленного горячего водоснабжения могут использоваться стационарно установленные нагревательные элементы в изолированном резервуаре для горячей воды , контролируемые термостатом для регулирования температуры. Бытовые единицы могут быть оценены всего в несколько киловатт. Промышленные водонагреватели могут достигать 2000 киловатт. Там, где доступны внепиковые тарифы на электроэнергию, горячая вода может храниться для использования в случае необходимости.

В электрических душевых и безбаквальных обогревателях также используется погружной нагреватель (экранированный или голый), который включается вместе с потоком воды. Группа отдельных обогревателей может быть переключена на разные уровни нагрева. Электрические души и безбаквальные обогреватели обычно потребляют от 3 до 10,5 киловатт.

Минералы, присутствующие в водопроводе, могут выпадать в осадок из раствора и образовывать твердую накипь на поверхности нагревательного элемента или могут упасть на дно резервуара и закупорить поток воды. Техническое обслуживание водонагревательного оборудования может потребовать периодического удаления накипи и отложений. Там, где водоснабжение, как известно, является высокоминерализованным, масштабное производство можно уменьшить за счет использования нагревательных элементов с низкой плотностью мощности. ^[5]

Циркуляционные нагреватели [ править ]

Циркуляционные нагреватели или «прямые электрические теплообменники» (DEHE) используют нагревательные элементы, вставленные непосредственно в среду «на стороне корпуса», чтобы обеспечить эффект нагрева. Все тепло, вырабатываемое электрическим циркуляционным нагревателем, передается среде, таким образом, электрический нагреватель имеет 100-процентный КПД. Прямые электрические теплообменники или «циркуляционные нагреватели» используются для нагрева жидкостей и газов в промышленных процессах. ^{[6] [7]}

Электродный нагреватель [ править ]

В нагревателе электрода нет сопротивления намотки проволоки, и сама жидкость действует как сопротивление. Это потенциально опасно, поэтому правила, регулирующие нагреватели электродов, строги.

Аспекты экологии и эффективности [ править ]

Эффективность любой системы зависит от определения границ системы. Для потребителя электроэнергии эффективность электрического отопления помещений составляет 100%, поскольку вся покупная энергия преобразуется в тепло. Однако, если включить электростанцию, поставляющую электричество, общий КПД резко упадет. Например, электростанция , работающая на ископаемом топливе, может поставлять только 3 единицы электроэнергии на каждые 10 единиц высвобожденной энергии топлива. Несмотря на то, что электрический нагреватель эффективен на 100%, количество топлива, необходимое для производства тепла, больше, чем если бы топливо сжигалось в печи или котле.в отапливаемом здании. Если бы одно и то же топливо можно было использовать для отопления помещений потребителем, было бы более эффективно сжигать топливо в здании конечного пользователя. С другой стороны, замена электрического отопления обогревателями, работающими на ископаемом топливе, не является необходимым благом, так как лишает возможности использовать возобновляемое электрическое отопление, этого можно достичь, получая электричество из возобновляемых источников.

Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на озабоченность по поводу эффективности и окружающей среды. В 2015 году Франция вырабатывала только 6% своей электроэнергии из ископаемых видов топлива, в то время как Австралия производила более 86% электроэнергии из ископаемых видов топлива. ^[8] Чистота и эффективность электричества зависят от источника.

В Швеции использование прямого электрического отопления было ограничено с 1980-х годов по этой причине, и есть планы полностью отказаться от него - см. Поэтапный отказ от нефти в Швеции - в то время как Дания запретила установку прямого электрического отопления помещений в новых зданиях. по аналогичным причинам. ^[9] В случае новых зданий могут использоваться энергосберегающие строительные технологии , которые могут практически устранить необходимость в отоплении, например, построенные по стандарту Passivhaus .

Однако в Квебеке электрическое отопление по-прежнему является самой популярной формой отопления дома. Согласно опросу Статистического управления Канады за 2003 год , 68% домохозяйств в провинции используют электричество для отопления помещений. Более 90% всей электроэнергии, потребляемой в Квебеке, вырабатывается плотинами гидроэлектростанций , которые имеют низкие выбросы парниковых газов по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе . Низкие и стабильные ставки взимает Hydro-Québec , коммунальное предприятие, находящееся в собственности провинции. ^[10]

Для более эффективного обеспечения тепла тепловой насос с электрическим приводом может повышать температуру в помещении за счет извлечения энергии из земли, наружного воздуха или потоков отходов, таких как отработанный воздух. Это может снизить потребление электроэнергии до 35% от потребляемой резистивным нагревом. ^[11] Если основным источником электроэнергии является гидроэлектростанция, атомная энергия или ветер, передача электроэнергии через сеть может быть удобной, поскольку этот ресурс может быть слишком удаленным для приложений прямого нагрева (за заметным исключением солнечной тепловой энергии ).

Электрификация тепла помещений и нагрева воды все чаще предлагается как способ обезуглероживания нынешней энергетической системы, особенно с помощью тепловых насосов . В случае крупномасштабной электрификации необходимо учитывать влияние на электросеть из-за потенциального увеличения пикового спроса на электроэнергию и воздействия экстремальных погодных явлений. ^[12]

Экономические аспекты [ править ]

Во многих регионах эксплуатация электрических резистивных нагревателей для обогрева помещения в течение длительного времени обходится дорого. Однако периодическое или неполное дневное использование может быть более эффективным с точки зрения затрат, чем отопление всего здания из-за превосходного зонального контроля.

Например: столовая в офисе имеет ограниченное время работы. В периоды низкой нагрузки система центрального отопления обеспечивает «контрольный» уровень тепла (50 ° F или 10 ° C). Пиковое время использования с 11:00 до 14:00 подогревается до «комфортного уровня» (70 ° F или 21 ° C). Существенная экономия может быть достигнута в общем энергопотреблении, поскольку потери инфракрасного излучения из-за теплового излучения не так велики при меньшем температурном градиенте как между этим пространством и ненагретым наружным воздухом, так и между холодильником и (теперь более прохладной) столовой.

С экономической точки зрения электрическое тепло можно сравнить с другими источниками отопления дома, умножив местные затраты на киловатт-час электроэнергии на количество киловатт, которое использует обогреватель. Например: нагреватель мощностью 1500 Вт по цене 12 центов за киловатт-час 1,5 × 12 = 18 центов в час. ^[13] При сравнении сжигания топлива может быть полезно преобразовать киловатт-часы в БТЕ : 1,5 кВт · ч × 3412,142 = 5118 БТЕ.

Промышленное электрическое отопление [ править ]

Электрическое отопление широко применяется в промышленности. ^[14]

Преимущества методов электрического нагрева перед другими формами включают прецизионный контроль температуры и распределения тепловой энергии, сжигание, которое не используется для выработки тепла, и способность достигать температур, которые нелегко достичь с помощью химического сжигания. Электрический нагрев может быть точно применен в точной точке, необходимой в процессе, с высокой концентрацией энергии на единицу площади или объема. Электрические нагревательные устройства могут быть изготовлены любого необходимого размера и могут быть размещены в любом месте завода. Процессы электрического обогрева обычно чистые, тихие и не выделяют много побочного тепла в окружающую среду. Электронагревательное оборудование имеет высокую скорость отклика, что делает его быстроразвивающимся оборудованием массового производства.

Ограничения и недостатки электрического обогрева в промышленности включают более высокую стоимость электроэнергии по сравнению с прямым использованием топлива, а также капитальные затраты как на сам электрический обогреватель, так и на инфраструктуру, необходимую для доставки большого количества электроэнергии к месту использования. . Это может быть в некоторой степени компенсировано увеличением эффективности на предприятии (на месте) за счет использования меньшего количества энергии для достижения того же результата.

Проектирование промышленной системы отопления начинается с оценки необходимой температуры, количества необходимого тепла и возможных режимов передачи тепловой энергии. Помимо теплопроводности, конвекции и излучения, методы электрического нагрева могут использовать электрические и магнитные поля для нагрева материала.

Методы электрического нагрева включают резистивный нагрев, электродуговый нагрев, индукционный нагрев и диэлектрический нагрев. В некоторых процессах (например, дуговой сварке ) электрический ток подается непосредственно на заготовку. В других процессах тепло выделяется внутри детали за счет индукционных или диэлектрических потерь . Кроме того, тепло может производиться и передаваться на работу за счет теплопроводности, конвекции или излучения.

Промышленные процессы нагрева в широком смысле можно разделить на низкотемпературные (примерно до 400 ° C или 752 ° F), среднетемпературные (от 400 до 1150 ° C или от 752 до 2102 ° F) и высокотемпературные (выше 1150 ° C. или 2102 ° F). Низкотемпературные процессы включают обжиг и сушку, отверждение отделки , пайку , формование и формование пластмасс. Среднетемпературные процессы включают плавление пластмасс и некоторых неметаллов для литья или изменения формы, а также отжиг, снятие напряжений и термическую обработку металлов. Высокотемпературные процессы включают выплавку стали , пайку , сварку , литье металлов, резку, плавку. и приготовление некоторых химикатов.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]