Вентилятор это какая энергия

Обновлено: 16.05.2024

Немного теории

Теплообмен в радиаторах систем охлаждения

В основе расчетов систем охлаждения лежит формула теплопередачи

где ΔQ – количество тепла, передаваемое телу;
m – масса тела;
ΔT – разница температур;
C – удельная теплоемкость.

Из приведенной формулы можно сделать важные выводы. Если ΔQ и С – величины постоянные, то чем больше ΔT , тем меньше m. И еще: количество тепла ΔQ, которое может быть передано от одного тела другому, прямо пропорционально разнице температур этих двух тел ΔT. Относительно теплообмена в радиаторе системы охлаждения это означает: чем больше разница температур охлаждающей жидкости и окружающего воздуха ΔT (T_ж–T_в), тем меньший поток воздуха F, кг/с, требуется для охлаждения. Эта зависимость представлена на рис. 1. Из графика видно: когда температура окружающего воздуха приближается к температуре охлаждающей жидкости, т. е. ΔT уменьшается почти до нуля, требуемый поток воздуха стремительно увеличивается.

Этот и приведенные ниже графики построены на основе реальных испытаний.

Энергия, необходимая для создания воздушного потока заданной величины

Теперь рассмотрим зависимость энергопотребления привода вентилятора от величины воздушного потока и его скорости.

Как известно из классической механики, количество энергии, необходимой для приведения тела в движение, пропорционально скорости тела в квадрате:

Применительно к системе охлаждения из этого уравнения следует: чтобы увеличить поток воздуха, проходящий через радиатор, необходимо увеличить скорость потока, если эффективная площадь радиатора остается неизменной.

где Е₁ – энергия, затрачиваемая для создания существующего воздушного потока;
Е₂ – энергия, необходимая для создания будущего воздушного потока;
F₁ – величина существующего воздушного потока;
F₂ – величина необходимого воздушного потока.

Из этого уравнения можно сделать важный вывод: энергия, необходимая для увеличения воздушного потока, пропорциональна отношению новой и старой величин потока в третьей степени. То есть, чтобы увеличить поток воздуха через радиатор в 2 раза, надо увеличить количество энергии в 8 раз (даже без учета возрастания аэродинамического сопротивления радиатора).

На рис. 2 изображена относительная зависимость между мощностью, потребляемой вентилятором, и величиной воздушного потока.

Принципы разработки систем охлаждения

Проектирование системы охлаждения обычно начинают с выбора максимальной рабочей температуры, т. е. максимальной температуры окружающего воздуха, при которой система охлаждения способна поддерживать температуру охлаждающей жидкости двигателя на заданном уровне.

После выбора максимальной рабочей температуры можно определить расчетный перепад температур ΔT в системе и величину необходимого воздушного потока. Чем выше выбранная максимальная рабочая температура, тем больше величина необходимого воздушного потока.

Проще говоря, если мы рассчитываем систему охлаждения для работы в средней полосе, взяв за максимум температуру окружающего воздуха +35 °С, нам потребуется менее мощный вентилятор, чем в случае, когда система охлаждения будет рассчитана на работу при +50 °С.

Для создания оптимальной по характеристикам системы охлаждения следует учитывать факторы, перечисленные далее.

Как правильно выбрать максимальную рабочую температуру

Если выбрать слишком низкую максимальную рабочую температуру, машина будет перегреваться при высоких температурах окружающего воздуха, но если выбрать чрезмерно высокую, заложив в конструкцию системы охлаждения слишком большой запас производительности, система будет потреблять слишком большую мощность, а это приведет к перерасходу топлива и ухудшению экономичности машины. Поэтому очень важно выбрать оптимальное значение максимальной рабочей температуры.

На рис. 4 представлена зависимость мощности, потребляемой вентилятором, от температуры окружающего воздуха: мощность быстро падает с понижением температуры. Если температура окружающего воздуха опускается всего на 17 °С ниже максимальной рабочей температуры системы охлаждения, потребляемая мощность уменьшается более чем на 50%.

Свести к минимуму нагрузку на систему охлаждения

Следует выявить и исключить все паразитные нагрузки на двигатель, которые увеличивают его теплоотдачу и нагрузку на систему охлаждения. Такие паразитные нагрузки обычно появляются из-за нерациональных конструкторских решений.

Сравним: ременный привод вентилятора обычно имеет к.п.д. 93–98% и не увеличивает нагрузку на систему охлаждения.

Выбор диаметра вентилятора

Увеличивая диаметр крыльчатки вентилятора, можно увеличить площадь сечения воздушного потока, за счет чего можно уменьшить его скорость. Поскольку площадь круга изменяется пропорционально величине диаметра в квадрате, скорость воздушного потока изменяется пропорционально квадрату диаметра вентилятора.

Как установлено ранее, потребляемая вентилятором мощность изменяется пропорционально квадрату скорости воздушного потока. Таким образом, мощность, потребляемая вентилятором, изменяется обратно пропорционально изменению диаметра в четвертой степени:

где Е₁ – мощность, потребляемая существующим вентилятором;
Е₂ – мощность, потребляемая новым вентилятором;
Ø₁ – диаметр существующего вентилятора;
Ø₂ – диаметр нового вентилятора.

Из уравнения видно, что при увеличении диаметра вентилятора на 10% (и соответственно площади радиатора) потребляемая вентилятором мощность снижается на 32% при сохранении прежней величины воздушного потока. Поэтому выгодно использовать радиатор и вентилятор наибольшего размера, которые можно разместить в подкапотном пространстве машины.

Системы с регулируемой величиной воздушного потока

Оптимальное решение. Системы охлаждения с регулируемой величиной воздушного потока позволяют обеспечивать высокую максимальную рабочую температуру без чрезмерных паразитных затрат мощности. Два наиболее распространенных способа регулировки величины воздушного потока – изменение частоты вращения или угла поворота лопастей вентилятора. Следует заметить, что уменьшение частоты вращения вентилятора выгодно не только с точки зрения экономии мощности, но и для снижения шума работы.

Вентиляторы охлаждения с поворачивающимися лопастями (изменяемым шагом) позволяют регулировать воздушный поток. Использование таких вентиляторов дает возможность разработчикам систем охлаждения обеспечить требования при экстремально высоких температурах окружающего воздуха и в то же время свести к минимуму потребление мощности на привод.

На рис. 5 представлена зависимость величины воздушного потока, проходящего через радиатор, от статического давления: при увеличении статического давления воздушный поток уменьшается. Чем больше воздуха будет проходить через радиатор, тем большее давление потребуется создать. На графике видно, как изменяется величина воздушного потока при изменении угла поворота лопастей (кривые сдвигаются на графике).

Испытания показали, что даже при относительно теплой погоде (+27 °С) использование вентилятора с поворачивающимися лопастями позволило снизить потребляемую мощность до 50%.

Если включить в сеть обычную лампочку или электрочайник, спираль этих приборов начнет нагреваться и выделять тепло. А при работе вентилятора теплового излучения нет, хотя он тоже подключается к сети. Этот феномен объясняет закон Джоуля-Ленца, который широко используется в прикладной электротехнике. В данном материале мы познакомимся с ним, узнаем определение, формулы и физический смысл правила.

О чем эта статья:

8 класс, 10 класс

Закон Джоуля-Ленца

На примере многих бытовых приборов понятно, что если через участок цепи проходит электроток и при этом не совершается какая-либо работа, то происходит нагревание проводника. Иногда оно идет на пользу — например, в лампе накаливания или в аппарате дуговой сварки. Но в других случаях тепловой эффект нежелателен — например, перегрев электрической проводки в здании может вызвать пожар. Поэтому в наших интересах управлять таким эффектом, и правило Джоуля-Ленца определяет, от чего зависит тепловое действие тока.

Правило было сформулировано в результате опытов двух ученых — англичанина Джеймса Прескотта Джоуля и российского физика Эмилия Христиановича Ленца. Поскольку ученые работали независимо друг от друга, новый закон назвали двойным именем.

Закон Джоуля-Ленца кратко: нагревание проводника или полупроводника прямо пропорционально его сопротивлению, времени действия тока и квадрату силы тока.

Поскольку сопротивление проводника определяют такие характеристики, как его длина, площадь и проводимость, верны следующие утверждения:

количество теплоты в проводнике снижается при увеличении площади его сечения;

тепловой эффект снижается при уменьшении длины проводника.

Это легко проиллюстрировать, подключив к источнику питания две лампы с разным сопротивлением вначале последовательно, а после — параллельно. При последовательном подключении лампа с большим сопротивлением будет светить ярче, а при параллельном — наоборот.

Природа тепла в проводниках

Разберемся, как происходит нагрев проводника и каким образом этот процесс отвечает формулировке законе Джоуля-Ленца. Как известно, электрический ток представляет собой направленный поток электронов, если речь идет о металлах, и направленный поток ионов — если о растворах электролитов. Проводником называют такой металл, в котором много свободных электронов.

При подключении проводника к сети электроны начинают двигаться в одном направлении под действием электрического поля. При движении они сталкиваются с атомами проводника и передают им свою кинетическую энергию. Чем выше скорость заряженных частиц, тем чаще происходят такие столкновения и больше выделяется кинетической энергии. Часть этой энергии трансформируется в тепло, поэтому проводник нагревается.

Высокая сила тока означает, что через сечение проводника проходит много свободных электронов и столкновения происходят часто. Соответственно, частицам проводника передается много энергии, и он греется сильнее. Именно поэтому в законе Ленца-Джоуля говорится о том, что количество выделяемой теплоты пропорционально квадрату силы тока.

Теперь представим, что сечение проводника увеличилось. Конечно, столкновений частиц будет меньше, а значит — выделится меньше тепла. Вспоминаем, что удельное сопротивление проводника обратно пропорционально его сечению. Чем меньше сечение материала, тем выше его сопротивление и тем сильнее он нагревается. Вот мы и описали тепловое действие тока в соответствии с законом Джоуля-Ленца.

Уравнение Джоуля-Ленца

Посмотрим, как данный закон выражается в математическом виде. Допустим, на некоем участке цепи проходит электрический ток и вызывает нагревание проводника. Если на этом участке нет каких-либо механических процессов или химических реакций, требующих энергозатрат, выделенная проводником теплота Q равна работе тока A.

Q = A

Поскольку А = IUt, где I — сила тока, U — напряжение, а t — время, Q = IUt.

Теперь вспомним, что напряжение можно выразить через сопротивление и силу тока U = IR. Подставим это в формулу:

Q = IUt = I(IR)t = I 2 Rt

Q = I 2 Rt

Мы выразили количество теплоты в проводнике через сопротивление — эта формула для закона Джоуля-Ленца называется интегральной.

Но бывает так, что сила электрического тока неизвестна, зато есть информация о напряжении на участке цепи. В таком случае нужно использовать закон Ома:

I = U/R

Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы:

Напомним, что такое уравнение, как и предыдущее, верно только в том случае, когда вся работа электрического тока уходит на выделение тепла и нет других потребителей энергии.

Итак, у нас есть две формулы для определения количества теплоты, выделяемой проводником при прохождении через него электричества:

При расчетах используют следующие единицы измерения:

количество тепла Q— в джоулях (Дж);

силу тока I — в амперах (А);

сопротивление R — в омах (Ом);

время t — в секундах (с).

Практическое применение

Применение на практике закона Джоуля-Ленца заключается в том, что тепловым действием электрического тока можно управлять, подбирая проводники с нужным сопротивлением. К примеру, для электрических нагревательных приборов, которые должны выделять максимум тепла, выбирают проводники с высоким сопротивлением.

Низкое сопротивление, напротив, позволяет проводнику практически не нагреваться при прохождении тока. Поэтому на промышленных предприятиях с усиленными требованиями к пожаробезопасности для прокладки линий электропередач используется медный кабель. Удельное сопротивление меди сечением 1 мм 2 равно 0,0175 Ом, в то время как у алюминия оно составляет 0,0271 Ом. Медь практически не нагревается, чем снижает риск возгораний.

Примеры задач

Задача 1

Электроплита подключена к сети с напряжением 220 В. Какое количество тепла выделит ее нагревательный элемент за 50 минут, если известно, что сила тока в цепи составляет 10 А.

Решение:

t = 50 мин = 3000 с;

Для того, чтобы рассчитать количество тепла, в данном случае подойдет интегральная формула Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt, однако мы не знаем, чему равно сопротивление R. Однако согласно закону Ома R = U/I.

Вычислим сопротивление: R = U/I = 220/10 = 22 Ом.

Подставим имеющиеся данные в формулу:

Q = I 2 Rt = 10 2 × 22 × 3000 = 6 600 000 Дж = 6,6 МДж.

Ответ: плита выделит 6,6 мегаджоулей тепла.

Задача 2

Для обогрева дома требуется, чтобы отопительный прибор выделял 125 кДж тепла в час. Напряжение в электрической сети составляет 220 В. Каким должно быть электрическое сопротивление проводника, чтобы обеспечить данную теплоотдачу?

На улице плавится асфальт, а в квартире и кабинете — вы сами? Пришло время выбрать хороший вентилятор для дома и офиса! Мы изучили характеристики вентиляторов и дадим советы по выбору. Лучшие модели 2021 г. — в нашей статье.

Виды вентиляторов по назначению:

вентилятор для дома — как правило, это напольный вентилятор. Прибор чаще всего поддерживает несколько скоростей, а блок с лопастями может поворачиваться на некоторый радиус;

вентилятор для офиса — очень часто производbтся в настольном исполнении. Сегодня на рынке доступны очень компактные и недорогие настольные вентиляторы, которые подключаются не только к сети, но и к компьютеру по USB. Такие приборы формируют слабый воздушный поток, который не вызывает неприятных ощущений и не срывает бумаги со стола. Настольный вентилятор — лучшее решение для тех, кто боится сквозняков;

вентилятор промышленный — применяется в производственных помещениях. Такие приборы используют либо для вентиляции, либо для других целей (просушивание свежей штукатурки, сушка пиломатериалов и т.д.). Они обладают большой мощностью и формируют сильный воздушный поток.

Виды вентиляторов по конструкции

Напольные вентиляторы

Самый распространенный тип вентиляторов. Напольный вентилятор устроен очень просто: на высокой ножке установлен двигатель с лопастями и блок управления. Такой прибор можно купить как для офиса, так и для дома (если у вас достаточно свободного места). Практически все современные напольные вентиляторы можно регулировать по высоте, а также настраивать интенсивность обдува (как правило, имеется 3 режима). Часто можно встретить и вентиляторы с пультом дистанционного управления.

По конструкции напольные вентиляторы могут быть осевыми, радиальными и безопасными.

Радиальный вентилятор устроен сложнее. Ротор вращает изогнутые лопасти и с силой выталкивает находящийся внутри воздух. Конструкция радиальных вентиляторов позволяет выпускать воздух во всех направлениях, что очень удобно. Бытовые модели чаще всего исполнены в виде вытянутого узкого столбика.
Радиальный вентилятор не занимает много места и стильно смотрится в современном интерьере. Однако высокая цена не сделала этот тип вентиляторов популярным.

В безлопостном вентиляторе воздух нагнетает специальная турбина, которая подает его в нужном направлении. Его можно узнать по круглой или овальной раме. Вентилятор-кольцо очень стильно смотрится в интерьере, а за счет отсутствия лопастей безопасен для маленьких детей.

Таким образом, основные преимущества всех типов напольных вентиляторов — высокая мощность и наличие поворотного механизма. Они позволяют обеспечить комфортный микроклимат в комнате или офисном кабинете. Главный недостаток — габариты. В тесной комнате напольный вентилятор будет съедать и без того ценное пространство. К тому же нужно продумать, где хранить прибор в холодное время года. Придется искать место на балконе, в кладовке или большом шкафу.

Настольные вентиляторы

Настольный вентилятор гораздо компактнее напольного и станет настоящим спасением в офисе или небольшой комнате. Размеры лопастей у прибора меньше, чем у полноразмерной модели. Чтобы компенсировать этот недостаток, производители часто увеличивают число оборотов лопастей. Поэтому перед покупкой рекомендуется проверить возможности прибора, чтобы не купить слишком слабый или чересчур мощный вариант.

Потолочные вентиляторы

Устанавливаются стационарно под потолком (однако существуют модели и для крепления на стену). Потолочный вентилятор отличается более длинными лопастями. Поэтому даже на низких оборотах он может создать мощный воздушный поток. За счет этого потолочный вентилятор может стать прекрасной альтернативой кондиционеру, особенно для небольшой комнаты.

Когда на улице холодает, быстро прогреть комнату поможет тепловентилятор. Это компактное устройство, которое подаёт тёплый воздух в помещение. Оно пригодится не только осенью, но и весной, если отопление отключили слишком рано, в зимние морозы и даже прохладными летними вечерами. Тепловентилятор занимает мало места, им просто пользоваться, он потребляет не слишком много электричества. О том, сколько именно электроэнергии расходует этот прибор — в нашей статье.

Что означает мощность тепловентилятора?

Мощность — один из ключевых параметров, влияющих на то, сколько энергии потребляет тепловентилятор. Для таких приборов указывают максимальную потребляемую мощность. Она соответствует количеству электроэнергии в час, которое прибор будет расходовать при непрерывной работе в режиме максимального нагрева на максимальной скорости вентилятора.

Получается, что устройство мощностью 2 кВт будет потреблять 2000 Вт каждый час при условии непрерывной работы. Согласно таким расчётам, за сутки израсходуется 48 кВт, а за месяц – 1500 киловатт. На практике расход куда меньше, и вот почему:

Даже если прибор включён постоянно, он работает с перерывами.
Тепловентиляторы далеко не всегда используются на максимальной мощности.
Если прибор выбран правильно, его достаточно включать всего на несколько часов в сутки, причём даже в это время он не будет работать непрерывно.

У тепловентиляторов Polaris есть два режима работы: при мощности 1000 Вт и 2000 Вт. Обычно для того, чтобы сэкономить электроэнергию, прибор включают на мощности 2 кВт на короткое время, пока комната прогревается. Чаще всего уже через 20-30 минут (а иногда и быстрее) температура становится комфортной, и можно переключиться в более экономный режим, чтобы устройство работало на мощности 1000 кВт. Эта мощность также является максимально возможной, и на практике, когда прибор просто поддерживает комфортный уровень температуры в помещении, в час он потребляет намного меньше энергии.

Что влияет на расход электроэнергии тепловентилятором?

Как много электроэнергии потребляет тепловентилятор, определяется несколькими параметрами:

площадь помещения, температура воздуха в нём;
величина теплопотерь;
характеристики, особенности конструкции прибора.

Как на расход энергии влияет площадь комнаты?

Каждая модель тепловентилятора рассчитана на обогрев помещения определённой площади. От этого зависит не только размер нагревательного элемента и его способность к теплоотдаче, но и мощность вентилятора, конструкция корпуса, а также другие параметры. Для моделей Polaris рекомендуемая площадь обогрева — 20 м2. Их можно использовать и в комнатах большей площади, но тогда прибор будет работать дольше, с большим энергопотреблением. Напротив, если установить его в комнате меньшей площади, включать прибор нужно будет реже, и он будет потреблять меньше электроэнергии.

Рассчитывая, сколько электричества потребляет тепловентилятор, правильнее учитывать не площадь комнаты, а ее объём. Для этого принимают в расчёт высоту потолков в комнате. Если она средняя (2,5-2,7 м), объём помещения составляет 50-55 м3, рекомендуемая для приборов Polaris площадь (20 м2) сохраняется. Если высота потолков больше, площадь пропорционально уменьшается так, чтобы объём составлял те же 50-55 м3. При низких потолках площадь обогреваемого помещения может быть немного больше.

Величина теплопотерь — основной показатель

Чем больше потери тепла, тем быстрее остывает комната, и тем больше электроэнергии тратит тепловентилятор, чтобы сохранять комфортную температуру. Потери тепла зависят от многих параметров:

разница температур воздуха на улице и в помещении;
эффективность утепления наружных стен, перекрытий, оконных проёмов;
количество, площадь окон;
наличие сквозняков, прямых вентиляционных выходов на улицу.

Как характеристики тепловентилятора влияют на то, сколько кВт он потребляет?

Существует несколько способов сделать тепловентилятор более экономичным:

Правильный выбор режима работы влияет на то, сколько электроэнергии тратит тепловентилятор:

если нужно быстро прогреть холодную комнату, прибор включают ненадолго, но на максимальную мощность;
если прогрев воздуха может быть медленным, или нужно поддерживать определенную температуру, устанавливают минимальную или среднюю мощность.

Термостат позволяет автоматически управлять работой прибора. Он срабатывает, когда температура воздуха в помещении опускается ниже заданного значения, тогда включается нагрев. Когда воздух достаточно прогревается, термостат отключает устройство. При автоматическом управлении даже тепловентилятор мощностью 2000 Вт потребляет немного энергии. Прибор работает только тогда, когда это необходимо, что обеспечивает большую экономию.

Если подогретый воздух распределяется равномерно, комната будет прогреваться быстрее, а расход электричества уменьшится. У домашних тепловентиляторов Polaris мощные вентиляторы и широкие отверстия для подачи воздуха. Это помогает распределять тепло быстро и равномерно.

Как можно уменьшить расход электроэнергии?

Чтобы любой тепловентилятор или обогреватель (в том числе, керамический или инфракрасный), потреблял меньше энергии, нужно:

ставить прибор как можно ниже (лучше на пол), так как тёплый воздух поднимается от пола к потолку;
обеспечить равномерное распределение тепла: лучше направлять устройство так, чтобы поток подогретого воздуха проходил через всю комнату;
плотно закрывать окна и двери, чтобы уменьшить потери тепла (но периодически проветривать для доступа свежего воздуха);
прогревать холодную комнату в максимальном режиме, а затем уменьшать мощность.

Эти меры помогут уменьшить расход электроэнергии при работе тепловентилятора даже в самые холодные месяцы.

Читайте также: