в чем смысл в физике, какой имеет вид, формула, составляющие
Содержание:
- Теплообмен в системе — в чем смысл в физике
- Уравнение теплового баланса
- Примеры решения задач
Содержание
- Теплообмен в системе — в чем смысл в физике
- Уравнение теплового баланса
- Примеры решения задач
Теплообмен в системе — в чем смысл в физике
Все тела в замкнутой системе «взаимодействуют» друг с другом путем отдачи либо получения энергии.
При этом начальная температура каждого из них меняется: более горячие отдают «градусы» менее нагретым, и наоборот: холодные нагреваются до средней по системе температуры.
Такая теплопередача может осуществляться как непосредственно от тела к телу, так и путем перегородок, заключенных внутрь системы. Говоря языком физики, устанавливается термодинамическое равновесие.
Определение
Теплообмен (теплопередача) — определенный физический процесс, при котором тепловая энергия переходит от тела, имеющего более высокую температуру, к телу, менее нагретому.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Он протекает до тех пор, пока в системе установится термодинамическое равновесие.
Определение
Термодинамическое равновесие — состояние замкнутой системы тел с неизменными параметрами: температурой, давлением, объемом, энтропией.
На основании закона сохранения энергии получается, что для замкнутой системы та теплота, которая теряется телами, более нагретыми, равна тому количеству, которое приобретают менее холодные.
Когда в результате такого обмена теплом внутренняя энергия нагревающегося тела (и, соответственно, его температура) меняется, имеет значение еще один параметр. Это теплоемкость вещества. Она показывает, сколько нужно энергии, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 Кулон. Рассчитать можно по формуле:
\(Q=c\times m\times(t2-t1)=c\times m\times\Delta t\)
Примечание
Единицы измерения температуры в данной формуле не имеют значения, поскольку выражение затрагивает разницу градусов.
Из математического выражения видно, если температура второго тела (t2) выше первого, то Q положительное. Если t2 меньше, чем t1, то количество теплоты отрицательно, следовательно, тепло отдается.
Способность тела передавать либо принимать энергию (тепло) определяется удельной теплоемкостью вещества, из которого оно изготовлено.
Если эту величину умножить на конкретную массу тела, то получится высчитать теплоемкость тела. Для этого существует формула:
\(C=c\times m\)
Зная теплоемкость тела, можно рассчитать получаемое либо отдаваемое количество теплоты, если тело войдет в замкнутую систему. Формула имеет следующий вид:
\(Q=c\times(t2-t1)\)
ПримечаниеНельзя путать эти два обозначения: буква с — удельная теплоемкость, С — теплоемоксть.
Уравнение теплового баланса
Когда система тел замкнута, никакого движения энергии, кроме обмена между участниками, не происходит. При этом то тепло, которое одни тела отдают, равняется тому, которые получают более холодные. Теплообмен перестает происходить на том этапе, когда температуры участников изолированной системы уравниваются, т.е. наступает термодинамическое равновесие. Это есть пояснение уравнения теплового баланса, математическая запись которого имеет следующий вид:
Q1отд+Q2отд+.
..=Q1погл+Q2погл+…
Определение
Для замкнутой системы сумма модулей количества теплоты, которые отдаются одними телами и сумма модулей количества теплоты, которые получаются другими, являющимися полноправными участниками теплообмена, равна 0.
Поскольку в формуле заложены значения параметров по модулю, всегда из большего вычитается меньшее. Вид уравнения, записанного без модулей, подразумевает вычитание из конечной температуры первичной.
Примеры решения задач
Использование уравнения теплового баланса необходимо при решении задач как для тел, поглощающих тепло (нагревание, парообразование, плавление), так и отдающих его другим телам замкнутой системы (кристаллизация, конденсация, сгорание топлива, охлаждение).
Задача №1.
Какую минимальную массу льда нужно положить в калориметр с 0,5 кг воды с температурой 20°C, чтобы охладить ее до 0°C?
Известно, что удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг×оС, =3,3×105Дж⁄кг.
Принимается условие, что система тел, о которой идет речь, замкнутая.
Исходя из уравнения теплового баланса,
Qв+Qл=0
То тепло, которое отдает вода, можно измерить по формуле:
\(Q_в=c\times mв\times(t_{2в}-t_{1в})\)
Лед, плавясь от нагревания, получает следующее количество теплоты:
\(Q_л=\lambda_ л\times m_л\)
Зная, что сумма этих двух выражений равна нулю, получаем формулу для нахождения искомого значение:
\(\lambda _л\times m_л=-c\times m_в\times(t_{2в}-t_{1в})\)
или
\(\lambda_л\times m_л=c\times m_в\times(t_{1в}-t_{2в})\)
Подставив в формулу значения, получаем ответ.
Задача № 2
В стакан с водой при температуре 20°C, заполненный на одну четверть объема, долили три четверти кипятка. Какая температура воды стала, если условно рассматривать систему замкнутой, т.е. тепловое излучение, идущее на нагревание стекла не учитывать.
В основе решения лежит уравнение теплового баланса:
Qг+Qх=0
Объем горячей воды по условии равен три четверти стакана, холодной — одна четверть.
\(mг=3⁄4V\times\rho\)
\(mх=1⁄4V\times\rho\)
Теперь, используя формулы теплового равновесия, выводим конечную формулу для решения задачи:
\(c\times m_х(t_{2см}-t_{1x})=-c\times m_г\times(t_{2см}-t_{1г})\)
\(1/4\times V\times\rho\times c\times(t_2\times c\times m-t_1\times x)=3/4V\times\rho\times c_в\times(t_{1г}-t_2\times c\times m)\)
Обработав формулу математически, выводится следующее отношение:
\((t_{2cm}-t_{1x})=3\times(t_1-t_{2cm})\)
В итоге:
\(4t_{2cm}=3t_{1г}+t_{1x}\)
Подставляя имеющиеся значения, легко находится искомая величина.
Насколько полезной была для вас статья?
У этой статьи пока нет оценок.
Поиск по содержимому
ОглавлениеВВЕДЕНИЕ§ 1.2. Физика и техника. § 1.3. Понятие о величине и измерении. Физические величины. § 1.4. Прямое и косвенное измерения.  § 1.5. Звездное небо и его видимое вращение. § 1.6. Угловые измерения на небе. § 1.7. Определение расстояний до небесных тел на основе измерения параллаксов. § 1.8. Основные единицы времени и их связь с движением Земли. § 1.9. Правило вывода единиц физических величин из формул. Международная система единиц СИ. § 1.10. Плотность вещества. Раздел I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОТА Глава 2. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА § 2.2. Диффузия. § 2.3. Силы молекулярного взаимодействия. § 2.4. Кинетическая и потенциальная энергия молекул. § 2.5. Агрегатное состояние вещества. § 2.6. Понятие о температуре и внутренней энергии тела. Глава 3. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА § 3.2. Броуновское движение. § 3.3. Измерение скорости движения молекул газа. Опыт Штерна. § 3.4. Распределение молекул по скоростям их хаотического движения. § 3.5. Размеры и массы молекул и атомов. § 3.  6. Постоянная Авогадро и постоянная Лошмидта.§ 3.7. Число столкновений и длина свободного пробега молекул в газе. § 3.8. Давление газа. Манометры. § 3.9. Понятие вакуума. § 3.10. Межзвездный газ. Глава 4. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ СВЯЗЬ С ЭНЕРГИЕЙ МОЛЕКУЛ ГАЗА § 4.2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов. § 4.3. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. § 4.4. Абсолютный нуль. § 4.6. Связь между температурой и кинетической энергией молекул газа. Постоянная Больцмана. Глава 5. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА § 5.2. Объединенный газовый закон. Приведение объема газа к нормальным условиям. § 5.3. Молярная газовая постоянная. Определение числового значения постоянной Больцмана. § 5.4. Уравнение Клапейрона — Менделеева. Плотность газа. § 5.5. Зависимость средней квадратичной скорости молекул газа от температуры.  § 5.6. Изохорический процесс. § 5.7. Изобарический процесс. § 5.8. Изотермический процесс. § 5.9. Внутренняя энергия идеального газа. § 5.10. Работа газа при изменении его объема. Физический смысл молярной газовой постоянной. Глава 6. ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ § 6.2. Теплообмен. § 6.3. Виды теплообмена. § 6.4. Изменение внутренней энергии при нагревании и охлаждении. § 6.5. Уравнение теплового баланса при теплообмене. § 6.6. Подсчет теплоты, выделяемой при сжигании топлива. К. п. д. нагревателя. § 6.7. Изменение внутренней энергии при выполнении механической работы. Опыт Джоуля. § 6.8. Закон сохранения и превращения энергии в механике. § 6.9. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. § 6.10. Первое начало термодинамики. § 6.11. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам в идеальном газе. § 6.12. Адиабатный процесс. § 6.13. Понятие о строении Солнца и звезд.  Глава 7. ПЕРЕХОД ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЕ И ОБРАТНО § 7.2. Испарение. § 7.3. Теплота парообразования. Глава 8. СВОЙСТВА ПАРОВ. КИПЕНИЕ. КРИТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА § 8.2. Свойства паров, насыщающих пространство. § 8.3. Свойства паров, не насыщающих пространство. § 8.4. Процесс кипения жидкости. § 8.5. Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления. Точка кипения. § 8.6. Уравнение теплового баланса при парообразовании и конденсации. § 8.7. Перегретый пар и его использование в технике. § 8.8. Критическое состояние вещества. § 8.9. Сжижение газов и использование жидких газов в технике. Глава 9. ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ § 9.2. Абсолютная и относительная влажность воздуха. Точка росы. § 9.3. Приборы для определения влажности воздуха. § 9.4. Понятие об атмосферах планет. Глава 10. СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ § 10.2. Поверхностный слой жидкости. § 10.3. Энергия поверхностного слоя жидкости.  Поверхностное натяжение.§ 10.4. Сила поверхностного натяжения. § 10.5. Смачивание. Краевой угол. § 10.6. Мениск. Давление, создаваемое искривленной поверхностью жидкости. § 10.7. Капиллярность. Капиллярные явления в природе и технике. § 10.8. Понятие о вязкости среды. Ламинарное течение жидкости. § 10.9. Закон Ньютона для внутреннего трения. Динамическая вязкость. § 10.10. Аморфные вещества. Глава 11. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ДЕФОРМАЦИИ § 11.2. Анизотропия кристаллов. Пространственная решетка и ее дефекты. § 11.3. Виды кристаллических структур. § 11.4. Виды деформаций. § 11.5. Механическое напряжение. § 11.6. Упругость, пластичность, хрупкость и твердость. § 11.7. Закон Гука. Модуль упругости. § 11.8. Энергия упруго деформированного тела. Глава 12. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ. СУБЛИМАЦИЯ. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА § 12.2. Удельная теплота плавления. § 12.3. Изменение объема и плотности вещества при плавлении и отвердевании.  § 12.4. Зависимость температуры и теплоты плавления от давления. Точка плавления. § 12.5. Уравнение теплового баланса при плавлении и кристаллизации. § 12.6. Растворы и сплавы. Охлаждающие смеси. § 12.7. Испарение твердых тел (сублимация). § 12.8. Диаграмма состоянии вещества. Тройная точка. Глава 13. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ § 13.2. Линейное расширение твердых тел при нагревании. § 13.3. Объемное расширение тел при нагревании. Зависимость плотности вещества от температуры. § 13.4. Особенности теплового расширения твердых тел. § 13.5. Некоторые особенности теплового расширения жидкостей. § 13.6. Значение теплового расширения тел в природе и технике. Раздел II. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ Глава 14. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ. ЗАКОН КУЛОНА § 14.2. Явления, подтверждающие сложное строение атома. § 14.3. Опыты Резерфорда. Ядерная модель строения атома. § 14.4. Понятие о строении атомов различных химических элементов. § 14.5. Электризация при соприкосновении незаряженных тел.  § 14.6. Сила взаимодействия электрических зарядов. Закон Кулона. § 14.7. Диэлектрическая проницаемость среды. § 14.8. Международная система единиц СИ в электричестве. Электрическая постоянная. § 14.9. Электроскоп. Глава 15. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ § 15.2. Напряженность электрического поля. § 15.3. Линии напряженности электрического поля. § 15.4. Однородное поле. Поверхностная плотность заряда. § 15.5. Работа электрического поля при перемещении заряда. Потенциальная энергия заряда. § 15.6. Потенциал. Разность потенциалов и напряжение. Эквипотенциальные поверхности. § 15.7. Связь между напряженностью поля и напряжением. Градиент потенциала. § 15.8. Проводник в электрическом поле. § 15.9. Электрометр. § 15.10. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. § 15.11. Понятие о сегнетоэлектриках. § 15.12. Пьезоэлектрический эффект. § 15.13. Электроемкость проводника. § 15.14. Условия, от которых зависит электроемкость проводника.  § 15.15. Конденсаторы. § 15.16. Соединение конденсаторов в батарею. § 15.17. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электрического поля. § 15.18. Опыт Милликена. Глава 16. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ. ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА § 16.2. Сила тока и плотность тока в проводнике. § 16.3. Замкнутая электрическая цепь. § 16.4. Электродвижущая сила источника электрической энергии. § 16.5. Внешняя и внутренняя части цепи. § 16.6. Закон Ома для участка цепи без э. д. с. Сопротивление проводника. Падение напряжения. § 16.7. Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника. § 16.8. Зависимость сопротивления от температуры. § 16.9. Сверхпроводимость. § 16.10. Эквивалентное сопротивление. § 16.11. Последовательное соединение потребителей энергии тока. § 16.12. Параллельное соединение потребителей энергии тока § 16.13. Закон Ома для всей цепи. § 16.14. Соединение одинаковых источников электрической энергии в батарею.  § 16.15. Закон Ома для участка цепи с э. д. с. и для всей цепи при нескольких э. д. с. Глава 17. РАБОТА, МОЩНОСТЬ И ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА § 17.2. Мощность электрического тока. § 17.3. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля — Ленца. § 17.4. Короткое замыкание. Практическое применение теплового действия тока. Глава 18. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ § 18.2. Контактная разность потенциалов. § 18.3. Термоэлектродвижущая сила. § 18.4. Явление Пельтье. § 18.5. Применение термоэлектрических явлений в науке и технике. Глава 19. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ § 19.2. Электролиз. § 19.3. Электролиз, сопровождающийся растворением анода. § 19.4. Количество вещества, выделяющегося при электролизе. Первый закон Фарадея. § 19.5. Второй закон Фарадея. Определение заряда иона. § 19.6. Использование электролиза в технике. § 19.7. Гальванические элементы. § 19.8. Аккумуляторы. § 19.9. Применение гальванических элементов и аккумуляторов в технике.  Явление электрокоррозии.Глава 20. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ И В ВАКУУМЕ § 20.2. Зависимость силы тока в газе от напряжения. § 20.3. Электрический разряд в газе при атмосферном давлении. § 20.4. Электрический разряд в разреженных газах. Газосветные трубки и лампы дневного света. § 20.5. Излучение и поглощение энергии атомом. § 20.6. Катодные лучи. § 20.7. Понятие о плазме. § 20.8. Электрический ток в вакууме. § 20.9. Двухэлектродная лампа (диод). § 20.10. Трехэлектродная лампа (триод). § 20.11. Электронно-лучевая трубка. Глава 21. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ § 21.2. Чистые (беспримесные) полупроводники. Термисторы. § 21.3. Примесные полупроводники. § 21.4. Электронно-дырочный переход. § 21.5. Полупроводниковый диод. § 21.6. Полупроводниковый триод (транзистор). Глава 22. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ § 22.2. Магнитное поле как особый вид материи. § 22.3. Магниты. § 22.4. Линии магнитной индукции. Понятие о вихревом поле.  § 22.5. Магнитное поле прямолинейного тока, кругового тока и соленоида. § 22.6. Сравнение магнитных свойств соленоида и постоянного магнита. § 22.7. Сила взаимодействия параллельных токов. Магнитная проницаемость среды. § 22.8. Определение ампера. Магнитная постоянная. § 22.9. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. § 22.10. Однородное магнитное поле. § 22.11. Магнитный момент контура с током. § 22.12. Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле. Магнитный поток. § 22.13. Индукция магнитного поля, создаваемая в веществе проводниками с током различной формы. § 22.14. Напряженность магнитного поля и ее связь с индукцией и магнитной проницаемостью среды. § 22.15. Парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные вещества. § 22.16. Намагничивание ферромагнетиков. Электромагнит. § 22.17. Работа и устройство амперметра и вольтметра. § 22.18. Сила Лоренца. Движение заряда в магнитном поле. § 22.19. Постоянное и переменное магнитные поля.  Глава 23. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 23.2. Явление электромагнитной индукции. § 23.3. Э. д. с. индукции, возникающая в прямолинейном проводнике при его движении в магнитном поле. Правило правой руки. § 23.4. Опыты Фарадея. § 23.5. Закон Ленца для электромагнитной индукции. Объяснение диамагнитных явлений. § 23.6. Величина э. д. с. индукции. § 23.7. Вихревое электрическое поле и его связь с магнитным полем. § 23.8. Вихревые токи. § 23.9. Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце и в космосе. § 23.10. Явление самоиндукции. Э. д. с. самоиндукции. § 23.11. Энергия магнитного поля. Раздел III. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Глава 24. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 24.2. Условия возникновения колебаний. § 24.3. Классификация колебательных движений тела в зависимости от действующей на него силы. § 24.4. Параметры колебательного движения. § 24.5. Величины, характеризующие мгновенное состояние колеблющейся точки. § 24.6.  Гармоническое колебание.§ 24.7. Уравнение гармонического колебания и его график. § 24.8. Математический маятник. § 24.9. Законы колебания математического маятника. Формула маятника. § 24.10. Физический маятник. § 24.11. Практические применения маятников. § 24.12. Упругие колебания. Превращение энергии при колебательном движении. § 24.13. Распространение колебательного движения в упругой среде. § 24.14. Перенос энергии бегущей волной. § 24.15. Поперечные и продольные волны. § 24.16. Волна и луч. Длина волны. § 24.17. Скорость распространения волн и ее связь с длиной волны и периодом (частотой) колебаний. § 24.18. Сложение колебаний, происходящих по одной прямой. § 24.19. Отражение волн. § 24.20. Стоячие волны. § 24.21. Интерференция волн. § 24.22. Сложение колебаний с кратными частотами. Разложение сложного колебания на гармонические составляющие. § 24.23. Вынужденные колебания. Механический резонанс и его роль в технике.  Глава 25. ЗВУК И УЛЬТРАЗВУК § 25.3. Громкость и интенсивность звука. § 25.4. Высота тона и тембр звука. § 25.5. Интерференция звуковых волн. § 25.6. Отражение и поглощение звука. § 25.7. Звуковой резонанс. § 25.8. Ультразвук и его применение в технике. Глава 26. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК § 26.2. Понятие об устройстве индукционных генераторов. § 26.3. Действующие значения э. д. с., напряжения и силы переменного тока. § 26.4. Индуктивность и емкость в цепи переменного тока. § 26.5. Преобразование переменного тока. Трансформатор. § 26.6. Индукционная катушка. § 26.7. Трехфазный ток. § 26.8. Получение, передача и распределение электрической энергии в народном хозяйстве СССР. Глава 27. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 27.2. Затухающие электромагнитные колебания. Электрический резонанс. § 27.3. Получение незатухающих колебаний с помощью лампового генератора. § 27.4. Токи высокой частоты и их применение. § 27.5. Электромагнитное поле как особый вид материи.  § 27.6. Открытый колебательный контур. Излучение. § 27.7. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. § 27.8. Опыты Герца. § 27.9. Изобретение радио А С. Поповым. Радиотелеграфная связь. § 27.10. Радиотелефонная связь. Амплитудная модуляция. § 27.11. Устройство простейшего лампового радиоприемника с усилителем низкой частоты. § 27.12. Понятие о радиолокации. Раздел IV. ОПТИКА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Глава 28. ПРИРОДА СВЕТА. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА § 28.2. Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн. § 28.3. Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка. § 28.4. Источники света. § 28.5. Принцип Гюйгенса. Световые лучи. § 28.6. Скорость распространения света в вакууме. Опыт Майкельсона. § 28.7. Скорость распространения света в различных средах. Глава 29. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА § 29.2. Законы отражения света. § 29.3. Зеркальное и диффузное отражение. Плоское зеркало. § 29.  4. Сферические зеркала.§ 29.5. Построение изображений, получаемых с помощью сферических зеркал. Формула сферического зеркала. § 29.6. Законы преломления света. § 29.7. Абсолютный показатель преломления и его связь с относительным показателем преломления. § 29.8. Полное отражение света. Предельный угол. § 29.9. Прохождение света через пластинку с параллельными гранями и через трехгранную призму. Призма с полным отражением. Глава 30. ЛИНЗЫ. ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЗ § 30.2. Главные фокусы и фокальные плоскости линзы. § 30.3. Оптическая сила линзы. § 30.4. Построение изображения светящейся точки, расположенной на главной оптической оси линзы. § 30.5. Вывод формулы для сопряжеппых точек тонкой линзы. § 30.6. Построение изображения светящейся точки, расположенной на побочной оптической оси линзы. § 30.7. Построение изображений предмета, создаваемых линзой. § 30.8. Линейное увеличение, полученное с помощью линзы. § 30.9. Недостатки линз.  Выясним, какие существенные недостатки встречаются у линз.Глава 31. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. ГЛАЗ § 31.2. Фотографический аппарат. § 31.3. Глаз как оптическая система. § 31.4, Длительность зрительного ощущения. § 31.5. Угол зрения. § 31.6. Расстояние наилучшего зрения. Оптические дефекты глаза. § 31.7. Увеличение оптического прибора. Лупа. § 31.8. Микроскоп. § 31.9. Труба Кеплера. Телескопы. § 31.10. Труба Галилея. Бинокль. Глава 32. ЯВЛЕНИЯ, ОБЪЯСНЯЕМЫЕ ВОЛНОВЫМИ СВОЙСТВАМИ СВЕТА § 32.2. Цвета тонких пленок. § 32.3. Интерференция в клинообразной пленке. Кольца Ньютона. § 32.4. Интерференция света в природе и технике. § 32.5. Дифракция света. § 32.6. Дифракционная решетка и дифракционный спектр. Измерение длины световой волны. § 32.7. Поляризация волн. § 32.8. Поляризация света. Поляроиды. § 32.9. Поляризация при отражении и преломлении света. Глава 33. ФОТОМЕТРИЯ § 33.2. Световой поток. § 33.3. Сила света.  Единицы силы света и светового потока.§ 33.4. Освещенность. § 33.5. Яркость. § 33.6. Законы освещенности. § 33.7. Сравнение силы света двух источников. Фотометр. Люксметр. Глава 34. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ § 34.2. Разложение белого света призмой. Сплошной спектр. § 34.3. Сложение спектральных цветов. Дополнительные цвета. § 34.4. Цвета тел. § 34.5. Ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра. § 34.6. Роль ультрафиолетовых и инфракрасных лучей в природе. Их применение в технике. § 34.7. Приборы для получения и исследования спектров. § 34.8. Виды спектров. § 34.9. Спектры поглощения газов. Опыты Кирхгофа. § 34.10. Закон теплового излучения Кирхгофа. § 34.11. Законы теплового излучения Стефана — Больцмана, Вина, Планка. § 34.12. Спектры Солнца и звезд. Их связь с температурой. § 34.13. Спектральный анализ. § 34.14. Понятие о принципе Доплера. § 34.15. Рентгеновские лучи и их практическое применение.  § 34.16. Шкала электромагнитных волн. § 34.17. Виды космического излучения. Глава 35. ЯВЛЕНИЯ, ОБЪЯСНЯЕМЫЕ КВАНТОВЫМИ СВОЙСТВАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ § 35.2. Давление световых лучей. Опыты П. Н. Лебедева. § 35.3. Тепловое действие света. § 35.4. Химическое действие света. § 35.5. Использование химического действия света при фотографировании. Понятие о квантовой природе химического действия излучения. § 35.6. Внешний фотоэлектрический эффект. Опыты Столетова. § 35.7. Законы внешнего фотоэффекта. § 35.8. Объяснение фотоэффекта на основе квантовой теории. § 35.9. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. § 35.10. Внутренний фотоэффект. § 35.11. Фотосопротивления. § 35.12. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. § 35.13. Использование фотоэлементов в науке и технике. § 35.14. Понятие о телевидении. § 35.15. Понятие о теории Бора. Строение атома водорода. § 35.16. Излучение и поглощение энергии атомами. § 35.17. Явление люминесценции.  § 35.18. Понятие о квантовых генераторах. Глава 36. ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ § 36.2. Экспериментальные основы специальной теории относительности Эйнштейна. Постулаты Эйнштейна. § 36.3. Понятие одновременности. § 36.4. Относительность понятий длины и промежутка времени § 36.5. Теорема сложения скоростей Эйнштейна. § 36.6. Масса и импульс в специальной теории относительности. § 36.7. Связь между массой и энергией. Уравнение Эйнштейна. § 36.8. Связь между импульсом и энергией. Импульс и энергия фотонов. Раздел V. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Глава 37. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА § 37.2. Радиоактивность. § 37.3. Понятие о превращении химических элементов. § 37.4. Понятие об энергии и проникающей способности радиоактивного излучения. § 37.5. Эффект Вавилова — Черенкова. § 37.6. Открытие искусственного превращения атомных ядер. § 37.7. Открытие нейтрона. § 37.8. Состав атомного ядра. Запись ядерных реакций. § 37.  9. Изотопы.§ 37.10. Понятие о ядерных силах. § 37.11. Дефект массы атомных ядер. Энергия связи. Глава 38. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ § 38.2. Открытие позитрона. § 38.3. Нейтрино. § 38.4. Открытие новых элементарных частиц. § 38.5. Классификация элементарных частиц. § 38.6. Античастицы. Взаимные превращения вещества и поля. § 38.7. Гипотеза кварков. Глава 39. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ § 39.2. Деление тяжелых атомных ядер. § 39.3. Цепная реакция деления. Ядерный взрыв. § 39.4. Ядерный реактор. § 39.5. Развитие ядерной энергетики в СССР. § 39.6. Понятие о термоядерной реакции. Энергия Солнца и звезд. § 39.7. Понятие об управляемой термоядерной реакции. § 39.8. Получение радиоактивных изотопов и их применение. Раздел VI. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО АСТРОНОМИИ Глава 40. СТРОЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ВСЕЛЕННОЙ § 40.2. Происхождение и развитие небесных тел. § 40.3. Понятие о космологии. |
С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник.—4-е изд., испр.—М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. — 512 с.
Уравнение теплового баланса процесса горения
Тепловой баланс процесса горения складывается из следующих составляющих:
Приход:
Основная
статья приходной части теплового баланса
– это теплота горения вещества Qгор.
Вторая составляющая – Qисх – теплота исходных веществ, т.е. теплосодержание горючего и окислителя. Эта величина зависит от агрегатного состояния и химической природы горючего. Например, для метана Qисх < 1 %, а для древесины 3%.
Расход:
QПГ – теплота, уходящая с продуктами горения. Так как продукты горения создают конвективный поток над пламенем, то QПГ называют также теплотой конвекции или конвективной теплотой. QПГ колеблется в пределах 35 – 95 % от Qгор.
Qнедожог – это часть химической энергии исходного горючего вещества, заключенная в продуктах неполного горения, уходящих из пламени. В зависимости от условий газообмена и вида горючего. Qнедожог составляет 5 – 25 % от Qгор.
Qизлуч – теплота излучения пламени.
Небольшая
часть ее уходит с конвективным потоком,
а также падает на горящую поверхность,
основная часть излучается в окружающую
среду. Величина Qизлуч достигает до 40 % от Qгор.
С учетом перечисленных составляющих уравнение теплового баланса процесса горения будет выглядеть следующим образом:
Qисх + Qгор = QПГ + Qнедожог + Qизлуч (1)
______________ ____________________________
приход расход
Анализ
этого уравнения показывает, что
практически единственным источником
тепловой энергии любого процесса
горения, а значит, и любого пожара,
является тепловой эффект химических
реакций окисления в пламени, т.е. теплота
горения, которая относится к важнейшим
характеристикам пожарной опасности
веществ и материалов.
Вопрос № 1. Расчет теплового эффекта реакции горения (50 мин.)
Энтальпией горения (Нгор, кДж/моль) вещества называется тепловой эффект реакции окисления 1 моль горючего вещества с образованием высших оксидов.
Теплота горения (Qгор) численно равна энтальпии горения, но противоположна по знаку.
Для индивидуальных веществ тепловой эффект реакции может быть рассчитан по I следствию закона Гесса.
Расчет теплового эффекта реакции горения индивидуального вещества | Пример 1. Рассчитать тепловой эффект реакции горения 1 моль бутанаС4Н10. |
1. Запишем уравнение реакции горения бутана.
С4Н10+ 6,5(О2 +3,76 N2) = 4СО2 + 5Н2О + 6,53,76 N2
2.
Выражение для теплового эффекта этой
реакции по Iследствию
закона Гесса
Н0р-и =4Н0(СО2) + 5Н0(Н2О) — Н0(С4Н10).
3. По таблице 1 приложениянаходим значения энтальпий образования углекислого газа, воды (газообразной) и бутана.
Н0(СО2)=393,5 кДж/моль; Н0(Н2О)=241,8 кДж/моль;
Н0(С4Н10)=126, 2 кДж/моль.
Подставляем эти значения в выражение для теплового эффекта реакции
Н0р-и= 4(–393,5) + 5(–241,8) – (126,2) =2656,8 кДж
Н0р-и=Н0гор=1656,8 кДж/моль илиQгор= + 2656,8
кДж/моль.
Таким образом, при сгорании 1 моля бутана выделяется 2656,8 кДж тепла.
В пожарно-технических расчетах часто пользуются понятием удельной теплоты горения. Удельная теплота горения – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы массы или объема горючего вещества. Размерность удельной теплоты горения – кДж/кг или кДж/м3.
В зависимости от агрегатного состояния воды в продуктах горения различают низшую и высшую теплоту горения. Если вода находится в парообразном состоянии, то теплоту горения называют низшей теплотой горения Qн. Если пары воды конденсируются в жидкость, то теплота горения – высшая Qв.
Температура пламени достигает 100 К и выше, а вода кипит при 373 К, поэтому в продуктах горения на пожаре вода всегда находится в парообразном состоянии, и для расчетов в пожарном деле используется низшая теплота горения Qн.
Низшая
теплота горения индивидуальных веществ
может быть определена переводом значения
Нгор,
кДж/моль в Qн,
кДж/кг или кДж/м3.
Для веществ сложного элементного состава
низшая теплота горения может быть
определена по формуле Д.И. Менделеева.
Кроме того, для многих веществ значения
низшей теплоты горения приведены в
справочной литературе [
], некоторые
данные представлены в приложении
2.
Перевод значения энтальпии горения из кДж/моль в кДж/кг | Пример 2.Энтальпия горения этилацетатаСН3СООС2Н5равнаНгор=2256,3 кДж/моль. Выразить эту величину в кДж/кг. |
Значение Нгор=2256,3 кДж/моль
показывает, что при сгорании 1 моля
этилацетата выделяется 2256,3 кДж тепла,
т.е.Qгор= +
2256,3 кДж/моль.
1 моль СН3СООС2Н5имеет массу 88 г. Можно составить пропорцию
М(СН3СООС2Н5)= 88 г/мольQгор = 2256,3 кДж/моль
1 кг = 1000 г Qн кДж/кг
кДж/кг
В общем виде формула для перевода из размерности кДж/мольвкДж/кгвыглядит следующим образом:
; кДж/кг (2)
Если необходимо осуществить перевод из размерностикДж/мольвкДж/м3, то можно воспользоваться формулой
, кДж/м3. (3)
Расчет
низшей теплоты сгорания Qн по формуле Д. | Пример 3.Вычислить низшую теплоту сгорания сульфадимезина С12Н14О2N4S по формуле Д.И. Менделеева. |
И. МенделееваЗначения низшей теплоты сгорания веществ и материалов могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева. Данная формула может быть использована для расчетов Qнвеществ сложного элементного состава, а также для любых индивидуальных веществ, если предварительно рассчитать массовую долю каждого элемента в соединении ().
QН = 339,4(C) + 1257(H) 108,9 [((O) +(N)) (S)] 25,1[9(H) +(W)], кДж/кг,
(4)
где
(С), (Н), (S), (О), (N)– – массовые
доли элементов в веществе, %; (W)– содержание
влаги в веществе, %.
1. Для того, чтобы воспользоваться данной формулой, необходим расчет процентного состава каждого элемента в веществе (массовой доли).
Молярная масса сульфадимезина С12Н14О2N4S составляет 278 г/моль.
(C) = (1212)/278 = 144/278 = 0,518100 = 51,8 %
(H) = (114)/278 = 14/278 = 0,05100 = 5,0 %
(O) = (162)/278 = 32/278 = 0,115100 = 11,5 %
(N) = (144)/278 = 56/278 = 0,202100 = 20,2 %
(S) = 100 – (51,8 + 5,0 + 11,5 + 20,2) = 11,5 %
2. Подставляем найденные значения в формулу Д.И. Менделеева.
QН = 339,451,8+12575,0108,9(11,5+20,211,5)25,195,0 =22741 кДж/кг.
Теплота горения смеси газов и паровопределяется как сумма произведений теплот горения каждого горючего компонента (Qн)на его объемную долю в смеси (об):
Qн =
,
кДж/м3.
(5)
Можно воспользоваться эмпирической формулой для расчета Qндля газовой смеси:
Qн = 126,5(СО) + 107,7(Н2) + 358,2(СН4) + 590,8(С2Н4) + 636,9(С2Н6) +
+ 913,4(С3Н8) + 1185,8(С4Н10) + 1462,3(С5Н12) + 234,6(Н2S), кДж/м3(6)
Помогите решить / разобраться (Ф)
Сообщения без ответов | Активные темы | Избранное
| fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
03.2014, 13:08 | melnikoff |
| ||
02/04/13 |
| ||
| |||
03.2014, 14:23 
Та вода, которая была в сосуде первоначально будет при этом остывать. Все это будет происходить до тех пор пока в сосуде не установится равная температура для всех тел в сосуде.| fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
03.2014, 14:36 
Та вода, которая была в сосуде первоначально будет при этом остывать. Все это будет происходить до тех пор пока в сосуде не установится равная температура для всех тел в сосуде.| melnikoff |
| ||
02/04/13 |
| ||
| |||
03.2014, 14:40 | fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
03.2014, 14:48 | melnikoff |
| ||
02/04/13 |
| ||
| |||
03.2014, 14:54 
А лед и вода, образовавшаяся из льда могут только принимать энергию от теплой воды. | fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
| melnikoff |
| ||
02/04/13 |
| ||
| |||
03.2014, 15:05 | fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
03.2014, 15:07 
| melnikoff |
| ||
02/04/13 |
| ||
| |||
| fronnya |
| ||
27/03/14 |
| ||
| |||
| Показать сообщения за: Все сообщения1 день7 дней2 недели1 месяц3 месяца6 месяцев1 год Поле сортировки АвторВремя размещенияЗаголовокпо возрастаниюпо убыванию |
| Страница 1 из 1 | [ Сообщений: 11 ] |
Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы
Кто сейчас на конференции |
Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей |
| Вы не можете начинать темы Вы не можете отвечать на сообщения Вы не можете редактировать свои сообщения Вы не можете удалять свои сообщения Вы не можете добавлять вложения |
| Найти: |
Фазовые переходы и уравнение теплового баланса
ОпределениеФазовые переходы — это термодинамические процессы, приводящие к изменению агрегатного состояния вещества.
Плавление и отвердевание
ОпределениеПлавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое.Для расчета количества теплоты, необходимого для процесса плавления, следует применять формулу:
Q=λm
m — масса вещества, λ (Дж/кг) — удельная теплота плавления.
Плавление каждого вещества происходит при определенной температуре, которую называют температурой плавления. Все проводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки, при этом увеличивается потенциальная энергия молекул. Кинетическая энергия остается без изменения и температура в процессе плавления не изменяется.
Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг данного вещества, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое при условии, что оно уже нагрето до температуры плавления. В процессе отвердевания 1 кг данной жидкости, охлажденной до температуры отвердевания, выделится такое же количество теплоты.
Внимание! Удельная теплота плавления — табличная величина.
ОпределениеОтвердевание, или кристаллизация — переход состояния из жидкого состояния в твердое (это процесс, обратный плавлению).Отвердевание происходит при той же температуре, что и плавление. В процессе отвердевания температура также не изменяется. Количество теплоты, выделяемое в процессе отвердевания:
Q=−λm
Парообразование и конденсация
ОпределениеПарообразование, или кипение — переход вещества из жидкого состояния в газообразное.Количество теплоты, необходимое для процесса кипения, вычисляют по формуле:
Q=rm
m — масса вещества, r (Дж/кг) — удельная теплота парообразования.Парообразование происходит при определенной температуре, которую называют температурой кипения. В отличие от испарения, процесс парообразования идет со всего объема жидкости. Несмотря на то, что к кипящему веществу подводят тепло, температура не изменяется.
Все затраты энергии идут на увеличение промежутком между молекулами. Температура кипения зависит от рода вещества и внешнего атмосферного давления.
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы перевести в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения. Такое же количество теплоты выделится в процессе конденсации 1 кг пара, охлажденного до температуры конденсации.
Внимание! Удельная теплота парообразования — табличная величина.
ОпределениеКонденсация — процесс, обратный кипению. Это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.Конденсация происходит при температуре кипения, которая также не изменяется во время всего процесса. Количество теплоты, выделяемое в процессе конденсации:
Q=−rm
Тепловые процессы при нагревании и охлаждении
Все фазовые переходы, а также процессы нагревания и остывания вещества можно отобразить графически.
Посмотрите на график фазовых переходов вещества:
Он показывает зависимость температуры вещества от времени в процессе его нагревания и остывания. Опишем процессы, отображаемые на графике, в таблице.
| Процесс | Что происходит | Количество выделенной теплоты |
| 1–2 | Нагревание твердого тела | Q=cтm(tпл−t0) ст — удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии. |
| 2–3 | Плавление при температуре плавления (tпл) | Q=λm |
| 3–4 | Нагревание жидкости | Q=cжm(tкип−tпл) сж — удельная теплоемкость вещества в жидком состоянии. |
| 4–5 | Кипение при температуре кипения (tкип) | Q=rm |
| 5–6 | Нагревание пара | Q=cпm(t−tкип) сп — удельная теплоемкость вещества в газообразном состоянии. |
| 6–7 | Охлаждение пара | Q=cпm(tкип−t) |
| 7–8 | Кипение при температуре кипения (tкип) | Q=−rm |
| 8–9 | Охлаждение жидкости | Q=cжm(tпд−tкип) |
| 9–10 | Отвердевание при температуре плавления (tпл) | Q=−λm |
| 10–11 | Охлаждение твердого тела | Q=cтm(t0−tпл) |
Внимание! На участках 2–3 и 9–10 вещество частично находится в жидком и твердом состояниях, а на 4–5 и 7–8 — в жидком и газообразном.
Частные случаи тепловых процессов
| Что происходит | График | Формула количества теплоты |
| Полностью растопили лед, имеющий отрицательную температуру. | Q=cлm(tпл−tл)+λm cл — удельная теплоемкость льда, tл — начальная температура льда. | |
| Лед, взятый при отрицательной температуре, превратили в воду при комнатной температуре. | Q=cлm(tпл−tл)+λm+cвm(tв−tпл) cв — удельная теплоемкость воды. | |
| Взяли лед при температуре 0 оС и полностью испарили. | Q=λm+cвm(tкип−tпл)+rm | |
| Взяли воду при комнатной температуре и половину превратили в пар. | Q=cвm(tкип−tв)+rm2.. |
Подсказки к задачам
| Единицы измерения | Температуру можно оставлять в градусах Цельсия, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах. |
| Кипяток | Вода, которая при нормальном атмосферном давлении имеет температуру в 100 оС. |
| Объем воды 5 л | m = 5 кг, так как: m=ρV=103· 5·10−3м3=5 кг Внимание! Равенство V (л) = m (кг) справедливо только для воды. |
Пример №1. Какое количество теплоты нужно сообщить льду массой 2 кг, находящемуся при температуре –10 оС, чтобы превратить его в воду и нагреть ее до температуры +30 оС?
Можно выделить три тепловых процесса:
- Нагревание льда до температуры плавления.
- Плавление льда.
- Нагревание воды до указанной температуры.
Поэтому количество теплоты будет равно сумме количеств теплоты для каждого из этих процессов:
Q=Q1+Q2+Q3
Q=cлm(0−t1)+λm+cвm(t2−0)
Удельные теплоемкости и удельную теплоту плавления смотрим в таблицах:
- Удельная теплоемкость льда = 2050 Дж/(кг∙К).
- Удельная теплоемкость воды = 4200 Дж/(кг∙К).
- Удельная теплота плавления льда = 333,5∙103 Дж/кг.
Отсюда:
Q=2050·2(0−(−10))+333,5·103·2+4220·2·30=961200 (дж)=961,2 (кДж)
Уравнение теплового баланса
Суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.
Математически уравнение теплового баланса с учетом знаков количества теплоты записывается так:
Qотд=−Qпол
Отданное количество теплоты меньше нуля (Qотд < 0), а полученное количество теплоты положительно (Qполуч > 0).
Подсказки к задачам на уравнение теплового баланса
| Теплообмен происходит в калориметре | Потерями энергии можно пренебречь. |
| Жидкость нагревают в некотором сосуде | Начальные и конечные температуры жидкости и сосуда совпадают. |
| В жидкость опускают термометр | Через некоторое время он покажет конечную температуру жидкости и термометра. |
| Мокрый снег | Содержит воду и лед при 0 оС. Учтите, что лед плавится, если он находится при температуре 0 оС и получает энергию от более нагретого тела. Вода кристаллизируется при температуре 0 оС, если она отдает энергию более холодному телу. Если лед и вода находятся при температуре 0 оС, то никаких агрегатных переходов между ними не происходит. |
Частные случаи теплообмена
| В воду комнатной температуры бросили ком снега, содержащий некоторое количество воды, после чего установилась некоторая положительная температура. | Уравнение теплового баланса: Q1+Q2+Q3=0 cвmв1(t−tв1)+cвmв2(t−0)+λmл+cвmл(t−0)=0 |
| Для получения некоторой положительной температуры воды используют горячую воду и лед, имеющий отрицательную температуру. | Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 cвmв(t−tв)+cлmл(0−tл)+λmл+cвmл(t−0)=0 |
| В воду комнатной температуры бросают раскаленное твердое тело, в результате часть воды испаряется. | Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 cтmт(100−tт)+cвmв(100−tв)+rmп=0 |
Воду комнатной температуры нагревают до кипения, вводя пар при t = 100 оС. | Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 −rmп+cвmв(100−tв)=0 |
| Лед, имеющий температуру плавления, нагревают до положительной температуры, вводя пар при t = 100 оС. | Уравнение теплового баланса: Q1+Q2=0 −rmп+cвmп(t−tкип)+λmл+cвmл(t−tпл)=0 |
Пример №2. В кастрюлю, где находится вода объемом 2 л при температуре 25 оС, долили 3 л кипятка. Какая температура воды установилась?
2 л = 2 кг
3 л = 3 кг
Количество теплоты, отданное кипятком, равно количеству теплоты, принятому более прохладной водой. Поэтому:
cm1(t−t0)=−cm2(t−tкип)
Или:
m1(t−t0)=−m2(t−tкип)
m1t+m2t=m1t0+m2tкип
(m1+m2)t=m1t0+m2tкип
t=m1t0+m2tкипm1+m2..
t=2·25+3·1002+3..=3505..=70 (°C)
Взаимные превращения механической и внутренней энергии
Если в тексте задачи указан процент одного вида энергии, перешедший в другой, то он указывается в виде десятичной дроби перед этой энергией, которой тело обладало вначале.
Частные случаи закона сохранения энергии
| При неупругом ударе о стенку пуля нагрелась | mv22..=cmΔt |
| Тело падает с некоторой высоты и в момент падения нагревается | mgh=cmΔt |
| В результате того, что пуля пробивает стену, ее скорость уменьшается, 50% выделившейся при этом энергии идет на нагревание пули | 0,5(mv202..−mv22..)=cmΔt |
| Летящая пуля при ударе о стенку расплавилась. Начальная температура пули меньше температуры плавления | mv22..=cmΔt+λm |
| Капля воды, падая с некоторой высоты, в момент удара испарилась. Температура капли у поверхности земли меньше температуры кипения. На нагрев пошло 60% выделившейся механической энергии | 0,6mgh=cmΔt+rm |
| Вследствие сгорания топлива ракета поднялась на некоторую высоту | qmтоп=mрgh |
| Вследствие сгорания топлива снаряд приобрел некоторую скорость, и на это было затрачено 25% энергии | 0,25qmтопmсv22. |
.Пример №3. Свинцовая дробинка, летящая со скоростью 100 м/с, попадает в доску и входит в нее. 52% кинетической энергии дробинки идет на ее нагревание. На сколько градусов нагрелась дробинка? Удельная теплоемкость свинца 130 Дж/(кг∙К).
Запишем закон сохранения энергии для этого случая:
0,52mv22..=cmΔt
Δt=0,52v22c..=0,52·10022·130..=20 (К)
Примеры КПД
| Устройство | Полезная энергия (работа), затраченная энергия (полная работа) | КПД |
| Электронагреватель, электроплитка, электрочайник, кипятильник. | Qполезн=cmΔT Иногда:Qполезн=cmΔT+rm Wзатр=Pt (произведение мощности на время) | η=cmΔTPt..100% |
| Газовая горелка, паровая турбина, спиртовка, плавильная печь. | Qполезн=cmΔT Qзатр=qmтоп | η=cmΔTqmтоп..100% |
Двигатель автомобиля, самолета. | Aполезн=Nt=Nsv.. Qзатр=qmтоп | η=cmΔTvqmтоп..100 |
| Ружье с пороховым зарядом, пушка | Eполезн=mv22.. Qзатр=qmпор | η=mv22qmпор..100 |
Внимание! Если в задаче указано время, в течение которого происходит один тепловой процесс, а спрашивают о времени протекания другого, то считайте, что мощность нагревателя или холодильника постоянна:
Q1t1..=Q2t2..
Пример №4. Для нагревания на электроплитке некоторого количества воды от 20 до 100 оС потребовалась 21 минута. Сколько времени после этого необходимо для полного испарения воды? Удельная теплоемкость воды 4200 Дж (кг∙К), удельная теплота парообразования 2,24 МДж/кг.
Будем считать, что мощность электроплитки постоянна. Поэтому:
Q1t1..=Q2t2..
Количество теплоты, сообщенное воде при нагревании:
Q1=сm(t2−t1)
Количество теплоты, которое нужно сообщить, чтобы вода полностью испарилась:
Q1=rm
Отсюда:
сm(t2−t1)t1. .=rmt2..
Кусок льда, имеющий температуру 0°С, помещён в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лёд в воду с температурой 12°С, требуется количество теплоты 80 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лёд получит от нагревателя количество теплоты 60 кДж? Теплоёмкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.
Ответ:
а) 0°С
б) 4°С
в) 6°С
г) 9°С
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Записать уравнение теплового баланса для первого случая.
3.Вычислить массу льда.
4.Выполнить решение.
Решение
Запишем исходные данные:
• Начальная температура льда: t0 = 0 oC.
• Конечная температура воды в первом случае: t1 = 12 oC.
• Количество теплоты, выделенное электронагревателем в первом случае: Q1 = 80 кДж.
• Количество теплоты, выделенное электронагревателем во втором случае: Q2 = 60 кДж.
Составим уравнение теплового баланса для первого случая:
Q1=λm+cmt1
Внимание! Вместо разности температур используется значение только конечной температуры, так как начальная температура равна 0.
Найдем массу льда из уравнения теплового баланса для первого случая. Учтем что:
• Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).
• Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).
Отсюда:
Чтобы расплавить кусок льда массой 0,5 кг, нужно затратить следующее количество теплоты:
Лед не расплавится весь, так как ему будет сообщено лишь 60 кДж теплоты. Поэтому в калориметре температура будет равна 0 оС.
.
Ответ: аpазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF18791Внимательно прочитайте текст задания и выберите верный ответ из списка
На рисунке представлены графики зависимости температуры t двух тел одинаковой массы от сообщённого им количества теплоты Q. Первоначально тела находились в твёрдом агрегатном состоянии.
Алгоритм решения
- Проанализировать каждое из утверждений.
- Проверить истинность утверждений с помощью графика.
- Выбрать и записать верные утверждения.
Решение
Проверим первое утверждение, согласно которому, температура плавления первого тела в 1,5 раза больше, чем второго.
Если это было бы так, то количество клеток до горизонтального участка графика 1 относилось к количеству клеток до горизонтального участка графика 2 как 3 к 2. Но мы видим, что до 1 графика 4 клетки, до 1 — 2. Следовательно, температура плавления первого тела в 2 раза больше, чем второго.
Первое утверждение неверно.
Проверим второе утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в твёрдом агрегатном состоянии.
Если бы это было так, то соответствующие участки графиков совпадали бы. Только в таком случае температура тел увеличивалась на одну и ту же температуру при получении одного и того же количества теплоты. Но мы видим, что это не так.
Второе утверждение неверно.
Проверим третье утверждение, согласно которому удельная теплоёмкость второго тела в твёрдом агрегатном состоянии в 3 раза больше, чем первого.
Если это было бы так, то первое тело при сообщении телам одинакового количества теплоты нагревалось бы втрое быстрее второго. И это действительно так, потому что температура второго во время нагревания в твердом состоянии увеличилась только на 1 клетку, в то время как температура первого тела — на 2 клетки.
Третье утверждение верно.
Проверим четвертое утверждение, согласно которому оба тела имеют одинаковую удельную теплоту плавления.
Если это было бы так, то протяженность горизонтальных участков обоих графиков была бы одинаковой. Но это не так. Протяженность этого участка для тела 1 составляет 3 клетки, для тела 2 — 2 клетки.
Четвертое утверждение верно.
Проверим пятое утверждение, согласно которому тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.
Если бы это было так, то соответствующие участки графиков были параллельными. Только при таком условии при повышении температуры на одно и то же количество градусов тела бы получли одинаковое количество теплоты. И это действительно так.
Пятое утверждение верно.
Вывод: верным утверждения «в» и «д».
Ответ: вдpазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Задание EF22685В сосуде лежит кусок льда. Температура льда t1 = 0 °C. Если сообщить ему количество теплоты Q = 50 кДж, то 3/4 льда растает. Какое количество теплоты q надо после этого сообщить содержимому сосуда дополнительно, чтобы весь лёд растаял и образовавшаяся вода нагрелась до температуры t2 = 20 °C? Тепловыми потерями на нагрев сосуда пренебречь.
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения в СИ.
2.Записать уравнение теплового баланса.
3.Выполнить решение в общем виде.
4.Определить и вычислить искомую величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Начальная температура льда: t1 = 0 oC.
• Конечная температура воды: t2 = 20 oC.
• Количество теплоты, переданное льду изначально: Q = 50 кДж.
• Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).
• Удельная теплота плавления льда: λ = 333,5 кДж/(кг∙К).
50 кДж = 50000 Дж
333,5 кДж = 333500 Дж
Составим уравнение теплового баланса:
Qобщ=Q+q
где q — количество теплоты, необходимое для того, чтобы окончательно растопить лед и нагреть воду:
q=Q2+Q3
Мы знаем, что изначально было растоплено 3/4 льда. Поэтому:
Q=3λm4..
Отсюда масса льда равна:
m=4Q3λ..
На растопку оставшегося льда уйдет следующее количество теплоты:
Q2=λm4..
На нагревание воды уйдет следующее количество теплоты:
Q3=cmt2
Внимание! Вместо разности температур используется значение только конечной температуры, так как начальная температура равна 0.
Отсюда:
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Алиса Никитина | Просмотров: 12. 2k
Количество теплоты — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: количество теплоты, удельная теплоёмкость вещества, уравнение теплового баланса.Как мы знаем, одним из способов изменения внутренней энергии является теплопередача (теплообмен). Предположим, что тело участвует в теплообмене с другими телами, и при этом не совершается механическая работа — ни самим телом, ни другими телами над этим телом.
Если в процессе теплообмена внутренняя энергия тела изменилась на величину , то говорят, что тело получило соответствующее количество теплоты: .
Если при этом величина отрицательна, т.е. тело отдавало энергию, то говорят также, что тело отдавало тепло. Например, вместо формально верной, но несколько нелепой фразы «тело получило —5 Дж тепла» мы скажем: «тело отдало 5 Дж тепла».
Удельная теплоёмкость вещества
Предположим, что в процессе теплообмена агрегатное состояние вещества тела не изменяется (не происходит плавление, кристаллизация, парообразование или конденсация). Начальную температуру тела обозначим , конечную температуру — .
Опыт показывает, что количество теплоты, полученное телом, прямо пропорционально массе тела и разности конечной и начальной температур:
Коэффициент пропорциональности c называется удельной теплоёмкостью вещества тела. Удельная теплоёмкость не зависит от формы и размеров тела. Удельные теплоёмкости различных веществ можно найти в таблицах.
Введя обозначение , получим также:
Чтобы понять физический смысл удельной теплоёмкости, выразим её из последней формулы:
Мы видим, что удельная теплоёмкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания 1кг данного вещества на (или, что то же самое, на ). Измеряется удельная теплоёмкость в Дж/(кг·C) или в Дж/(кг·K).
Чем больше удельная теплоёмкость вещества, тем большее количество теплоты требуется для нагревания тела данной массы на заданное количество градусов.
В задачах часто фигурируют вода и лёд. Их удельные теплоёмкости желательно помнить.
Вода: Дж/(кг·C).
Лёд: Дж/(кг·C).
Произведение удельной теплоёмкости вещества на массу тела называется теплоёмкостью тела и обозначается :
Соответственно, для количества теплоты имеем:
Уравнение теплового баланса
Рассмотрим два тела (обозначим их 1 и 2), которые образуют замкнутую систему. Это означает, что данные тела могут обмениваться энергией только друг с другом, но не с другими телами. Считаем также, что механическая работа не совершается — внутренняя энергия тел меняется только в процессе теплообмена.
Имеется фундаментальный закон природы, подтверждаемый всевозможными экспериментами — закон сохранения энергии. Он гласит, что полная энергия замкнутой системы тел не меняется со временем.
В данном случае закон сохранения энергии утверждает, что внутренняя энергия нашей системы будет оставаться одной и той же: . Если изменение внутренней энергии первого тела равно , а изменение внутренней энергии второго тела равно , то суммарное изменение внутренней энергии будет равно нулю:
Но — количество теплоты, полученное первым телом в процессе теплообмена; аналогично — количество теплоты, полученное вторым телом в процессе теплообмена. Стало быть,
(1)
Попросту говоря, сколько джоулей тепла отдало одно тело, ровно столько же джоулей получило второе тело. Так как система замкнута, ни один джоуль наружу не вышел. Соотношение (1) называется уравнением теплового баланса. В общем случае, когда тел образуют замкнутую систему и обмениваются энергией только с помощью теплопередачи, из закона сохранения энергии с помощью тех же рассуждений получаем общее уравнение теплового баланса:
(2)
В качестве простого примера применения уравнения теплового баланса рассмотрим следующую задачу.
Смешали г воды при температуре и г воды при температуре . Найти установившуюся температуру смеси.
Обозначим искомую установившуюся температуру через . Запишем уравнение теплового баланса (1):
где — удельная теплоёмкость воды. Раскрываем скобки и находим:
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Количество теплоты» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.
Публикация обновлена: 07.02.2023
Расчет теплового баланса и анализ энергоэффективности кластеров зданий на основе психрометрической карты
- Список журналов
- Датчики (Базель)
- PMC8624680
(Базель). 2021 ноябрь; 21(22): 7606.
Published online 2021 Nov 16. doi: 10.3390/s21227606
, 1, 2, 3 , 1, 3, * , 4 , 1, 3 и 1
До Хён Шин, академический редактор
Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензии Отказ от ответственности актуальная проблема, которую необходимо решить для снижения энергопотребления здания и повышения эффективности использования энергии. В данной статье предлагается метод расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности групп зданий на основе диаграмм энтальпии и влажности и применяется для управления энергопотреблением групп зданий, содержащих системы первичного возвратного воздуха и сети тепловых труб. Во-первых, были даны базовая структура и принцип управления энергопотреблением кластеров зданий с системой первичного возвратного воздуха и сетью тепловых труб, а также метод расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности на основе 9Диаграмма 0045 i-d была предложена для точного расчета тепловой нагрузки и количественного определения использования энергии. Во-вторых, модель управления энергопотреблением кластера зданий с системой первичного возвратного воздуха и сетью отопительных труб была создана для эффективного управления внутренней температурой и графиком отопления ASHP, HN и HI. Наконец, предложенный метод был подтвержден примерами расчетов, и результаты показали, что предложенный метод полезен для улучшения экономии энергии и энергоэффективности строительных кластеров.
Ключевые слова: строительные кластеры, тепловой баланс, анализ энергоэффективности, управление энергопотреблением, психрометрическая диаграмма, система первичного возвратного воздуха, сеть теплопроводов демонстрирует непрерывную тенденцию роста, оказывая огромное давление на общество, энергию и окружающую среду [1,2].
Как основная часть энергопотребления системы энергоснабжения здания, на систему кондиционирования воздуха приходится около 33% общего энергопотребления здания [3]. Существующие исследования показали, что энергопотребление систем энергоснабжения зданий может быть снижено примерно на 20–30 % за счет оптимального управления системами кондиционирования воздуха без масштабных капиталовложений в реконструкцию [4]. PRAS — это самая ранняя, самая простая и типичная централизованная система кондиционирования воздуха, и, как самая основная форма системы кондиционирования воздуха, важно изучить оптимизацию энергоэффективности кластеров зданий на основе PARS [5]. Объем отопления (охлаждения) занимает большую часть энергопотребления здания. Расчет теплового баланса, как одного из стержней систем кондиционирования воздуха, осуществлялся по кондиционированию воздуха для получения количества тепла (охлаждения), необходимого для поддержания температуры в помещении; таким образом, оптимизация управления системами кондиционирования воздуха для управления энергопотреблением с помощью точных и эффективных методов расчета теплового баланса и, таким образом, количественная оценка и анализ энергоэффективности здания, была ключом к снижению энергопотребления здания.
В последние годы был достигнут значительный прогресс в расчете теплового баланса и анализе энергоэффективности кластеров зданий. В части расчета теплового баланса в [6] была построена модель прогнозирования энергопотребления здания с учетом различных зон теплообразования внутри здания на основе теплоаккумулирующих характеристик здания. В [7] модель виртуальной системы накопления энергии здания была создана на основе тепловой инерции здания. Эквивалентная модель тепловых параметров для центральной системы кондиционирования воздуха в общественных зданиях была создана в [8]. RC-модель теплового баланса дома использовалась для измерения потребности в тепловой нагрузке в [9].]. Вышеупомянутое исследование в основном сосредоточено на характеристиках накопления тепла внутри здания, чтобы создать модель эквивалентных тепловых параметров для расчета теплового баланса. Однако эти методы расчета теплового баланса не учитывали такие параметры состояния, как энтальпия и влажность воздуха в помещении, а выполняли только расчеты теплового баланса с температурой в качестве параметра тепловой характеристики.
С точки зрения энергоэффективности зданий индекс оценки энергоэффективности и его метод были предложены на основе моделирования временных рядов с учетом специфики и характера временных рядов нагрузок коммерческих зданий в [10]. В [11] был создан консультант по энергоэффективности облака Energy Advisor для решения комплексного энергопотребления зданий. В [12] были определены оценочные показатели для оценки эффективности электроснабжения по отношению к энергетической нагрузке здания. В [13] были обобщены общие сценарии применения и технические пути моделей прогнозирования в области исследований по оптимизации энергоэффективности зданий, что обеспечило всестороннюю основу для исследователей в области прогнозирования энергопотребления зданий. В [14] были проведены полевые испытания условий обогрева помещений зимой и летом для типичных фермерских домов, а программное обеспечение моделирования энергопотребления DeST-H использовалось в сочетании с ортогональными испытаниями, чтобы предложить экономичную, энергоэффективную и оптимальную экспериментальную комбинацию здания. система повышения энергоэффективности, подходящая для фермерских домов.
Что касается управления энергопотреблением, то в [15] был разработан подход к управлению энергопотреблением на основе обучения с подкреплением для создания нагрузок конечного использования кластера. В [16] была создана активная распределительная сеть, объединяющая «умные» здания, с учетом возможностей интеграции с ветровой электросетью была предложена стратегия управления энергопотреблением для «умных» зданий. В [17] три набора данных кластера зданий были объединены для управления энергопотреблением и оценки с учетом времени, местоположения, экономических стимулов и портфелей жильцов.
Что касается энергосбережения в зданиях, то в [18] была разработана и утверждена модель прогнозирования энергопотребления для управления энергопотреблением в университетах, а также предложена эффективная система для энергоснабжения зданий с несколькими источниками энергии. В [19] был установлен операционный механизм для всего процесса управления энергосбережением в коммерческих зданиях и предложены три основных подхода к управлению энергосбережением: поведенческое управление энергосбережением и создание внутренней платформы управления энергосбережением и энергосбережением. консервационный ремонт. В [20] оценки спроса на энергию и сценарии модернизации для общественных зданий были построены для определения затрат и выгод от мер по повышению энергоэффективности для фонда общественных зданий. В [21] имитационные модели здания до и после модернизации были изменены, чтобы получить энергосберегающий вклад каждой технологии модернизации корпуса здания путем объединения фактического эффекта модернизации корпуса здания.
Вышеупомянутые исследования в основном были сосредоточены на энергоэффективности зданий, анализе энергопотребления, управлении энергопотреблением и энергосбережении зданий. Тем не менее, большая часть существующего анализа энергоэффективности зданий по-прежнему рассматривается как часть системы оценки, и исследования о том, как точно определить энергоэффективность, недостаточно точны. Взаимосвязь между температурой и влажностью четко не очерчена. Мало что было сделано в отношении принципов кондиционирования воздуха на основе PRAS для расчетов теплового баланса и анализа энергоэффективности кластеров зданий.
В процессе кондиционирования воздуха диаграмма i-d может определять параметры с несколькими степенями свободы изменения состояния, такие как температура воздуха, содержание влаги, энтальпия, относительная влажность [22], и она может точно отражать процесс теплового баланса в процесс кондиционирования воздуха. Поэтому в этой статье на основе существующего энергетического моделирования зданий был предложен метод расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности строительных блоков на основе диаграммы i-d , который был применен к управлению энергопотреблением строительных блоков, содержащих PRAS и отопительную трубу. сети. Очень важно устранить ограничения, связанные с расчетом теплового баланса здания, расчетом эффективности и исследованиями в области управления энергопотреблением. Энергосбережение и энергоэффективность строительных кластеров также могут быть улучшены. Инновационные точки расчета теплового баланса и метода анализа энергоэффективности, предлагаемые в данной работе, заключаются в следующем: построены базовая структура и принцип управления энергопотреблением строительных кластеров, включающих PRAS и сеть теплопроводов; метод расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности на основе 9Была предложена схема 0045 i-d . Метод позволил рассчитать тепловую нагрузку здания по параметрам внутреннего и наружного воздуха и набору внутренних температур строительного кластера. Количественный анализ энергоэффективности зданий был проведен путем определения стандартных значений преобразования угольного эквивалента входной и выходной энергии в кластере зданий. Была создана модель управления энергопотреблением строительных кластеров, включая PRAS и сеть тепловых труб. Принимая во внимание внешнюю температуру, средний комфорт пользователей и стоимость энергии, на основе расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности было реализовано эффективное управление внутренней температурой и планом отопления ASHP, HN и HI.
2.1. Базовая структура строительного кластера, содержащего PRAS и сеть отопления
В этой статье был построен строительный кластер с PRAS и сетью тепловых труб, и его базовая структура показана на рис. Узел застройки в основном состоит из строительного блока (БУ) и сети теплоснабжения. БУ включает в себя ПРАС, ветряную турбину (ВТ) и фотоэлектрическую (ФЭ), а сеть теплоснабжения включает водопроводную трубу (ВВТ), возвратную трубу (ОВВ) и газовый котел (ГБ). Тепловая сеть включает в себя водопроводную трубу (ВОП), обратную водопроводную трубу (ОВВ) и газовый котел (ГБ). Каждый BU покупает электроэнергию из энергосистемы (PG) для удовлетворения спроса на электрическую нагрузку. Газ, приобретенный в сети природного газа, приводит в действие GB для работы HN. Тепло производится через HN и PRAS.
Открыть в отдельном окне
Базовая конструкция комплекса зданий с системой первичного возвратного воздуха и сетью тепловых труб.
2.2. Принцип управления энергопотреблением кластера зданий
На основе базовой структуры кластера зданий, содержащего систему PRAS и сеть тепловых труб в , был проанализирован принцип управления энергопотреблением кластера зданий. Внутри BU, в соответствии с принципом работы PRAS, температура в помещении регулируется и устанавливается на основе i-d , а затем было рассчитано количество тепла в помещении, требуемое тепловым балансом. Теплоснабжение внутри помещений обеспечивали ASHP, HN и HI соответственно. АСХП требовалось потреблять электрическую энергию, ГН – от ГП, потребляющего природный газ, а ИТ – запаздывающих характеристик внутренней температуры здания, которая определялась разницей температур внутри помещений между соседними периодами. Таким образом, при управлении энергопотреблением строительных кластеров извне в целом необходимо было управлять объемом закупаемой электроэнергии и газа. Для внутреннего BU необходимо было управлять настройкой температуры в помещении и мощностью нагрева ASHP и HN в каждый момент времени.
Устройство ПРАС и определение зимнего процесса на диаграмме i-d показаны в [23].
Открыть в отдельном окне
Принцип нагрева первичного возвратного воздуха. ( a ) Схема системы; ( b ) Представление на схемах i-d .
Во-первых, отметьте точку состояния наружного воздуха W и точку состояния помещения N на диаграмме i-d и проведите линию соотношения тепла и влажности в помещении ( ε ) над точкой N . В соответствии с выбранным объемом подачи воздуха G , рассчитайте влажность точки подачи воздуха от до , начертите линию до , пересечение O линии и ε является точкой состояния подачи воздуха. Чтобы получить точку O , общепринятым методом является смешивание внутреннего и наружного воздуха C в процессе адиабатического увлажнения до точки L . L точка называется точкой росы машины, и она обычно расположена φ = от 90% до 95% линии и нагревается от L до O точки, затем направляется в помещение и увлажняется в помещении состояние N . Часть внутреннего выхлопа выходит прямо на улицу, а другая часть помещения кондиционера возвращается, чтобы смешаться с новым воздухом. Поэтому весь процесс лечения показан на .
Открыть в отдельном окне
Зимний процесс системы ПВВ на i-d схема.
3.1. Расчет теплового баланса
На основе процесса термообработки PRAS на диаграмме i-d количество тепла, необходимое для производства тепла Q , можно получить как:
Q=G(iN−iC)
(1)
CN¯WN¯=м,
(2)
где м – коэффициент свежего воздуха PRAS.
Тогда для к -го дома в комплексе зданий тепловая нагрузка л ч ,k,t рассчитывали по уравнениям (3) и (4).
Lh,k,t=G[iin,k,t(Tin,k,t)−iC,k,t]
(3)
iC,k,t=iin,k,tTin,k, t−m[iin,k,t(Tin,k,t)−iout,t(Tout,t)],
(4)
где i in ,k,t ( T in ,k,t ) обозначает энтальпию на диаграмме i-d в здании 5 кластера 9045 k 90 t , когда температура в помещении установлена на Т в ,к,т . i C ,k,t – энтальпия в точке C процесса нагрева PRAS для k -го здания в кластере зданий в момент времени t . I OUT , T ( T OUT , T ) обозначает энтелпию на диаграмме I-D . .
Уравнения (3) и (4) можно упростить, чтобы получить уравнение (5), как показано ниже.
Lh,k,t=Gm[iin,k,t(Tin,k,t)−iout,t(Tout,t)].
(5)
3.2. Анализ энергоэффективности
На основе расчета теплового баланса для получения тепловой нагрузки здания метод расчета энергоэффективности здания, предложенный в этой статье, был аналогичен уравнениям (6)–(15).
ηBEE=∑i(QBEE,i+SBEE,i,T−SBEE,i,0)∑jWBEE,j+∑mWBEE,m×100%
(6)
QBEE,i=keQe+khQh
(7)
WBEE,j=kgasQgas+kcoalQgrid
(8)
WBEE,m=ke(QPV+QWT)
(1)
(1)
(1) k=13∑t=1TLe,k,tΔt
(10)
Qh=∑k=13∑t=1TLh,k,tΔt
(11)
Qгаз=∑k=13∑t=1TPG, k,tΔt
(12)
Qgrid=∑k=13∑t=1TPE,k,tΔt
(13)
QPV=∑k=13∑t=1TPPV,k,tΔt
94010 (1 94010)QWT=∑k=13∑t=1TPWT,k,t∆t,
(15)
где η BEE обозначает энергоэффективность здания (комбинированную энергоэффективность) в статистическое время, %. Q BEE, I обозначает преобразованное значение условного условного топлива i -го типа выработки энергии здания в статистическое время, кг у. т. S BEE, i , T — условное условное топливо, пересчитанное значение терминальной емкости i -го типа накопителя выработки энергии в статистическое время, кг у.т. S БЭЭ, i ,0 — условное условное топливо, пересчитанное значение начальной емкости i -го типа накопителя энергоотдачи в статистическое время, кг у.т. Вт БЭЭ, j обозначает условное условное топливо, преобразованное значение j -го вида невозобновляемой энергии, подводимой энергии в статистическое время, кг у.т. Вт BEE, м обозначает преобразованное значение стандартного угольного эквивалента энергии, преобразованной из м -й вид возобновляемой энергии, такой как ветер и солнце, в полезную энергию в статистическое время, кг у.т. k e , k h , k газ и k уголь обозначают коэффициенты дисконтирования для электроэнергии, тепла, природного газа и сырого угля соответственно. Q e и Q h обозначают потребление электроэнергии и тепла кластерами зданий в расчетном периоде соответственно. Q газ , Q сеть , Q PV и Q WT обозначают закупку газа, период потребления электроэнергии из сети, расчет и потребление электроэнергии, расчет и потребление электроэнергии из сети, соответственно . P PV ,k,t и P WT ,k,t — фотоэлектрическая и ветровая энергия k -го здания в кластере зданий. С G, k , t это покупка газа k го здания в строительном кластере на время t . P E ,k,t покупка электроэнергии k -го здания в строительном кластере в момент времени t .
4.1. Целевая функция
Чтобы минимизировать эксплуатационные расходы кластера зданий, целевая функция была установлена, как показано в уравнении (16).
мин F=∑kfBU,k=∑t=1TρgPG,k,t+ρe,t∑kPE,k,t,
(16)
где Ф — общие эксплуатационные расходы строительного кластера, ф БУ, к — общие эксплуатационные расходы к -го здания в строительном кластере. T период времени, ρ g цена природного газа, P G, k , t сумма покупки природного газа k 900 в здании строительный кластер период t , ρ e, t цена электроэнергии в периоде t , P E ,k,t сумма покупки электроэнергии строительный кластер в период t .
4.2. Условие ограничения
Ограничения энергетического баланса
Le,k,t+PA,k,t=PG,k,t+PPV,k,t+PWT,k,t
(17)
Lh,k,t=QA,k,t+ Qhn,k,t+Qhi,k,t,
(18)
где P A , K, T, P G , K, T, P PV , K, T, 64664664664646646466666666664664666.
. , – электроэнергия, покупная мощность, фотоэлектрическая энергия и энергия ветра АШЭ к -го дома в строительном кластере соответственно.Производственная модель воздушного теплового насоса [24]
QA,k,t=COP,tPA,k,t
(19)
PA,k,min≤PA,k,t≤PA,k,max,
(20)
где Q A ,k,t – тепловая мощность АСЭ к -го дома в СК. C OP, t – значение COP эффективности преобразования энергии ASHP за период t . P A ,k, max и P A ,k, min — верхний и нижний пределы электрической мощности для АСШП к -й дом в строительном кластере.
Выходная модель газовой турбины [25]
QGB,t=PG,tHvgηGB
(21)
QGB,min≤QGB,t≤QGB,max,
(22)
где Q ГБ, t – тепловая мощность ГБ в период t .
H vg — это теплотворная способность природного газа, а η GB — тепловая эффективность производства ГБ. В ГБ, макс. и Q ГБ, мин. — верхний и нижний пределы тепловой мощности ГБ соответственно.Модель тепловой сети
Согласно литературным источникам [26,27], ограничения радиальной сети теплоснабжения включают ограничения по отоплению GB, ограничения по приему нагрузки, ограничения по объединению мощности узла и ограничения по теплопередаче сегмента трубы, а именно: :
QGB,t=cρqGB,t(Ts,t−Tr,t)
(23)
Qhn,k,t=cρqhn,k,t(Ths,k,t−Thr,k,t)
(24)
∑j∈Ωpipe−TO,j,tqj,t=TI,j,t∑j∈Ωpipe+qj,t
(25)
(Tb,jl,t−Tout,t )e−LjlRcρqjl,t=Te,jl,t−Tout,t,
(26)
где c – удельная теплоёмкость горячей воды. ρ – плотность горячей воды. q ГБ, т — расход горячей воды на ГБ в период т. T s ,t и T r ,t температура воды на выходе и температура обратки в ГБ в t период соответственно. q hn, k , t — расход горячей воды k -го дома в период t . T hs ,k,t и T hr ,k,t – температура сточной и обратной воды здания k в период t соответственно. Ом труба- и Ом труба+ трубы с узлом j в качестве конечного и начального узла соответственно. T O ,j,t и T I ,j,t — температура воды на выходе и температура воды на входе узла j трубы тепловой сети в период t t . q j,t — расход горячей воды трубопровода тепловой сети в узле j в период t . Т б ,jl,т и Т e ,jl,t – температура в головке и конце трубопровода jl в период t соответственно. L jl длина трубопровода jl . R — тепловое сопротивление на единицу длины трубопровода. q jl,t — расход горячей воды в трубопроводе jl в период t .
5.
Тепловая инерционная модель [7]
Изменение теплового баланса помещений является медленным процессом, который играет определенную буферную роль в процессе кондиционирования воздуха, и конкретное выражение показано в уравнении (27). ).
Qhi,k,t=G(iin,k,t−1−iin,k,t),
(27)
где Q hi ,k,t – тепловая мощность HI k -го здания в кластере зданий в период t .
6.
Среднее ограничение комфорта
Sk=1−∑t|Tem,k,t−Tin,k,t|∑tTem,k,t
(28)
Tin,k,min≤Tin,k,t≤Tin,k, макс,
(29)
где S k – средний уровень комфортности k-го дома, а T em ,k,t самая комфортная температура k-го дома в период t .
T in ,k, min и T in ,k, max – верхняя и верхняя комфортная температура для человека в k-м здании соответственно. Чтобы обеспечить справедливость теплового эффекта каждого здания в кластере зданий, средняя удовлетворенность всех зданий устанавливается равной следующим образом:S1=S2=⋯=Ск.
(30)
4.3. Процесс решения
Процесс решения модели в этом разделе показан на рис. Сначала введите диаграмму i-d , температуру наружного воздуха, мощность WT, мощность PV, электрическую нагрузку, наиболее комфортную температуру для пользователей здания, массовый расход трубопроводов теплосети и другие основные параметры. На основе C# составлен калькулятор энтальпийно-влажной диаграммы, который встроен в модель расчета теплового баланса. Во-вторых, с учетом целевой функции и условий ограничений в п. 3.1 и п. 3.2, с целью минимизации эксплуатационных расходов строительного кластера для линеаризации разрывных производных используется метод сочетания кусочно-линеаризации и субградиентного метода и нелинейные члены, которые существуют в ограничениях. Затем оптимизируйте переменные решения, такие как температура в помещении, тепловая нагрузка здания, мощность АСВД, мощность ГБ, тепловая мощность ТН, тепловая мощность ВД, температура узла тепловой сети и трубопровода, покупка электроэнергии и покупка газа. Наконец, выведите эксплуатационные расходы, температуру в помещении, средний комфорт, план эксплуатации соответствующего отопительного оборудования и план закупки электроэнергии и природного газа для строительного кластера.
5.1. Базовые данные
Для проверки эффективности метода расчета теплового баланса, предложенного в этой главе, эта статья была основана на платформе MATLAB и GAMS в операционной системе win10, процессоре i7CPU и процессоре с тактовой частотой 2,20 ГГц для моделирования и анализа оптимизации. Тестовый пример был построен путем объединения структуры строительного кластера . Кластер зданий в этом случае состоит из трех зданий. Поскольку физические процессы летнего охлаждения и зимнего нагрева были совершенно разными, в этой статье в основном решалась проблема энергопотребления кластерного тепла здания. Поэтому расчетная среда была задана зимой. Предполагая, что в один из дней местной зимы внешняя температура, кривая нагрузки на электроэнергию, цена на электроэнергию и цена на природный газ, мощность WT и мощность PV трех зданий были одинаковыми, как показано на , и [28,29]. Мощности ГБ и АШП составляли 10 МВт и 140 кВт соответственно. Узловая схема сети теплопроводов показана на рис. Параметры труб теплосети показаны на рис. Верхний и нижний пределы температуры воды составляли 85 °С и 60 °С. Остальные параметры строительного кластера показаны в [30,31].
Открыть в отдельном окне
Внешняя температура и электрическая нагрузка.
Открыть в отдельном окне
Цена на электроэнергию и природный газ.
Открыть в отдельном окне
Схема узлов теплосети.
Таблица 1
Параметры сети теплопроводов.
| Pipe Number | Length (m) | Flow (m 3 /h) |
|---|---|---|
| p1 | 100 | 120 |
| p2 | 800 | 30 |
| п3 | 600 | 90 |
| p4 | 300 | 50 |
| p5 | 700 | 40 |
| p6 | 700 | 40 |
| p7 | 300 | 50 |
| p8 | 600 | 90 |
| p9 | 800 | 30 |
| p10 | 100 | 120 |
Open in a separate window
Table 2
Параметры строительного кластера.
| Название параметра | Значение параметра |
|---|---|
| Г | 150 кг/ч |
| м | 15% |
| Х vg | 9,88 кДж/м 3 |
| η ГБ | 0,9 |
| Р | 265 (м·°C)/кВт |
| в | 4,2 кДж/(кг·°С) |
| р | 934,67 кг/м 3 |
Открыть в отдельном окне
5.
2. Анализ достоверности результатов5.2.1. Результат итерации
На основе данных в разделе 5.1 модель была решена на основе процесса решения в разделе 4.3. Кривая итераций показана на , где по оси абсцисс — количество итераций, по оси ординат — остаток сходимости в процессе оптимизации целевой функции. Видно, что после 253 итераций и получения результатов оптимизации эксплуатационные расходы решенного строительного кластера составили 11 471,97$, а средний уровень комфорта составил 98%.
5.2.2. Анализ эффективности энергоменеджмента
Для проверки эффективности метода энергоменеджмента построения кластеров с PRAS и сетью теплопроводов на основе предложенной в статье схемы i-d были созданы два сценария для сравнительного анализа, а именно: :
S1: Расчет теплового баланса и управление энергопотреблением строительных блоков с PRAS и сетью тепловых труб на основе i-d схема;
S2: Расчет теплового баланса и управление энергопотреблением блоков зданий с PRAS и сетью тепловых труб без учета схемы i-d .
Где S1 — метод, предложенный в разделе 4, а S2 — управление энергопотреблением кластера зданий только для заданной температуры 23 °C без кондиционирования воздуха в помещении по диаграмме i-d . Затраты на управление энергопотреблением S1 и S2 показаны на рис.
Стол 3
Сравнение результатов управления энергопотреблением кластера зданий в различных сценариях.
| Result | S1 | S3 |
|---|---|---|
| F ($) | 11,480.48 | 11,666.45 |
| S k (%) | 97. 91 | 100 |
| η ПЧЕЛА (%) | 22,30 | 22,60 |
| F ($) | 11480,48 | 11666,45 |
Открыть в отдельном окне
потребления энергии. В то время как средний комфорт S1 был снижен до 97,91% в пределах допустимого диапазона комфорта пользователя. Видно, что расчет теплового баланса и управление энергопотреблением строительных кластеров с PRAS и тепловой сетью на основе i-d были выгодны для снижения эксплуатационных расходов на строительство кластеров при обеспечении среднего комфорта. Однако энергоэффективность здания S2 была на 0,3% выше, чем у S1, в основном потому, что комфорт пользователя S2 составлял 100%, выход энергии в числителе формулы энергоэффективности для S2 был выше, чем у S1, оптимизация целью была наименьшая стоимость, а потребление энергии природного газа в знаменателе было увеличено, поэтому энергоэффективность здания S2 была немного улучшена по сравнению с S1.
5.2.3. Схема управления энергопотреблением
Управление внутренней температурой трех зданий в кластере зданий показано на рис. Нагрузка на отопление помещений, полученная путем расчета теплового баланса на основе диаграммы i-d , показана на рис. Из этого видно, что настройки внутренней температуры в трех зданиях колеблются вверх и вниз около 23 °C, что было связано с тем, что комфорт пользователей и HI были использованы при управлении энергопотреблением, а настройки внутренней температуры были изменены в пределах допустимого диапазона. температурные перепады, так что эксплуатационные расходы на построение кластеров в течение всего периода были минимизированы. Температура в помещении была настроена на непрерывное снижение в периоды 1–8 ч и 17–24 ч, что в основном было связано с непрерывным снижением температуры наружного воздуха в эти периоды. Если бы температура в помещении должна была поддерживаться на высоком уровне, нагрузка на отопление увеличилась бы, а затем увеличились бы затраты на отопление. Установленная температура в помещении имела значительную тенденцию к повышению через 8–12 часов. В сочетании с постепенным повышением температуры наружного воздуха можно увидеть, что это соответствующим образом повышает настройку температуры в помещении для предварительного накопления тепловой нагрузки. В течение 12–16 часов наружная температура меняется мало, в то время как заданная температура внутри помещения постоянно снижается, главным образом потому, что HI, обеспечиваемый более высокой температурой, установленной на 12 часов, может использоваться для отопления в эти периоды. В 24 ч температура БУ3 за 24 ч была явно выше, чем у БЕ1 и БЕ2, в основном из-за того, что в каждом БЕ необходимо было обеспечить одинаковую температуру в начале и в конце цикла управления энергопотреблением, что было удобно для периодического управления, и явление в было то же самое. Наконец, сравнивая температуру наружного воздуха, заданную температуру в помещении и тепловую нагрузку в помещении, можно сделать вывод, что, когда температура наружного воздуха находилась в стадии снижения, заданная температура в помещении постепенно снижалась, а тепловая нагрузка уменьшалась. Когда температура наружного воздуха находится в стадии повышения, уставка температуры в помещении постепенно повышается, а тепловая нагрузка увеличивается. Когда наружная температура находилась в стабильном состоянии, уставка наружной температуры постепенно снижалась, а тепловая нагрузка снижалась.
Открыть в отдельном окне
Управление температурой в помещении.
Теплоснабжение АСЭ показано в . Как видно на графике, тепловая мощность АСЭ в трех зданиях работала в основном на полную мощность. Выходные кривые АСВД имеют тенденцию совпадать с высокой и низкой температурой окружающей среды из-за КПД. Можно сделать вывод, что затраты на отопление АСЭ были ниже, чем у теплосети, когда температура наружного воздуха составляла 0–6 °С, а блоки зданий преимущественно отапливались АСЭ.
Выход ГБ и подача в сеть теплопровода были показаны в и . Во-первых, уровень отдачи ГБ соответствовал уровню отдачи тепла тепловой сети в здание. Как видно из , чем выше мощность электрокотла, тем выше температура воды на выходе и температура воды на входе. Однако основной принцип заключался в том, что они имели повышенную разницу температур. При суммировании и , наблюдался значительный рост мощности ГБ и мощности теплосети с 7 до 11 ч, в основном из-за того, что в этот период температура в помещении была ниже, КПД АСХН был меньше, а теплопроизводительность ниже. , поэтому отопление нужно было подавать через тепловую сеть, что также увеличивает мощность ГБ. Можно сделать вывод, что в период 7–11 часов, когда температура наружного воздуха была низкой, ГГ будет увеличивать свою мощность для обогрева внутренней тепловой нагрузки, чтобы компенсировать снижение теплопроизводительности из-за снижения значения КПД АСВД.
Открыть в отдельном окне
Тепловая мощность ГБ и температура воды на входе и выходе.
Открыть в отдельном окне
Тепловая мощность сети теплотрасс.
Мощность нагрева HI показана в , где положительное значение указывает на то, что HI обеспечивало тепловую нагрузку внутри помещения, а отрицательное значение указывало на то, что HI компенсировалось обогревом помещения. Из видно, что общая мощность нагрева HI была относительно плавной, поскольку разница в настройках температуры в помещении была не очень большой. Несколько периодов, таких как 6–11 часов и 24 часа, когда наблюдалось значительное снижение HI, были периодами, когда настройки температуры в помещении внезапно повышались. HI в другие периоды времени был почти положительным, указывая на то, что выходная мощность HI использовалась для обеспечения тепловой нагрузки внутри помещения. HI BU2 в 9ч и 17 ч различались больше по сравнению с другими БУ в основном потому, что в БЕ2 наблюдалось значительное повышение температурного режима в эти два момента, поглощая больше тепла, отдаваемого тепловой сетью, и заранее запасая тепло для теплового баланса в последующие периоды времени. Можно сделать вывод, что кластеры зданий могут использовать HI для обеспечения тепловой нагрузки внутри помещений, но некоторая тепловая компенсация HI требовалась для отдельных периодов, когда температура в помещении значительно улучшалась.
Открыть в отдельном окне
Тепловая мощность тепловой инерции.
5.3. Анализ чувствительности результатов
5.3.1. Влияние среднего уровня комфорта на управление энергопотреблением в кластерах зданий
Влияние среднего уровня комфорта на управление энергопотреблением было проанализировано путем установления различных нижних пределов среднего уровня комфорта. После 100 различных наборов настроек среднего комфорта соотношение между средним комфортом и эксплуатационными расходами было получено, как показано на рис. Влияние среднего комфорта на управление энергией было проанализировано путем установления различных нижних пределов среднего комфорта. После 100 различных наборов настроек среднего комфорта соотношение между средним комфортом и эксплуатационными расходами было получено, как показано на рис. Наклон кривой был определен как предельные затраты среднего уровня комфорта на управление энергопотреблением строительного кластера. Из видно, что по мере увеличения среднего уровня комфортности постепенно растут и эксплуатационные расходы строительного кластера. Когда средний уровень комфорта был между 93,6% и 98%, предельные затраты на средний уровень комфорта составили примерно 109,30, а общие эксплуатационные расходы строительного кластера быстро растут. Когда средний уровень комфорта составлял от 92% до 93,6%, предельные издержки составляли примерно 32,60, а общие эксплуатационные расходы кластера зданий росли медленнее. Когда средний уровень комфорта находился между 91,6% и 92%, предельные издержки составляли примерно 11,36, а темпы роста общих эксплуатационных расходов строительного кластера снова снижались. Можно видеть, что средний уровень комфорта оказывает наибольшее влияние на общие эксплуатационные расходы строительного кластера, когда средний уровень комфорта был между 93,6% и 98%. Однако по мере снижения среднего уровня комфорта воздействие постепенно уменьшалось, а эксплуатационные расходы кластера зданий постепенно и медленно снижались.
Открыть в отдельном окне
Соотношение среднего комфорта и эксплуатационных расходов.
Открыть в отдельном окне
Настройка температуры в помещении со средним комфортом 97%.
Точки со средним уровнем комфорта 97 % и 96 % были взяты для анализа изменчивости настроек температуры в помещении при различных средних уровнях комфорта, как показано на и соответственно. В соответствии с и , настройки внутренней температуры в трех зданиях стали постоянными, а моменты времени, когда температуры были одинаковыми, стали более частыми, что в основном было вызвано тем, что средняя удовлетворенность всех зданий была установлена одинаковой, чтобы обеспечить справедливость тепловой эффект каждого здания в строительном кластере. Оба имели настройку температуры в помещении от низкой до высокой в 13–16 часов, в основном из-за более высокой постоянной температуры в предыдущие периоды. Температура наружного воздуха в это время года была высокой, что позволяло использовать HI для непрерывного обогрева, а настройку температуры в помещении постепенно увеличивали, поскольку тепловая мощность, которую может обеспечить HI, со временем продолжала снижаться. Сравнивая , и , средние значения настроек температуры в помещении составили 22,61 °C, 22,31 °C и 22,08 °C соответственно. Основная причина заключалась в том, что общее снижение температуры в помещении снижает тепловую нагрузку, что, в свою очередь, снижает эксплуатационные расходы строительного кластера. Видно, что по мере снижения среднего уровня комфорта происходит общее снижение температуры в помещении. Однако роль HI в этом процессе в основном отражалась в период 13–16 ч при изменении комнатной температуры от низкой к высокой.
Открыть в отдельном окне
Установка температуры в помещении со средним комфортом 96%.
5.3.2. Влияние теплопотребления в кластерах застройки на температуру узлов и труб теплосети
Изменение температуры в каждом узле сети теплопроводов показано на рис. По данным видно, что узел 1, узел 2 и узел 4, как узлы отвода ГБ и узлы водопровода, имели более высокие температуры, которые были выше 70 °С. Температура выходного узла ГБ была самой высокой, а температура узла водопровода постепенно снижалась с направлением течения трубопровода. Узел 3, узел 5, узел 6, узел 7 и узел 8, как узлы нагрузки и узлы трубопроводов обратной воды, находились при более низкой температуре, ниже 68 градусов Цельсия. Температура узла нагрузки была ниже температуры узла водопровода. Температура в узле 7 была выше, чем в узле 6, так как узел 7, как узел трубопровода обратной воды, включает в себя температуру обратной воды, поступающей из узлов 5 и 6 в узел 7. Более высокая температура узла 6 вызвала температуру плавленого узла 7 выше, чем в узле 6. Видно, что температура узла водопроводной трубы и узла обратной трубы в сети тепловых труб постепенно снижалась по мере расхода трубы. Температура выходного узла ГБ и узла трубопровода подачи воды была выше температуры узла нагрузки и узла обратного трубопровода. Температура узла обратного трубопровода и температура узла нагрузки должны определяться как высокие или низкие в зависимости от фактического расхода.
Открыть в отдельном окне
Температура узла теплосети.
В 11 часов температура первого конца нагревательной трубы была показана в . Видно, что была большая разница в потерях температуры между первым и последним концами трубы. Труба 2 имела наибольшую потерю 6,70 °C, а труба 10 имела наименьшую потерю 0,17 °C. Согласно уравнению (16) было известно, что потери в тепловой сети тесно связаны с длиной трубы, внешней температурой и расходом воды. В России разница в потерях температуры в основном была обусловлена разницей в длине и расходе различных труб. По параметрам труб № 2 и № 10 в , нетрудно было сделать вывод о причине такого разрыва в потерях температуры. Следовательно, разумная длина трубы и улучшение потока воды могут эффективно контролировать потери температуры в сети отопительных труб.
Открыть в отдельном окне
Температура в начале и конце трубы.
В этой статье был предложен метод расчета теплового баланса и анализа энергоэффективности, основанный на диаграмме i-d для кластеров зданий и примененный к внутренней температуре и энергоснабжению, а также управлению планом потребления кластеров зданий. Следующие выводы были получены в основном на примерах расчетов в этой статье.
(1)
Метод, предложенный в этой статье, позволил уточнить расчет тепловых нагрузок здания, провести количественный анализ энергоэффективности здания, принимая во внимание средний уровень комфорта в кластерах зданий, эффективно управлять внутренней температурой и графиками отопления ASHP, HN и HI, повышение эксплуатационной экономичности и снижение энергопотребления за счет учета многих факторов, таких как энтальпия и влажность внутреннего и наружного воздуха в кластерах зданий и заданная температура в помещении;
(2)
Используя метод, описанный в данной статье, влияние на общие эксплуатационные расходы комплекса зданий было наибольшим, когда средний уровень комфорта составлял от 93,6% до 98% при температуре окружающей среды 3–6 °C.
температура наружного воздуха зимой, а предельные затраты на средний уровень комфорта достигают 109,30, а эксплуатационные расходы могут быть эффективно снижены за счет снижения среднего уровня комфорта. По мере снижения среднего уровня комфорта воздействие постепенно уменьшается, и предельные издержки снижаются до 11,36, когда средний уровень комфорта снижается до 9.1,6–92 %, при этом не рекомендовалось повторно снижать средний уровень комфорта с целью снижения эксплуатационных расходов.
Часть этого документа, посвященная входным данным энергетической системы, не включала технологию накопления энергии. В последующем исследовании этот документ объединил систему накопления энергии для реализации нового бизнеса по распределению и хранению энергии и всестороннего распределения каждого источника энергии для достижения минимизации экономических затрат и оптимизации энергоэффективности при условии обеспечения комфорта.
Мы благодарим Центр маркетинговых услуг State Grid Jiangsu Electric Power Co. , Ltd, Совместную лабораторию технологии координированного управления на стороне спроса на электроэнергию State Grid, Университет Хохай и Нанкинский технический университет за их финансирование, знания и вклад в развитие исследования.
Методология: С.Ю., Х.С. и X.Д. Программное обеспечение: Х.С. и М.К. Написание: X.D. и Ю.Х. Валидация: S.Y., H.S. и М.К. Рецензирование и редактирование: S.Y., H.S., X.D. и М.К. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.
Это исследование финансировалось Фондом науки и техники Государственной электросетевой компании Jiangsu Electric Power Co., Ltd. Центр маркетинговых услуг (S(GJSYF00LJJS2000148)).
Не применимо.
Не применимо.
Неприменимо.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Примечание издателя: MDPI сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.
1. Международное энергетическое агентство: Краткая статистика мировой энергетики в 2012 г. [(по состоянию на 10 октября 2021 г.)]. Доступно в Интернете: http://www.trqgy.cn/report/201303/23344.html
2. Wang X., Kendrick C., Ogden R., Walliman N., Baiche B. Практический пример энергопотребления и перегрева промышленного здания в Великобритании с мансардными окнами. заявл. Энергия. 2013; 104: 337–344. doi: 10.1016/j.apenergy.2012.10.047. [CrossRef] [Google Scholar]
3. Справочник по энергетике зданий Министерства энергетики США [EB/OL] [(по состоянию на 10 октября 2021 г.)]; 2009 г. Доступно в Интернете: http://buildingsdatabook.eren.doe.gov
4 , Марк Г., Тобиас М., Томас Х. Оценка энергопотребления электрических автобусов на основе реальных данных для крупномасштабных сетей общественного транспорта. заявл. Энергия. 2018; 230:344–356. [Академия Google]
5. Цзин Л. Сравнение энергосбережения между системой первичного и вторичного возвратного воздуха при осушении. Охлаждение Кондиционер. 2010; 12:1–4. [Google Scholar]
6. Chen H., Li Z., Jiang T. , Li X., Zhang R.F., Li G.Q. Стратегия гибкого управления для интеллектуального использования энергии в здании, основанная на моделирующем прогнозирующем управлении. автомат. Система питания 2019;43:116–129. [Google Scholar]
7. Jin X., Mu Y., Jia H., Yu X., Chen N. Метод оптимального планирования для комбинированной микросети охлаждения, обогрева и электроснабжения с учетом виртуальной системы хранения на стороне спроса. проц. КСЭЭ. 2017; 37: 581–591. [Google Scholar]
8. Сюй К.С., Ян С.Х., Ян К.Г. Стратегия ежедневного пикового снижения мощности для крупномасштабного кондиционирования воздуха. Сетчатая технология. 2016;40:156–163. [Google Scholar]
9. Baeten B., Rogiers F., Helsen L. Снижение пикового потребления электроэнергии, вызванного тепловыми насосами, и требуемой генерирующей мощности за счет хранения тепловой энергии и реагирования на спрос. заявл. Энергия. 2017;195:184–195. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.03.055. [CrossRef] [Google Scholar]
10. Li H. B., Zhao Y.M., Liu G.W., Jiang S.Y., Zhao Z.J. Энергоэффективность системы распределения переменного и постоянного тока коммерческого здания на основе моделирования времени. Электротех. Дж. 2020; 35:4194–4206. [Google Scholar]
11. Син Л. Шнайдер Электрик: Использование консультанта по энергоэффективности в облаке Energy Advisor в качестве акселератора для раскрытия большего потенциала энергоэффективности зданий. электр. Технол. 2019;20:3–4. [Google Scholar]
12. Ши Ю., Шен Дж., Чжан С. Исследование схемы управления координацией построения кластера на основе оценки энергоэффективности нагрузки. электр. Возраст. 2021: 26–31. [Google Scholar]
13. Zhu M.Y., Pan YQ, Lv Y., Wang Q.J., Li Y.M., Huang Z.Z., Tao Q.B. Обзор применения моделей прогнозирования энергопотребления при оптимизации энергоэффективности зданий. Строить. науч. 2020; 36:35–46, 124. [Google Scholar]
14. Ван Н.Ю., Чжао Дж.Ю., Ван К. Система энергоэффективности жилых домов в сельской местности в районе Гуаньчжун, Китай. Строить. Энергоэффективность. 2021;49:14–20. [Google Scholar]
15. Ge S., Li J., Liu H., He X. Метод управления энергией на стороне спроса для построения кластеров с применением обучения с подкреплением. электр. Мощность Констр. 2021; 42:16–26. [Google Scholar]
16. Li Z.N., Su S., Jin XL, Chen H.H., Wei C.H., Zhao Z.M. Стратегия управления энергопотреблением умных зданий для улучшения способности размещения энергии ветра [J / OL] Power Syst. Технол. 2021; 6: 2288–2298. doi: 10.13335/j.1000-3673.pst.2020.1017. [CrossRef] [Google Scholar]
17. Hu Q., Fang X., Li F., Xu X., Chen C.F., Hu H. Подход к оценке реакции жилого спроса на финансовые стимулы; Материалы общего собрания IEEE Power & Energy Society 2015 г .; Денвер, Колорадо, США. 26–30 июля 2015 г. [Google Scholar]
18. Юн С.Х., Ким С.Ю., Пак Г.Х., Ким Ю.К., Чо Ч.Х., Пак Б.Х. Система управления энергопотреблением здания на основе нескольких источников энергии для эффективного управления энергопотреблением здания — ScienceDirect. Поддерживать. Города Соц. 2018;42:462–470. doi: 10.1016/j.scs.2018.08.008. [CrossRef] [Google Scholar]
19. Дэн X. Режим управления энергосбережением коммерческих зданий на основе управления недвижимостью. Шэньчжэнь Дасюэ Сюэбао (Лигун Бан)/Дж. Шэньчжэньский унив. Энс инж. 2016;33:627. doi: 10.3724/SP.J.1249.2016.06627. [CrossRef] [Google Scholar]
20. Новикова А., Салай З., Хорват М., Беккер Дж., Симаку Г., Чокняи Т. Оценка потенциала энергосбережения, сопутствующих затрат и сопутствующих выгод общественных зданий в Албании. Энергоэффективность. 2020: 1–21. doi: 10.1007/s12053-020-09883-3. [CrossRef] [Google Scholar]
21. Liu X., Wang C.C., Feng G.H., Yin Z.K., Li Z.H. Норма вклада энергосберегающей реконструкции существующих неэнергосберегающих жилых домов в типовых городах суровых холодных регионов. Строить. науч. 2020; 36: 143–151. [Google Scholar]
22. Эрдели П., Райко Р. Использование интерактивных психрометрических диаграмм для визуализации и исследования психрометрических процессов. Дж. Хим. Образовательный 2016;93:391–393. doi: 10.1021/acs.jchemed.5b00779. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
23. Чжао Р. Кондиционер-Версия 3. Строительная промышленность; Пекин, Китай: 1994. [Google Scholar]
24. Сун М., Дэн С., Дан С., Мао Н., Ван З. Обзор усовершенствований воздушных тепловых насосов при замерзании и оттаивании. заявл. Энергия. 2018;211:1150–1170. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.12.022. [CrossRef] [Google Scholar]
25. Ren S., Dou X., Wang Z., Wang J., Wang X. Wang Среднесрочное и долгосрочное интегрированное реагирование на спрос интегрированной энергетической системы на основе системной динамики. Энергии. 2020;13:710. дои: 10.3390/en13030710. [CrossRef] [Google Scholar]
26. Li Z., Wu W., Shahidehpour M., Wang J., Zhang B. Комбинированное распределение тепла и электроэнергии с учетом трубопроводного накопления энергии в сети централизованного теплоснабжения; Материалы общего собрания IEEE Power & Energy Society 2017; Чикаго, Иллинойс, США. 16–20 июля 2017 г.; [CrossRef] [Google Scholar]
27. Li Z., Wu W., Wang J., Zhang B., Zheng T. Обязательства по ограничению передачи с учетом объединенных сетей электроснабжения и централизованного теплоснабжения. IEEE транс. Поддерживать. Энергия. 2016;7:480–492. doi: 10.1109/ЦТЭ.2015.2500571. [CrossRef] [Google Scholar]
28. DIW Berlin: DIETER. [(по состоянию на 17 мая 2019 г.)]. Доступно в Интернете: https://www.diw.de/de/diw_01.c.508843.de/forschung_beratung/nachhaltigkeit/umwelt/verkehr/energie/modelle/dieter/dieter.html
29. Chirambo D. Решение проблемы возобновляемых источников энергии дефицит финансирования энергетики в Африке для содействия всеобщему доступу к энергии: Комплексное финансирование возобновляемых источников энергии в Малави. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 2016; 62: 793–803. doi: 10.1016/j.rser.2016.05.046. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
30. Доу С., Ван Дж., Ван З., Дин Т., Ван С.З. Децентрализованная стратегия агрегации мультиэнергетических ресурсов, основанная на двухуровневых интерактивных транзакциях виртуальной энергетической установки. Междунар. Дж. Избрать. Энергетическая система питания. 2021;124:106356. doi: 10.1016/j.ijepes.2020.106356. [CrossRef] [Google Scholar]
31. Dou X., Wang J., Wang Z., Li L.J., Bai L.Q., Ren S.H. Метод диспетчерского управления на основе динамической интервальной модели интегрированной энергетической системы. Дж. Мод. Система питания Чистая энергия. 2020;8:39–50. doi: 10.35833/MPCE.2019.000234. [CrossRef] [Google Scholar]
Статьи от Sensors (Базель, Швейцария) предоставлены здесь с разрешения Многопрофильного института цифровых публикаций (MDPI)
Расчет планетарного энергетического баланса и температуры
Насколько горячей или холодной является поверхность планеты? Используя довольно простую физику и математику, вы можете рассчитать ожидаемую температуру планеты, включая Землю. Эта страница объясняет, как!
Что мы подразумеваем под «ожидаемой температурой» планеты? В основном это означает, что мы упростим ситуацию, исключив влияние атмосферы или океанов на среднюю глобальную температуру. Оказывается, океаны и атмосферы могут иметь большое влияние на температуру планеты… мы еще поговорим об этом позже. А пока давайте рассмотрим простой случай планеты без воздуха и воды. По пути мы обнаружим, что без определенных химических веществ в атмосфере Земли наша родная планета не была бы самым удобным местом для жизни.
Видимый свет Солнца переносит энергию на планеты нашей Солнечной системы. Этот солнечный свет поглощается поверхностью планеты, нагревая землю. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля излучает электромагнитное излучение. Для планет это исходящее электромагнитное излучение принимает форму инфракрасного «света». Планета будет продолжать нагреваться до тех пор, пока исходящая инфракрасная энергия точно не уравновесит поступающую энергию солнечного света. Ученые называют этот баланс «тепловым равновесием». Немного изучив основы физики, мы можем рассчитать температуру, при которой достигается это состояние теплового равновесия.
Спутники напрямую измерили количество энергии, поступающей на Землю от Солнца в виде солнечного света. Хотя это значение немного меняется со временем, обычно оно очень близко к 1361 Вт мощности на квадратный метр. Чтобы визуализировать это, представьте, что вы освещаете небольшой шкаф 13 или 14 лампочками по сто ватт. Ученые называют количество поступающей энергии от солнечного света «инсоляцией». Конкретное значение на Земле 1361 Вт/м 2 называется «солнечной постоянной».
Чтобы рассчитать общее количество энергии, поступающей на Землю, нам нужно знать, какая площадь освещается. Затем мы умножаем площадь на инсоляцию (в единицах потока энергии на единицу площади), чтобы узнать общее количество поступающей энергии.
Оказывается, мы можем упростить вычисление площади, заметив, что количество света, перехваченного нашей сферической планетой, точно такое же, как количество света, которое было бы заблокировано плоским диском того же диаметра, что и Земля. показано на диаграмме ниже.
Площадь круга равна числу пи, умноженному на квадрат радиуса круга. В этом случае радиус круга — это просто радиус Земли, который в среднем составляет около 6 371 км (3 959 миль). Если мы умножим эту площадь на количество энергии на единицу площади — солнечную «инсоляцию», упомянутую выше, мы можем определить общее количество энергии, перехваченной Землей:
- E = общая перехваченная энергия (технически, поток энергии = энергия в единицу времени, Вт)
- K S = солнечная инсоляция («солнечная постоянная») = 1361 ватт на квадратный метр
- R E = радиус Земли = 6 371 км = 6 371 000 метров
Подставляя значения и находим E, находим что наша планета перехватывает около 174 петаватт солнечного света… очень много энергии!
Поскольку Земля не полностью черная, часть этой энергии отражается и не поглощается нашей планетой. Ученые используют термин альбедо, чтобы описать, сколько света отражает планета или поверхность. Планета, полностью покрытая снегом или льдом, будет иметь альбедо, близкое к 100%, а полностью темная планета будет иметь альбедо, близкое к нулю. Чтобы определить, сколько энергии Земля поглощает от солнечного света, мы должны умножить перехваченную энергию (которую мы вычислили выше) на единицу минус значение альбедо; с альбедо представляет свет , отраженный на прочь, один минус альбедо равно световой энергии поглощенной . Наше уравнение для общей энергии , поглощенной , принимает вид:
Теперь, когда у нас есть значение энергии, поступающей в систему Земли, давайте рассчитаем энергию, вытекающую наружу.
Солнечный свет, который поглощает Земля, нагревает нашу планету. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля излучает электромагнитное (ЭМ) излучение. В случае Земли это электромагнитное излучение принимает форму длинноволнового инфракрасного излучения (или инфракрасного «света»).
В 1800-х годах двое ученых определили, что количество излучения испускаемого объектом зависит от температуры объекта. Уравнение для этой зависимости называется законом Стефана-Больцмана. Она была экспериментально определена Йозефом Стефаном в 1879 году и теоретически выведена Людвигом Больцманом в 1844 году. Обратите внимание, что количество испускаемой энергии пропорционально 4-й степени температуры. Выбросы энергии растут МНОГО по мере повышения температуры!
- j * = поток энергии = энергия в единицу времени на единицу площади (джоулей в секунду на квадратный метр или ватт на квадратный метр)
- σ = постоянная Стефана-Больцмана = 5,670373 x 10 -8 / m 2 K 4 (m = метры, K = кельвины)
- T = температура (по шкале Кельвина)
Закон Стефана-Больцмана говорит нам, сколько инфракрасной энергии излучает Земля на единицу площади . Нам нужно умножить это на общую площадь поверхности Земли, чтобы рассчитать общее количество энергии, излучаемой Землей. Поскольку Земля вращается, вся ее поверхность нагревается солнечным светом. Поэтому вся поверхность сферической планеты излучает инфракрасное излучение. Мы не можем использовать тот же ярлык, который мы использовали для входящего солнечного света, рассматривая Землю как эквивалент диска. Геометрия говорит нам, что площадь поверхности сферы в четыре раза больше числа пи, умноженного на квадрат радиуса сферы. Умножив излучение энергии на единицу площади на площадь поверхности Земли, мы получим выражение для общего излучения Земли в инфракрасном диапазоне:
Закон сохранения энергии говорит нам, что излучаемая энергия должна быть равна поглощенной энергии. Установив эти два значения равными, мы можем подставить выражения для каждого из них. Заметив, что число пи, умноженное на квадрат радиуса Земли, появляется в обеих частях уравнения, мы можем использовать немного алгебры, чтобы упростить результат:
постоянная Стефана-Больцмана (σ) известна, можно решить это уравнение для температуры (T). Используя немного больше алгебры, мы можем записать приведенное выше выражение как:
Общее среднее альбедо Земли составляет около 0,31 (или 31%). Значение постоянной Стефана-Больцмана (σ) равно 5,6704 х 10 -8 Вт/м 2 К 4 . Подставив эти числа и значение для K S в уравнение, мы можем рассчитать ожидаемую температуру Земли: ожидаемая средняя глобальная температура значительно ниже точки замерзания воды!
Земная фактическая средняя глобальная температура составляет около 14° C (57° F). Наша планета на теплее на , чем предсказывалось, на 34°C (60°F). Это довольно большая разница!
Почему температура Земли намного выше, чем предсказывают наши расчеты? Некоторые газы в атмосфере задерживают дополнительное тепло, согревая нашу планету, как одеяло. Это дополнительное потепление называется парниковым эффектом. Без него наша планета была бы ледяным шаром. Благодаря природному парниковому эффекту Земля является удобным местом для жизни, какой мы ее знаем. Однако слишком много хорошего может вызвать проблемы. В последние десятилетия увеличение количества парниковых газов начало слишком сильно нагревать Землю.
Этот расчет ожидаемой температуры можно сделать и для других планет. Для этого необходимо настроить значение солнечной инсоляции K S . Планета, расположенная ближе к Солнцу, получает больше энергии, поэтому K S больше. Планеты дальше от Солнца, чем Земля, получают меньше солнечного света, поэтому K S имеет меньшее значение. Зная расстояние планеты от Солнца, вы можете сделать соотношение с расстоянием до Земли и определить солнечную инсоляцию на расстоянии этой планеты. Поскольку количество солнечного света уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца, планета, вдвое дальше от Солнца, чем Земля, будет получать на четверть больше солнечной энергии.
Этот расчет энергетического баланса также помог ученым раскрыть небольшую загадку из истории Земли. Основываясь на наблюдениях за подобными звездами, астрономы считают, что наше Солнце сейчас ярче, чем было в начале своего существования. Раннее Солнце было примерно на 70% ярче, чем в наше время. Если вы умножите K S на 0,7 и используете результат в приведенных выше уравнениях для солнечной инсоляции раннего Солнца, вы обнаружите, что Земля была бы намного, намного холоднее, чем сегодня. Однако существует множество геологических свидетельств того, что жидкая, а не замерзшая вода на Земле существовала даже в самом начале истории нашей планеты. Как на Земле могла быть жидкая вода, если она была такой холодной из-за более тусклого Солнца? Эта головоломка называется Парадокс слабого молодого солнца . Этот парадокс является областью активных научных исследований. Некоторые ученые считают, что на ранней Земле концентрация парниковых газов в атмосфере могла быть намного выше; достаточно, чтобы нагреть планету выше точки замерзания, несмотря на более тусклое Солнце.
Метод теплового баланса — солнечная энергия
Последнее обновление пятница, 7 января 2022 г. | Солнечная энергия
Метод теплового баланса обеспечивает динамическое моделирование нагрузки здания. Это основа для всех методов расчета, которые можно использовать для оценки нагрузок на отопление и охлаждение. Поскольку все потоки энергии в каждой зоне должны быть уравновешены, система уравнений энергетического баланса для зонального воздуха и внутренних и внешних поверхностей каждой стены, крыши и пола должна решаться одновременно. Метод энергетического баланса объединяет различные уравнения, такие как уравнения нестационарной кондуктивной теплопередачи через стены и крыши, алгоритмы или данные для погодных условий и внутреннего притока тепла.
Метод можно проиллюстрировать, рассмотрев зону, состоящую из шести поверхностей, четырех стен, крыши и пола. Зона получает энергию от солнечного излучения, проходящего через окна, тепла, отводимого через наружные стены и крышу, и внутреннего притока тепла за счет освещения, оборудования и людей. Баланс тепла на каждой из шести поверхностей в общем виде представляется как .
где qi,9 = скорость теплопередачи к поверхности i на внутренней поверхности в момент времени 9(Вт). i = номер поверхности (от 1 до 6). ns = количество поверхностей в комнате. Ai = площадь поверхности i (м2).
hci = коэффициент конвективной теплопередачи внутри поверхности i (Вт/м2-K). gj = линеаризованный коэффициент радиационной теплопередачи между внутренней поверхностью i и внутренней поверхностью j (Вт/м2-K). tafi = температура воздуха внутри помещения в момент времени 9 (°C). tjfi = средняя температура внутренней поверхности i в момент времени 9 (°C). tj,9 = средняя температура внутренней поверхности j в момент времени 9 (°C). qsi,e = скорость солнечного тепла, проходящего через окна и поглощаемого поверхностью i в момент времени 9(Вт).
qli e = количество тепла от света, поглощаемого поверхностью i в момент времени 9 (Вт). qei,0 = количество тепла от оборудования и людей, поглощаемых поверхностью i в момент времени 9 (Вт).
Уравнения, управляющие проводимостью в пределах шести поверхностей, не могут быть решены независимо от уравнения. (6.1), поскольку обмен энергией, происходящий в помещении, влияет на состояние внутренней поверхности, что, в свою очередь, влияет на внутреннюю проводимость. Следовательно, вышеупомянутые шесть формулировок уравнения. Уравнение (6.1) необходимо решать одновременно с уравнениями, определяющими проводимость в пределах шести поверхностей, для расчета тепловой нагрузки помещения. Среди возможных способов моделирования этого процесса численные методы конечных элементов и временных рядов. Чаще всего, из-за большей скорости вычислений и небольшой потери общности, проводимость внутри структурных элементов формулируется с использованием передаточных функций проводимости (КФП) в общем виде 9Fm qifi-m (6.2)
, где i = индекс внутренней поверхности. k = порядок CTF. m = переменная индекса времени. M = количество ненулевых значений CTF. o = индекс внешней поверхности. t = температура (°C). 9 = время.
Y = перекрестные значения CTF. Z = внутренние значения CTF. Fm = коэффициенты истории потока.
Коэффициенты передаточной функции проводимости обычно называются коэффициентами отклика и зависят от физических свойств материалов стен или крыш и схемы, используемой для их расчета. Эти коэффициенты связывают выходную функцию в данное время со значением одной или нескольких движущих функций в данное время и в установленный период, непосредственно предшествующий (ASHRAE, 2005). Значения Y (перекрестный CTF) относятся к текущему и предыдущему потоку энергии через стену из-за внешних условий, значения Z (внутренний CTF) относятся к условиям внутреннего пространства, а коэффициенты Fm (история потока) относятся к текущий и предыдущий тепловой поток в зону.
Уравнение (6.2), в котором используется концепция передаточной функции, представляет собой упрощение процедуры расчета строгого теплового баланса, которую можно было бы использовать в этом случае для расчета кондуктивной теплопередачи.
Следует отметить, что температура внутренней поверхности i;,e присутствует в обоих уравнениях. (6.1) и (6.2), поэтому требуется совместное решение. Кроме того, одновременно должно решаться уравнение баланса энергии в зональном воздухе. Это можно рассчитать из уравнения охлаждающей нагрузки: 9hci(ti,e ta,e) A + pCpQi,e(to,e ta,e) + pCpQv,e(tv,e ta,e) i=i
где tafi = температура воздуха внутри помещения в момент времени 9 (° С). tofi = температура наружного воздуха в момент времени 9 (°C). tvfi = температура вентиляционного воздуха в момент времени 9 (°C). p = плотность воздуха (кг/м3). cp = удельная теплоемкость воздуха (Дж/кг-К).
Qifi = объемный расход наружного воздуха, проникающего в помещение в момент времени 9 (м3/с).
Qv0 = объемный расход вентиляционного воздуха в момент времени 9 (м3/с).
Qs0 = количество солнечного тепла, поступающего через окна и конвекционно конвекционного в воздух помещения в момент времени 9(Вт). ql9 = количество тепла от ламп, переданных в воздух помещения в момент времени 9 (Вт). qe9 = количество тепла от оборудования и людей, конвекционно переносимого в воздух помещения в момент времени 9 (Вт).
Продолжить чтение здесь: Функции переноса стен и крыш
Была ли эта статья полезной?
Что такое уравнение термодинамики энергетического баланса?
Δ E знак равно Δ K E + Δ P E + Δ U знак равно Q — W . Это то, что нужно запомнить! Энергия передается между системой и окружающей средой в виде тепла и работы, что приводит к изменению полной энергии системы. При использовании этого уравнения не забывайте правила знаков теплоты и работы, которые мы изучили ранее.
|
Полный ответ можно найти на сайте pressbooks.online.ucf.edu
Какова формула энергетического баланса?
E S – скорость изменения запасов макронутриентов в организме. Уравнение энергетического баланса (E S = E I – E O ) является формулировкой принципа сохранения энергии.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на ncbi.nlm.nih.gov
Что такое уравнение энергетического баланса 1-й закон термодинамики?
Первый закон термодинамики утверждает закон сохранения энергии, (15) δ Q = d U + δ W , где δQ — теплота, поглощаемая системой, dU — изменение внутренней энергии системы, δW — совершенная работа. системой.
|
Посмотреть полный ответ на sciencedirect.com
Что такое 1-й 2-й 3-й закон термодинамики?
1-й закон термодинамики — Энергия не может быть создана или уничтожена. 2-й закон термодинамики — При самопроизвольном процессе энтропия Вселенной увеличивается. 3-й закон термодинамики — Идеальный кристалл при нуле Кельвина имеет нулевую энтропию.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на chadsprep.com
Что такое ∆ U в первом законе термодинамики?
ΔU = изменение внутренней энергии системы. q = алгебраическая сумма теплообмена между системой и окружающей средой. W = работа взаимодействия системы с окружающей средой.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на byjus.com
Термодинамика — Глава 3 — Уравнение энергетического баланса S
Что понимают под энергетическим балансом?
(EH-ner-jee BA-lunts) В биологии состояние, при котором количество съеденных калорий равно количеству использованных калорий. Энергетический баланс зависит от физической активности, размера тела, количества жира и мышц, а также генетики.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на сайте Cancer.gov
Почему важно уравнение энергетического баланса?
«Проще говоря, калории на входе равны калориям на выходе». Энергетический баланс важен. Когда вы потребляете слишком много энергии и сжигаете слишком мало, ваше тело откладывает эту избыточную энергию в виде жира. А избыточный вес увеличивает риск развития нескольких видов рака, включая рак толстой кишки, поджелудочной железы, эндометрия и постменопаузальный рак молочной железы.
|
Посмотреть полный ответ на mdanderson.org
Какие существуют 3 типа энергетического баланса?
Основные компоненты энергетического баланса включают потребление энергии, расход энергии и накопление энергии. Масса тела может измениться только тогда, когда потребление энергии не равно расходу энергии за данный период времени. Человек получает энергию в виде белков, углеводов, жиров и алкоголя.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на ahajournals.org
Энергетический баланс и тепловой баланс совпадают?
Тогда в энергетическом балансе должны учитываться только энтальпия материалов (при постоянном давлении), стандартная энергия химической реакции (ΔH 0 ) при 25°C и подведенное или отведенное тепло. Обычно это называется тепловым балансом.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на informit. com
Какие факторы влияют на энергетический баланс?
Это вызвано взаимодействием множества генетических и экологических факторов. Среди них чрезмерное потребление калорий и пищи, недостаточная физическая активность, генетическая предрасположенность, семейный анамнез ожирения, индивидуальный метаболизм и поведенческие факторы.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на ncbi.nlm.nih.gov
Что такое E и U в термодинамике?
66 В термодинамике полная энергия E нашей системы (описываемая эмпирическим силовым полем) называется внутренней энергией U.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на ipc.kit.edu
Что такое U и H в термодинамике?
Энтальпия термодинамической системы H определяется как сумма ее внутренней энергии и произведения ее давления на объем: H = U + pV, где U — внутренняя энергия, p — давление, V — объем системы. ; pV иногда называют энергией давления ƐP.
|
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
Какая формула равна Q MC ∆ T?
Количество тепла, полученного или потерянного образцом (q), можно рассчитать с помощью уравнения q = mcΔT, где m — масса образца, c — удельная теплоемкость, а ΔT — изменение температуры.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на khanacademy.org
Что такое 3-й закон уравнения термодинамики?
В механике уравнение третьего начала термодинамики выражается следующим образом: S – S0 = kB lnΩ В приведенном выше уравнении S – энтропия системы, S0 – начальная энтропия, KB – постоянная Больцмана, Ω – общее количество микросостояния, состоящие из макроскопической конфигурации системы.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на vedantu. com
Каковы 4 закона термодинамики?
«Четвертый закон термодинамики»: диссипативная составляющая эволюции направлена в сторону наибольшего подъема энтропии.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на royalsocietypublishing.org
Каковы три закона термодинамики для чайников?
Первый закон термодинамики: Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, ее можно только перевести из одной формы в другую. Второй закон термодинамики: энтропия любой изолированной системы всегда возрастает. Третий закон термодинамики: энтропия системы приближается.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на byjus.com
Какая формула Q MC ∆ T?
Количество тепла, полученного или потерянного образцом (q), можно рассчитать с помощью уравнения q = mcΔT, где m — масса образца, c — удельная теплоемкость, а ΔT — изменение температуры.
|
Посмотреть полный ответ на khanacademy.org
Что такое формулы в термодинамике?
Термодинамика. Уравнения
- внутренняя энергия / первый закон. внутренняя энергия: ΔU = U f — U i …
- тепло. Вещества, не изменяющие фазу: q = m C с ΔT (на грамм) …
- Закон Гесса. ΔH rxn = ΔH 1 + ΔH 2 + ΔH 3 + … переворачивать и масштабировать различные реакции, чтобы они соответствовали целевой реакции. …
- бесплатная энергия. G = H — TS (определение) ΔG = ΔH — TΔS (постоянное давление)
|
Посмотреть полный ответ на mccord.cm.utexas.edu
Что такое уравнение энергии в теплопередаче?
Формула теплопередачи может быть выражена как: Q=m×c×ΔT, где Q — теплопередача, m — масса, c — удельная теплоемкость, а ΔT — разность температур. Теплопередачей называют обмен теплом от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой.
|
Посмотреть полный ответ на Collegedunia.com
Что означает Q в Q MC ∆ T?
Q обозначает количество энергии (Дж) m обозначает массу вещества (г) c обозначает удельную теплоемкость вещества, которая представляет собой количество энергии, сообщаемое 1 г этого вещества для повышения его температуры на 1 ∘C 1 ∘C (Дж/(г⋅°C))
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на alloprof.qc.ca
Что такое Q в уравнении энергии?
где Q — количество тепла, переданного объекту или от него, m — масса объекта, C — удельная теплоемкость материала, из которого состоит объект, а ΔT — результирующее изменение температуры объекта.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на physicsclassroom. com
Что такое значение энергии Q?
В ядерной физике и химии значение Q для реакции представляет собой количество энергии, поглощаемой или выделяемой во время ядерной реакции. Значение относится к энтальпии химической реакции или энергии продуктов радиоактивного распада. Его можно определить по массам реагентов и продуктов.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на en.wikipedia.org
Что такое значение Q в термодинамике?
Коэффициент реакции Q является мерой относительных количеств продуктов и реагентов, присутствующих в реакции в данный момент времени.
Запрос на удаление |
Посмотреть полный ответ на khanacademy.org
← Предыдущий вопрос
Кто-нибудь ходил по США?
Следующий вопрос →
Какой рейтинг MERV рекомендует компания Trane?
3.
2 Баланс энергии в плоских коллекторахВерсия для печати
Фундаментальной концепцией теплового анализа любой тепловой системы является сохранение энергии, которую можно проанализировать с помощью расчета энергетического баланса в стационарных условиях. В установившемся режиме полезная энергия коллектора представляет собой разницу между поглощенным солнечным излучением и общими тепловыми потерями коллектора
Полезная энергия = Поглощенная солнечная энергия — Тепловые потери
Очевидно, чем выше полезная энергия от конкретной конструкции, тем выше ожидаемая эффективность. Термическая эффективность коллектора является важным параметром, который необходимо учитывать при таком анализе, поскольку он создает основу для сравнения различных материалов и модификаций коллекторных систем. Поэтому многие теоретические выкладки, представленные в книгах (как и в этом Уроке), в конечном итоге направлены на оценку эффективности.
Давайте сначала определим тепловой КПД ( η ), так как он будет в центре внимания и конечной целью этой главы.
\[\eta = \frac{{{Q_u}}}{{{A_c}{G_T}}}\]
где Q u – полезная энергия, выводимая коллектором, G T — поток падающего солнечного излучения (освещенность), A c — площадь коллектора. Таким образом, знаменатель здесь — это общая потребляемая коллектором энергия. В этой формуле G T – параметр, характеризующий внешние условия, обычно известный из практических измерений (пиранометром) или предположений для конкретного места. Площадь коллектора – заданная техническая характеристика. Таким образом, главный вопрос здесь заключается в том, как оценить Q u — полезную энергию.
Как упоминалось выше, чтобы определить, сколько энергии остается доступной для полезной тепловой работы, нам необходимо понять баланс энергии внутри коллектора: поглощенная энергия — потери.
Энергетический баланс также может быть выражен с помощью следующего ключевого уравнения: ]
где S — поглощенное солнечное излучение, U L — общие потери, T пластина — температура поглощающей пластины, T окружающая среда — температура воздуха, и A c снова площадь поверхности коллектора.
Это уравнение является краеугольным камнем анализа энергетического баланса, представленного в главе 6 учебника Даффи и Бекмана. Чтобы реализовать этот вопрос, нам нужно понять, как могут быть получены количества S и U L . Наиболее полное объяснение можно найти в следующем чтении.
Задание для чтения
Просмотрите следующий раздел учебника D&B, чтобы понять способы оценки поглощенного излучения S на поверхности коллектора
Даффи, Дж. А., и Бекман, В. А., Солнечная инженерия тепловых процессов, Wiley and Sons, 2013 г., глава 5, раздел 5. 9 (3 страницы).
Уравнения (5.9.1) и (5.9.3) в приведенном выше чтении обеспечивают основу для оценки поглощенного излучения в зависимости от того, какая исходная информация о падающем излучении доступна.
В общем случае, когда доступны измерения падающей солнечной радиации ( I T ), удобное приближение для поглощенной энергии определяется выражением:
\[S = {(\tau \alpha )_{av}}{I_T}\]
где ( τα ) av — произведение коэффициента пропускания крышки коллектора и коэффициента поглощения пластины, усредненное по разные виды излучения. Фактически, (τα) av ≈ 0,96( τα ) луч на основе практических оценок.
Теперь посмотрим, как можно определить радиационные потери. Пожалуйста, обратитесь к следующему чтению.
Задание по чтению
Даффи, Дж. А., и Бекман, В. А., Солнечная инженерия тепловых процессов, Wiley and Sons, 2013 г., глава 6, разделы 6. 1–6.4 (18 страниц).
В этих разделах книги объясняется модель и допущения для анализа плоского коллектора. Тепловые потери конкретно рассматриваются в разделе 6.4, и вы можете ознакомиться с полным выводом и примерами. Практический интерес представляют графики на рис. 6.4.4, которые описывают результаты модельных расчетов зависимости коэффициента тепловых потерь от температуры пластины.
Другим полезным результатом этой главы является эмпирическое уравнение (6.4.9), которое предлагает алгебраический метод определения потерь в верхней части коллектора. У вас будет возможность рассмотреть это уравнение поближе и увидеть, как оно работает дальше в этом уроке.
Теперь, когда определены поглощенное излучение и потери, прирост полезной энергии можно определить с помощью приведенного выше уравнения баланса энергии.
‹ 3.1 Обзор плоских коллекторов вверх 3.3 Характеристики и характеристики плоского коллектора ›
Уравнение энергетического баланса и процесс теплопередачи
Бхагват Кадам
скрипт асинхронный src=»https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js»>
Содержание статьи
Уравнение энергетического баланса и процесс теплопередачи очень важно с точки зрения химической технологии. Итак, сегодня мы научимся делать энергетический баланс.
Эта статья содержит информацию о том, что такое энергетический баланс, как сбалансировать энергию, что такое скрытая теплота и что такое явная теплота , как происходит теплопередача.
Типы теплопередачи
Существует два типа теплопередачи , первый — скрытая теплопередача, а второй — явная теплопередача. Таким образом, для расчета энергетического баланса нам необходимо рассчитать скрытую теплоту парообразования и явную теплоту.
мы знаем, что существует 3 типа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.
Скрытая теплота
Скрытая теплота — это не что иное, как тепло, которое передается во время фазовых переходов. Скрытая теплота парообразования — это не что иное, как теплопередача, когда происходит фазовый переход от жидкости к пару. Когда мы нагреваем продукт до его точки кипения, это ощутимая теплота, а когда мы нагреваем до точки кипения, то это теплота есть не что иное, как теплота парообразования.
Скрытую теплоту можно рассчитать по формуле:
Скрытая теплопередача = масса * теплота парообразования
Скрытая теплота = m * лямбда
лямбда воды = 540 ккал/кг
лямбда метанола = 264 ккал/кг
для расчета скрытой теплоты нам нужно значение лямбда этого конкретного компонента. Подобно лямбе значение метанола составляет 264 ккал/кг, а скрытая теплота парообразования для воды составляет 540 ккал/кг.
Явная теплопередача
Явная теплопередача представляет собой не что иное, как теплопередачу вследствие изменения температуры массы или объема.
Явная теплопередача может быть рассчитана по следующей формуле.
скрипт асинхронный src=»https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js»>
Явная теплота = масса * удельная теплоемкость * разность температур.
Явная теплота = m x cp x deltaT
для расчета явного тепла нам нужна удельная теплоемкость соединения.
Что такое удельная теплоемкость?
Удельная теплоемкость — это не что иное, как количество теплоты, необходимое для повышения температуры на 1 градус Цельсия.
Что такое удельная теплоемкость воды?
Удельная теплоемкость воды 1 ккал/кг.градС .
Энергетический баланс и материальный баланс крайне необходимы для инженера-химика.
Скрытая теплота в сравнении с явной теплотой
В чем разница между скрытой теплотой и явной теплотой. На собеседовании с инженером-химиком часто задают вопрос: «Объясните скрытое тепло по сравнению с явным теплом или объясните разницу между скрытым теплом и явным теплом».
Скрытая теплота — это не что иное, как теплопередача, происходящая во время фазового перехода, в то время как явная теплота — это теплопередача, происходящая во время изменения температуры.
При скрытой теплоте не происходит температурных изменений, а при явной теплоте не происходит фазового перехода.
Для расчета явного тепла мы используем удельную теплоту, а для расчета скрытого тепла используем значение лямбда, т.е. теплота парообразования.
Уравнение баланса энергии
Баланс энергии — это не что иное, как баланс между теплопередачей и теплом, необходимым для процесса. Просто теплопередача горячей жидкостью равна тепловыделению в процессе плюс теплопотери.
Для энергетического баланса нам необходимо рассчитать скрытую теплоту и явную теплоту.
если есть фазовые переходы в этом случае нам необходимо рассчитать скрытую теплопередачу и явную теплопередачу.
если есть только явная теплопередача, то мы можем сделать баланс энергии, используя только явную теплопередачу.
Пример № 1
Рассчитайте теплопередачу, необходимую для нагревания 1 кг воды с 30°C до 50°C.
Раствор:-
м 1 кг
Удельная теплоемкость воды 1 ккал/кг.град.С
Дельта = 50 -30 = 20 град.С.
Энергетический баланс = m cp deltaT
Требуемое количество тепла = 1 x 1x 20
Требуемое количество тепла составляет 20 ккал.
Заключение
Из приведенной выше статьи мы понимаем, что для расчета энергетического баланса нам необходимо рассчитать скрытую теплоту и явную теплоту в соответствии с технологическими требованиями. Скрытая теплопередача является результатом фазового перехода, а явная теплопередача — результатом изменения температуры.