На днях, перечитывая мемуары заметил любопытную особенность: ничто не собирает так много противоречивых комментариев, как тексты об азбучных истинах. Казалось бы, материал средней школы, шестой класс, вторая четверть, ну с чем тут можно спорить? А вот — поди ж ты...
Непеременно найдётся претендующий на особое понимание тонкого устройства управляющих вселенной механизмов. Всех этих маленьких колёсиков, что позволяют самолёту летать, чайнику кипеть, а звёздам взрываться. И в сотый раз приходиться начинать заново...
Давайте сегодня обсудим почему накипь совершенно не влияет на КПД электрических водонагревателей, но снижает КПД котлов газовых. В чём между ними принципиальная разница?
Принимаем за 100% "полное тепло" и назовём его Q₁:
- в случае газового котла — тепло образовавшееся при сгорании топлива в камере сгорания.
- в случае электрокотла — тепло выделившееся в ТЭНе при протекании по нему электрического тока.
Несмотря на разные виды "топлива", разницы между котлами нет. Чего не скажешь, о "полезной части". Вот тут, как говориться — собака и порылась.
Давайте рассмотрим как передаётся тепло сгоревшего топлива из камеры сгорания в теплоноситель. Через теплообменник.
Соприкасаясь с его относительно холодными стенками, раскалённые газы передают им часть своей энергии, а те в свою очередь — протекающему с другой стороны теплоносителю. Назовём эту часть Q₂
К сожалению, в реальной жизни всё тепло без остатка передать не получается, какая-то часть Q₃ неизбежно вылетает в трубу. Именно поэтому отношение "полезного тепла" к "полному теплу" всегда меньше единицы. КПД газового котла, как ни ухищряйся всегда менее 100%.
От чего же зависит эта доля "полезного тепла", а значит и КПД?
- От времени, в течение которого происходит контакт между холодной стенкой теплообменника и горячими газами. Чем дольше лежит в холодильнике бутылка пива, тем сильнее она остынет.
- От разницы температур между ними. Бутылка положенная в морозилку, остынет сильнее, чем в верхней камере холодильника.
Увеличить время контакта можно максимально увеличивая размер теплообменника, чтобы пламя как можно дольше пробиралось к выходу. Увеличивать его беспредельно не представляется возможным.
Увеличить разницу температур можно подняв температуру пламени или снизив температуру поверхности, снижая температуру теплоносителя. Увеличить температуру пламени — занятие сомнительное, а вот снижение температуры в системе — самое то. Низкотемпературное отопление увеличивает КПД котла.
Как ведёт себя стенка теплообменника и от чего зависит температура её поверхности? С одной стороны — раскалённые газы, с другой — теплоноситель. С одной стороны она активно нагревается, с другой — остывает. И какая же при этом её собственная температура?
Разная...
С наружной стороны она горячее, чем с внутренней. Максимальная температура внешней — температура пламени, минимальная температура внутренней — температура теплоносителя. Думаю, почему так, в объяснениях нужды нет.
В итоге, мы имеем постоянный постоянный поток тепла от горячего к холодному, от наружной стенки к внутренней. Сколько успеет за единицу времени пройти — столько и успеет. Именно он и есть та часть, что мы назвали Q₂, "полезной".
Определяется этот поток теплопроводностью материала стенки и её толщиной. Чем выше теплопроводность и меньше толщина, тем поток больше. Потому теплообменники и стараются делать из материалов хорошо проводящих тепло.
Накипь тепло проводит гораздо хуже. И потому, чем толще её слой, тем меньшую часть тепла мы сумеем отобрать за время пролёта пламени. Тем больше бесполезно вылетит в трубу. Заверните бутылку в полотенце и вы заметите насколько медленнее будет остывать пиво.
Теперь давайте рассмотрим как обстоит дело в случае котла электрического.
Представим себе простой ТЭН — проволока помещённая в металлическую трубку, свободное пространство в которой заполнено обычным песком.
Под действием тока, проволока разогревается и нагревает песок. Песок в свою очередь, нагревает наружную трубку, а та передаёт тепло воде.
В момент включения, энергия тратится на нагрев самой спирали, песка и оболочки. Спустя несколько секунд, процесс "устаканивается": тепло, что выделяется на спирали, уравновешивается потерями тепла на нагрев теплоносителя. Он охлаждает ТЭН снаружи. Система приходит в равновесие.
В отличие от котла газового, температура "горячей части" не ограничена, но всё тепло, что выделяется на спирали, уходит во "внешний мир" полностью. Иначе, спираль продолжила бы нагреваться до тех пор, пока не достигла температуры плавления и не разрушилась.
Теперь давайте представим, что происходит, когда на поверхности ТЭНа образуется накипь.
Теплопроводность ухудшается. Теплу сложнее "пробиваться" наружу. Охлаждение спирали ухудшается и температура проволоки начинает повышается. Разница температур "сердцевины" и поверхности возрастает. Что приводит к увеличению потока тепла.
Система вновь приходит в равновесие. Всё тепло, которое выделяется в спирали, вновь передаётся наружу. Полностью. Таким образом, накипь не уменьшает КПД, а лишь приводит к повышению температуры внутри нагревателя.
Разница между газовым и электрокотлом в том, что в отличие от газового, у электрического образовавшемуся теплу кроме как в теплоноситель деваться некуда. Обратно в провода оно затекать не умеет. При этом, температура пламени — величина постоянная, а температура спирали — ограничена лишь температурой её плавления. Что и позволяет потоку тепла "подстраиваться".
Ну, просто же? Совсем просто. О чём тут можно спорить? Или считаете есть о чём? Давайте, пишите, будем рассуждать вместе.
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на канал и ваш личный КПД неминуемо превысит 100%. И не забывайте, что каждый ЛАЙК добавит к нему 10%, а написанный комментарий — удвоит. Спасибо, что вы с нами и до новых встреч