Официальный дистрибьютор компании EndoEnterprises (UK)

+38(044) 290 4388 +38(095) 677 5532 +38(067) 577 5532

О воде, энергоэффективности, теплообмене и тепловой технике

Снизить затраты на отопление, добавив жидкость в систему отопления, кажется фантастикой и поверить в такое трудно. Однако стремительный рост  стоимости на энергоносители подтолкнул ведущий мировой научный центр к созданию высокоэффективного средства EndoTherm компании  EndoEnterprice, способного обеспечить максимально эффективное отопление при экономии энергоносителей и минимальном вреде для окружающей среды.

В данной статье постараемся популярно объяснить, принципы работы отопительной техники и как продукт EndoTherm позволяет повысить эффективность системы отопления.

Так как системы отопления используют воду в качестве теплоносителя, то несколько слов о воде и поверхностном натяжении.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи – спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные коротк

оживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), 

которые создают «поверхностное натяжение», определяют вязкость и удельный вес воды.

Фактически поверхностное натяжение это и есть процесс взаимодействия кластеров. Размер кластеров очень зависит от температуры воды и, начиная с 30 градусов, размер кластеров начинает расти.

Значительный размер кластеров не позволяет воде проникать в микро поры и царапины на поверхности материалов, плохо их смачивает и удерживает небольшие предметы на поверхности воды.

В дальнейшем станет понятно, как это влияет на эффективность отопительных систем.

 

А теперь о тепловых процессах. Начнем с азов – отличие температуры от теплоты.

Температура — это относительная величина, которая измеряет уровень нагрева тела (кинетическую энергию молекул тела).

Эта величина измеряется в градусах Цельсия, Кельвина и Фаренгейта. В Украине наиболее распространена  шкала Цельсия, в которой за 0° принимают точку замерзания воды, а за 100° — точку кипения воды при давлении 760 мм ртутного столба. Поскольку температура замерзания и кипения воды сильно зависит от многих факторов, в научных кругах шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина. Один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина и за абсолютный ноль по Кельвину принимают минус 273,15 °C. Поскольку вода является основой жизни на нашей планете, то практическое применение шкалы Цельсия очень удобно. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно меняет условия жизни, как и точка кипения.

В Англии, и в США, используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов разделён интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела.

Если с температурой мы разобрались, то чтобы понять, в чем разница между понятиями температура и теплота, попробуем решить такую задачу.

Допустим, мы нагрели некоторое количество воды (100 л) до температуры 50 °C. Какое количество воды мы сможем нагреть до температуры 40 °C, используя тоже количество теплоты (сожженного топлива)? Для простоты, будем считать, что в обоих случаях начальная температура воды 15 °C:

Таким образом,при нагреве тем же количеством топлива мы можем нагреть 140 литров воды до меньшей температуры (40оС).

Как видно из наглядного примера, температура и количество теплоты — это разные понятия. Другими словами, тела при разной температуре могут обладать одинаковой тепловой энергией, и наоборот: тела с одинаковой температурой могут иметь разную тепловую энергию. Для упрощения определений придумали специальную величину — энтальпию.

Энтальпия — количество тепла, содержащегося в единице массы вещества. Эта величина измеряется в кДж/кг.

В естественных условиях на Земле существует три агрегатных состояния воды: твердое (для воды – лед), жидкое (собственно вода) и газообразное (для воды – водяной пар). Однако переход воды из одного агрегатного состояния в другое требует поступления тепловой или выделения энергии при неизменной температуре. Т. Е. тепловая энергия тратится на изменение агрегатного состояния тела, а не на его нагрев, что объясняет неизменность температуры. На бытовом уровне это видно при кипении воды: как бы сильно мы не открывали газовый кран, температура кипения воды не измениться.

Явная теплота — это теплота, при которой изменение количества тепла, подведенного к телу, вызывает изменение его температуры.

Скрытая теплота — теплота парообразования или конденсации, которая не изменяет температуру тела, а служит для изменения агрегатного состояния тела.

Проиллюстрируем данные понятия графиком, на котором по оси абсцисс отложена энтальпия (количество подведенного тепла), а по оси ординат — температура.

Данный график показывает процесс нагрева воды:

На участке графика А-В происходит нагрев воды от температуры 0 °С до температуры 100 °С. При этом все тепло, подведенное к воде, используется для повышения ее температуры.

Участок графика В-С – участок кипения воды. При этом все тепло, подведенное к воде, расходуется на преобразование ее в пар, температура при этом остается постоянной — 100 °С.

Участок графика C-D показывает, что после того, как вся вода превратилась в пар (выкипела), тепло расходуется на повышение температуры пара.

В процессе сгорания топлива происходит реакция окисления углеводородов, образуются углекислый газ, водяной пар (дымовые газы) и тепло. Теплота, которая выделяется при сгорании топлива, называется низшей теплотой сгорания топлива (PCI). Если мы будем охлаждать дымовые газы, то при определенных условиях водяные пары начнут конденсироваться (переходить из газообразного состояния в жидкое). При этом будет выделяться дополнительное количество теплоты (скрытая теплота парообразования / конденсации):

Сумма низшей теплоты сгорания топлива и скрытой теплоты парообразования (конденсации) называется высшей теплотой сгорания топлива (PCS).

Естественно, что чем больше водяных паров находится в продуктах сгорания, тем больше разница между высшей и низшей теплотой сгорания топлива. В свою очередь, количество водяных паров зависит от состава топлива.

 

 

 

 
Газовые котлы

 

Водяные пары в дымовых газах имеют несколько другие свойства, чем чистый водяной пар. Они находятся в смеси c другими газами и их параметры отвечают параметрам смеси. Поэтому температура, при которой начинается конденсация, отличается от 100 °С.

Значение этой температуры зависит от состава дымовых газов, что, в свою очередь, является следствием вида и состава топлива, а также коэффициента избытка воздуха.

Температура дымовых газов, при которой начинается конденсация водяных паров в продуктах сгорания топлива, называется точкой росы.

Если нам удастся извлечь скрытую тепловую энергию в выбросах горения, мы сможем повысить КПД газового котла.

Чтобы показать это рассмотрим диаграммы распределения тепловой энергии атмосферного котла:

Мы видим, что если взять тепло, получаемое при горении за 100% (низшая теплота сгорания), скрытое тепло составляет 11% от этой величины. И высшая точка сгорания может составить 111%.

Однако как извлечь скрытую теплоту из пара? Есть различные технические решения, которые повышают КПД котла и все они стоят на температуре возврата воды в котел.

Вода, вышедшая из котла, проходит через радиаторы и нагревает воздух в помещениях. Воздух нагревается, а вода в батареях остывает. Чтобы использование теплоты конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах, сделать эффективным, необходимо охладить дымовые газы до температуры ниже точки росы. Степень использования теплоты конденсации зависит от расчетных температур теплоносителя в системе отопления и от количества времени, отработанного в режиме конденсации.

 

Повышение коэффициента полезного действия газовых котлов объясняются двумя факторами:

  • реализацией высокого значения CO2 (чем выше содержание CO2, тем выше температура точки росы отопительных газов);
  • поддержанием низких температур обратной линии (чем ниже температура обратной линии, тем активнее конденсация и тем ниже температура дымовых газов).

Итак, коэффициент полезного действия газового котла очень сильно зависит от температурного режима эксплуатации системы отопления. На новых установках должны быть использованы все возможности для оптимальной эксплуатации газового конденсационного котла. Высокий коэффициент полезного действия достигается пи соблюдении следующих требований.

  1. Ограничить температуру обратной линии до значения максимум 50 °C.
  2. Стремиться поддерживать разницу температур между подающей и обратной магистралями минимум 20о.
  3. Не принимать мер для повышения температуры обратной линии (к ним относятся, например, установка четырехходового смесителя, байпассные линии и гидравлические стрелки).

 

 

Как может помочь продукт EndoTherm повысить КПД отопительной системы?

Рассмотрим принцип работы EndoTherm.

Эффект EndoTherm проявляется, когда он смешивается с чистой водой или антифризом в пропорции 1% от общего объёма циркулирующей жидкости в системе отопления. Такая концентрация представляет собой критическую мицелловую концентрацию EndoTherm.

EndoTherm разрушает водородные связи о которых мы говорили выше и значительно снижает (на 60%) поверхностное натяжение по всему объему воды и разрушает кластеры.

Раствор с взвешенными мицеллами, «притягивает» или «притягивается» к предметам с которыми соприкасается, в нашем случае, к компонентам отопительной системы. Внутренняя поверхность отопительной системы может казаться гладкой, однако, при детальном рассмотрении, поверхности содержат много мелких раковин, царапин, неровностей, стыков и т.п. Из-за высокого поверхностного натяжения чистой воды и имеющихся дефектов поверхности, полного теплового контакта не происходит.
Благодаря мицеллярному эффекту поверхностные дефекты заполнятся теплоносителем и теплоноситель получает доступ к большей площади поверхности внутри радиаторов и трубопроводов. Это эффективно увеличивает тепловой контакт и теплопередачу что, как следствие, увеличивает передачу тепла от котла внутрь помещения.

            До добавления EndoTherm                                                                                 После добавления EndoTherm

Одновременно с повышением теплопередачи тепла внутрь отапливаемого помещения, происходит более интенсивное охлаждение воды в радиаторе и температура в обратной воде на входе котла снижается. Это как мы знаем, вызывает усиление конденсации пара и поглощение скрытой теплоты в продуктах горения в котле.

Таким образом EndoTherm увеличивает КПД котла. И сам режим работы котла изменится – число циклов включения котла становится реже  и это экономит потребления топлива. Совокупность всех факторов дает экономию топлива свыше 15%, что подтверждено при практическом применении EndoTherm.

 

А как быть с другими типами котлов? Доказывает ли EndoTherm свою эффективность?

Электрический котел.
Добавление EndoTherm в систему с отоплением на основе электрического котла увеличивает площадь теплового контакта не только в радиаторах, но и в самом котле. Это повышает КПД используемой электроэнергии.

 

Грунтовые тепловые насосы

 

EndoTherm способен заметно повысить эффективность и тепловых насосов.

Только в тепловом насосе в качестве источника тепла используется не газ или электроэнергия, а тепло, находящаяся в окружающей среде – грунте, воде или воздухе. Способ извлечения тепла подобен работе кондиционера. На стороне испарителя давление низкое и вода или рассол, приходящий из земных глубин имеет невысокую температуру, но все равно такие условия позволяют закипать фреону и превращаться в пар.

 

При этом фреон отбирает тепло от жидкости, пришедшей из земли в испаритель. Для примера. В испаритель может прийти жидкость температурой 0С, а уйти с температурой -4С. Хотя разница  всего четыре градуса, но при большом объеме приходящей жидкости этого достаточно. Единственное, чем выше температура приходящей жидкости, тем экономичней работает тепловой насос, тем дешевле нам обходится отопление. Сам же фреон может кипеть и при более низких температурах, но и давление в системе должно быть более низким.

Тот пар, который образовался в результате кипения, засасывается компрессором. В компрессоре происходит сжатие до очень высокого давления. В результате газ нагревается до высокой температуры. Многие помнят, когда накачиваешь велосипедную шину ручным насосом, там, где присоединяется шланг, корпус насоса нагревается. Также и в компрессоре холодильной техники.

Этот нагретый газ поступает во второй теплообменник, который называется конденсатором. В нем газ превращается в жидкость (конденсируется), из него высвобождается скрытая теплота, и он опять идет в испаритель. Цикл замкнулся. В конденсаторе с одной стороны пластины горячий газ, с другой стороны вода из системы отопления. Газ передает тепло воде, нагревая ее и остывает, превращаясь в жидкость. Давление с этой стороны компрессора высокое. Вот и весь принцип действия теплового насоса.

Очевидно, что чем выше температура жидкости приходит в испарители, и меньше температура на которую необходимо нагреть воду системы отопления, тем выше коэффициент преобразования теплового насоса КОП. Коэффициент преобразования – это соотношение затраченной энергии к произведенной тепловым насосом тепловой энергии. Чем КОП выше, тем выше КПД теплового насоса. Чем выше КОП теплового насоса тем дешевле нас будет обходится стоимость извлечения тепловой энергии из окружающей среды.

Для повышения эффективности тепловых насосов с закрытым первичным контуром (как на рисунке выше) EndoTherm в первичный контур и повышает и полноту поглощения теплоты из грунта или водоема. Как уже описывалось выше, добавление EndoTherm и во вторичный контур делает систему наиболее эффективной и КПД всей системы возрастает. Температура возврата снижается и извлечение тепла в испарителе теплового насоса повышается, увеличивая эффективность всей системы.

Для тепловых насосов воздушного или водяного типа с открытым первичным контуром, EndoTherm добавляется только во вторичный контур, повышая уровень отдачи тепла внутрь помещения. Это также существенно повышает эффективность благодаря повышению теплоотдачи радиаторов и более полному извлечению скрытого тепла в испарителе теплового насоса, т.к. температура возвращаемого потока снижается.

В завершение этого обзора основ тепловой техники, следует указать на то, что независимо от используемого источника нагрева, конструкции отопительной системы добавление EndoTherm дает существенное (свыше  15%) повышение КПД системы отопления.

 

Для справки.

Уникальный и эксклюзивный продукт EndoTherm  позволяет сократить затраты на потребление энергоресурсов  более чем 15% при использовании в большинстве  систем отопления.

EndoTherm  добавляется в систему отопления в количестве 1% от объема циркулирующей жидкости, повышает энергоэффективность теплоносителя и тем самым снижает затраты на отопление.  EndoTherm уменьшает коррозию системы до 80%, является экологически чистым и безопасным для человека. EndoTherm прошел тестирование независимых экспертов и ряда производителей котлов и получил положительные оценки и призы европейских конкурсов. Особенно заметные показатели эффективности EndoTherm  получены при использовании в системах с использованием  тепловых насосов, а также с конденсационными газовыми котлами.

Компания EndoPlus является партнером компании разработчика продукта EndoTherm – Endo Enterprises (Великобритания) – мирового эксперта в области передовых технологий, в том числе в области энергоэффективности. 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Консультация