Электрический нагрев — это процесс, в котором электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую энергию . Распространенные области применения включают отопление помещений , приготовление пищи , нагрев воды и промышленные процессы. Электрический нагреватель — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток в тепло. [1] Нагревательный элемент внутри каждого электрического нагревателя представляет собой электрический резистор и работает по принципу джоулева нагрева : электрический ток, проходящий через резистор, преобразует эту электрическую энергию в тепловую энергию. Большинство современных электрических нагревательных устройств используют нихромовую проволоку в качестве активного элемента; нагревательный элемент, изображенный справа, использует нихромовую проволоку, поддерживаемую керамическими изоляторами.
В качестве альтернативы тепловой насос может достичь около 150% - 600% эффективности для отопления, или коэффициента полезного действия COP 1,5 - 6,0 , поскольку он использует электроэнергию только для передачи существующей тепловой энергии. Тепловой насос использует электродвигатель для приведения в действие обратного цикла охлаждения , который извлекает тепловую энергию из внешнего источника, такого как земля или наружный воздух (или внутренняя часть холодильника), и направляет это тепло в обогреваемое пространство (в случае холодильника - на кухню). Это позволяет гораздо лучше использовать электроэнергию, чем прямой электрический нагрев, но требует гораздо более дорогого оборудования, а также сантехники. Некоторые системы отопления могут работать в обратном режиме для кондиционирования воздуха, так что внутреннее пространство охлаждается, а еще более горячий воздух или вода выбрасываются наружу или в землю.
Отопление помещений используется для обогрева внутренних помещений зданий. Обогреватели помещений полезны в местах, где затруднена обработка воздуха, например, в лабораториях. Используется несколько методов электрического отопления помещений.
Электрическое инфракрасное лучистое отопление использует нагревательные элементы, которые достигают высокой температуры. Элемент обычно упакован в стеклянную оболочку, напоминающую лампочку , и с отражателем, чтобы направить выходную энергию от корпуса обогревателя. Элемент испускает инфракрасное излучение , которое проходит через воздух или пространство, пока не достигнет поглощающей поверхности, где оно частично преобразуется в тепло и частично отражается. Это тепло напрямую согревает людей и предметы в комнате, а не нагревает воздух. Этот тип обогревателя особенно полезен в зонах, через которые проходит неотапливаемый воздух. Они также идеально подходят для подвалов и гаражей, где требуется точечный обогрев. В более общем смысле, они являются отличным выбором для отопления, ориентированного на выполнение конкретных задач.
Лучистые обогреватели работают бесшумно и представляют наибольшую потенциальную опасность возгорания близлежащей мебели из-за сфокусированной интенсивности их излучения и отсутствия защиты от перегрева. В Соединенном Королевстве эти приборы иногда называют электрическими каминами, поскольку изначально они использовались для замены открытого огня.
Активной средой нагревателя, изображенного в этом разделе, является катушка из нихромовой проволоки сопротивления внутри кварцевой трубки, открытой в атмосферу на концах, хотя существуют модели, в которых кварцевая нить герметизирована на концах, а сплав сопротивления не является нихромом.
В конвекционном обогревателе нагревательный элемент нагревает воздух, контактирующий с ним, посредством теплопроводности . Горячий воздух менее плотный , чем холодный, поэтому он поднимается из-за плавучести , позволяя большему количеству холодного воздуха поступать внутрь, чтобы занять его место. Это создает конвекционный поток горячего воздуха, который поднимается от обогревателя, нагревает окружающее пространство, охлаждается и затем повторяет цикл. Эти обогреватели иногда заполняются маслом или термальной жидкостью. Они идеально подходят для обогрева замкнутого пространства. Они работают бесшумно и имеют меньший риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью по сравнению с лучистыми электрическими обогревателями.
Тепловентилятор, также называемый обогревателем с принудительной конвекцией, представляет собой разновидность конвекционного обогревателя, включающего электрический вентилятор для ускорения воздушного потока. Они работают со значительным шумом, создаваемым вентилятором. Они имеют умеренный риск возгорания при непреднамеренном контакте с мебелью. Их преимущество в том, что они более компактны, чем обогреватели, использующие естественную конвекцию, а также экономически эффективны для переносных и небольших систем отопления помещений.
Система аккумулирующего отопления использует более низкие цены на электроэнергию, продаваемую в периоды низкого спроса, например, ночью. В Соединенном Королевстве это называется Economy 7. Аккумулирующий нагреватель хранит тепло в глиняных кирпичах, а затем отдает его в течение дня, когда это необходимо. Более новые аккумулирующие нагреватели могут использоваться с различными тарифами. Хотя их все еще можно использовать с Economy 7, их можно использовать и с дневными тарифами. Это связано с современными конструктивными особенностями, которые добавляются во время производства. Наряду с новыми конструкциями использование термостата или датчика повысило эффективность аккумулирующего нагревателя. Термостат или датчик может считывать температуру в помещении и соответствующим образом изменять выходную мощность нагревателя.
Воду также можно использовать в качестве теплоаккумулятора.
Система электрического напольного отопления имеет нагревательные кабели, встроенные в пол. Ток протекает через проводящий нагревательный материал, питаемый либо напрямую от сетевого напряжения (120 или 240 вольт), либо при низком напряжении от трансформатора. Нагреваемые кабели нагревают пол за счет прямой проводимости и отключаются, как только он достигает температуры, установленной напольным термостатом . Более теплая поверхность пола излучает тепло на более холодные окружающие поверхности (потолок, стены, мебель), которые поглощают тепло и отражают все не поглощенное тепло на другие, еще более холодные поверхности. Цикл излучения, поглощения и отражения начинается медленно и медленно замедляется при приближении к заданным температурам и прекращается, когда достигается всестороннее равновесие. Напольный термостат или комнатный термостат или их комбинация контролируют включение/выключение пола. В процессе лучистого отопления тонкий слой воздуха, который соприкасается с нагретыми поверхностями, также поглощает некоторое количество тепла, и это создает небольшую конвекцию (циркуляцию воздуха). Вопреки распространенному мнению, люди не нагреваются этим нагретым циркулирующим воздухом или конвекцией (конвекция имеет охлаждающий эффект), а нагреваются прямым излучением источника и отражением его окружения. Комфорт достигается при более низкой температуре воздуха из-за устранения циркулирующего воздуха. Лучистое отопление обеспечивает наивысший уровень комфорта, поскольку собственная энергия людей (± 70 Вт для взрослого человека) (должна излучаться в отопительный сезон) находится в равновесии с его окружением. По сравнению с системой конвекционного отопления, основанной на академических исследованиях, температура воздуха может быть снижена до 3 градусов. Одним из вариантов является использование труб, заполненных циркулирующей горячей водой, в качестве источника тепла для обогрева пола. Принцип отопления остается прежним. Как старые электрические, так и водяные (гидравлические) системы напольного отопления, встроенные в конструкцию пола, работают медленно и не могут реагировать на внешние изменения погоды или внутренние требования спроса/образа жизни. Последний вариант размещает специализированные электрические системы отопления и одеяла непосредственно под напольным декором и поверх дополнительной изоляции, размещенной поверх строительных полов. Строительные полы остаются холодными. Принципиальное изменение положения источника тепла позволяет ему в течение нескольких минут реагировать на изменяющиеся погодные условия и внутренние потребности, такие как образ жизни (нахождение дома/вне дома), работа, отдых, сон, присутствие большего количества людей/приготовление пищи и т. д.
В больших офисных башнях система освещения интегрирована вместе с системой отопления и вентиляции. Отработанное тепло от люминесцентных ламп улавливается в обратном воздухе системы отопления; в больших зданиях значительная часть годовой тепловой энергии поставляется системой освещения. Однако это отработанное тепло становится обузой при использовании кондиционирования воздуха. Таких расходов можно избежать, интегрировав энергоэффективную систему освещения, которая также создает электрический источник тепла. [2]
Тепловой насос использует электрический компрессор для работы холодильного цикла, который извлекает тепловую энергию из наружного воздуха, грунта или грунтовых вод и перемещает это тепло в обогреваемое пространство. Жидкость, содержащаяся в испарительной секции теплового насоса, кипит при низком давлении, поглощая тепловую энергию из наружного воздуха или грунта. Затем пар сжимается компрессором и подается в конденсаторный змеевик внутри обогреваемого здания. Тепло от горячего плотного газа поглощается воздухом в здании (а иногда также используется для бытового горячего водоснабжения), заставляя горячую рабочую жидкость конденсироваться обратно в жидкость. Оттуда жидкость под высоким давлением возвращается в испарительную секцию, где она расширяется через отверстие и попадает в испарительную секцию, завершая цикл. В летние месяцы цикл может быть изменен на обратный, чтобы переместить тепло из кондиционируемого помещения в наружный воздух.
Тепловые насосы могут получать низкопотенциальное тепло из наружного воздуха в мягком климате. В районах со средними зимними температурами значительно ниже нуля грунтовые тепловые насосы более эффективны, чем воздушные тепловые насосы , поскольку они могут извлекать остаточное солнечное тепло, хранящееся в земле при более высоких температурах, чем доступное из холодного воздуха. [3] По данным Агентства по охране окружающей среды США , геотермальные тепловые насосы могут снизить потребление энергии до 44% по сравнению с воздушными тепловыми насосами и до 72% по сравнению с электрическим резистивным отоплением. [4] Высокая закупочная цена теплового насоса по сравнению с резистивными нагревателями может быть компенсирована, если также необходимо кондиционирование воздуха .
Погружной нагреватель имеет электрический нагревательный элемент сопротивления, заключенный в трубку, помещенную в воду (или другую жидкость), которую нужно нагреть. Нагревательный элемент может быть вставлен непосредственно в жидкость или установлен внутри металлической трубы для защиты от коррозии и облегчения обслуживания. Переносные погружные нагреватели могут не иметь термостата управления, поскольку они предназначены для кратковременного использования и под контролем оператора.
Для бытового горячего водоснабжения или промышленного горячего водоснабжения могут использоваться постоянно установленные нагревательные элементы в изолированном баке для горячей воды , контролируемые термостатом для регулирования температуры. Бытовые приборы могут быть рассчитаны всего на несколько киловатт. Промышленные водонагреватели могут достигать 2000 киловатт. Там, где доступны тарифы на электроэнергию вне пикового периода, горячая вода может храниться для использования по мере необходимости.
Электрический душ и безнапорные водонагреватели также используют погружной нагреватель (экранированный или открытый), который включается потоком воды. Группа отдельных нагревателей может быть включена для обеспечения различных уровней нагрева. Электрические души и безнапорные водонагреватели обычно используют от 3 до 10,5 киловатт.
Минералы, присутствующие в водоснабжении, могут выпадать из раствора и образовывать твердую накипь на поверхности нагревательного элемента или могут падать на дно бака и закупоривать поток воды. Техническое обслуживание водонагревательного оборудования может потребовать периодического удаления накопившейся накипи и осадка. Если известно, что водоснабжение сильно минерализовано, образование накипи можно уменьшить, используя нагревательные элементы с низкой плотностью мощности. [5]
Циркуляционные нагреватели или «прямые электрические теплообменники» (DEHE) используют нагревательные элементы, вставленные в среду «со стороны оболочки» напрямую, чтобы обеспечить эффект нагрева. Все тепло, вырабатываемое электрическим циркуляционным нагревателем, передается в среду, таким образом, электрический нагреватель имеет 100-процентную эффективность. Прямые электрические теплообменники или «циркуляционные нагреватели» используются для нагрева жидкостей и газов в промышленных процессах. [6] [7]
В случае электродного нагревателя нет сопротивления в виде проволоки, а сама жидкость действует как сопротивление. Это несет потенциальную опасность, поэтому правила, регулирующие электродные нагреватели, строгие.
Эффективность любой системы зависит от определения границ системы. Для потребителя электроэнергии эффективность электрического отопления помещений составляет 100%, поскольку вся купленная энергия преобразуется в тепло. Однако, если включить электростанцию, поставляющую электроэнергию, общая эффективность резко падает. Например, электростанция , работающая на ископаемом топливе , вырабатывает только 3-5 единиц электроэнергии на каждые 10 единиц вырабатываемой топливной энергии. [8] Несмотря на то, что электрический нагреватель имеет 100% эффективность, количество топлива, необходимое для производства тепла, больше, чем если бы топливо сжигалось в печи или котле в отапливаемом здании. Если бы то же самое топливо могло использоваться для отопления помещений потребителем, было бы более эффективно сжигать топливо в здании конечного пользователя. С другой стороны, замена электрического отопления на обогреватели, сжигающие ископаемое топливо, не обязательно хороша, поскольку это исключает возможность использования возобновляемого электрического отопления, этого можно достичь, получая электроэнергию из возобновляемого источника.
Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на озабоченность по поводу эффективности и окружающей среды. В 2015 году Франция выработала только 6% своей электроэнергии из ископаемого топлива , в то время как Австралия получила более 86% своей электроэнергии из ископаемого топлива. [9] Чистота и эффективность электроэнергии зависят от источника.
В Швеции использование прямого электрического отопления было ограничено с 1980-х годов по этой причине, и существуют планы по его полному отказу – см. Поэтапный отказ от нефти в Швеции – в то время как Дания запретила установку прямого электрического отопления помещений в новых зданиях по аналогичным причинам. [10] В случае новых зданий могут использоваться технологии строительства с низким потреблением энергии , которые могут фактически исключить необходимость в отоплении, например, те, которые построены по стандарту Passivhaus .
В Квебеке , однако, электрическое отопление по-прежнему является наиболее популярной формой отопления домов. Согласно исследованию Статистического управления Канады за 2003 год , 68% домохозяйств в провинции используют электричество для отопления помещений. Более 90% всей потребляемой в Квебеке электроэнергии вырабатывается гидроэлектростанциями , которые имеют низкий уровень выбросов парниковых газов по сравнению со станциями, работающими на ископаемом топливе . Низкие и стабильные тарифы взимает Hydro-Québec , коммунальное предприятие, принадлежащее провинции. [11]
В последние годы в странах наблюдается серьезная тенденция к производству низкоуглеродной электроэнергии из возобновляемых источников, в дополнение к ядерной энергетике и гидроэнергетике , которые являются давними низкоуглеродными источниками. Например, углеродный след электроэнергии Великобритании за кВт·ч в 2019 году был менее половины от показателя 2010 года. [8] Однако из-за высоких капитальных затрат стоимость электроэнергии не снизилась и, как правило, в 2-3 раза превышает стоимость сжигаемого топлива. Таким образом, прямое электрическое отопление теперь может давать аналогичный углеродный след, как и газовое или масляное отопление, но стоимость остается выше, хотя более дешевые тарифы вне пикового времени могут уменьшить этот эффект.
Для более эффективного обеспечения тепла электрический тепловой насос может повышать температуру в помещении, извлекая энергию из земли, наружного воздуха или потоков отходов, таких как отработанный воздух. Это может сократить потребление электроэнергии до 35% от потребления резистивным отоплением. [12] Там, где основным источником электроэнергии является гидроэлектроэнергия, атомная энергия или ветер, передача электроэнергии через сеть может быть удобной, поскольку ресурс может быть слишком удален для прямого применения в отоплении (за исключением солнечной тепловой энергии ).
Электрификация отопления помещений и нагрева воды все чаще предлагается как способ декарбонизации существующей энергетической системы, особенно с тепловыми насосами . В случае крупномасштабной электрификации необходимо учитывать воздействие на электросеть из-за потенциального увеличения пикового спроса на электроэнергию и подверженности экстремальным погодным явлениям. [13]
Эксплуатация электрообогревателей сопротивления для обогрева помещения в течение длительного времени обходится дорого во многих регионах. Однако прерывистое или частичное дневное использование может быть более экономичным, чем отопление всего здания, благодаря превосходному зональному контролю.
Например: Обеденная комната в офисе имеет ограниченные часы работы. В периоды низкого использования центральная система отопления обеспечивает «контрольный» уровень тепла (50 °F или 10 °C). В часы пикового использования между 11:00 и 14:00 она нагревается до «уровня комфорта» (70 °F или 21 °C). Значительная экономия может быть достигнута в общем потреблении энергии, поскольку потери инфракрасного излучения за счет теплового излучения не так велики при меньшем градиенте температуры как между этим пространством и неотапливаемым наружным воздухом, так и между холодильником и (теперь более прохладной) обеденной комнатой.
С экономической точки зрения электрическое отопление можно сравнить с другими источниками отопления дома, умножив местную стоимость за киловатт-час электроэнергии на количество киловатт, потребляемых обогревателем. Например: обогреватель мощностью 1500 Вт по 12 центов за киловатт-час 1,5×12=18 центов в час. [14] При сравнении со сжиганием топлива может быть полезно преобразовать киловатт-часы в БТЕ : 1,5 кВт·ч × 3412,142=5118 БТЕ.
Электронагрев широко применяется в промышленности. [15]
Преимущества методов электрического нагрева по сравнению с другими формами включают в себя точный контроль температуры и распределения тепловой энергии, сжигание, не используемое для выработки тепла, и возможность достижения температур, которые нелегко достичь с помощью химического сжигания. Электрический нагрев может быть точно применен в точной точке, необходимой для процесса, при высокой концентрации мощности на единицу площади или объема. Электронагревательные устройства могут быть построены в любом требуемом размере и могут быть расположены в любом месте на заводе. Процессы электрического нагрева, как правило, чистые, тихие и не выделяют много побочного тепла в окружающую среду. Электронагревательное оборудование имеет высокую скорость реагирования, что позволяет использовать его в быстроцикличном массовом производственном оборудовании.
Ограничения и недостатки электрического отопления в промышленности включают более высокую стоимость электроэнергии по сравнению с прямым использованием топлива, а также капитальные затраты как на сам электрический нагревательный аппарат, так и на инфраструктуру, необходимую для доставки больших объемов электроэнергии к месту использования. Это может быть в некоторой степени компенсировано внутризаводским (на месте) повышением эффективности за счет использования меньшего количества энергии в целом для достижения того же результата.
Проектирование промышленной системы отопления начинается с оценки необходимой температуры, необходимого количества тепла и возможных режимов передачи тепловой энергии. Помимо теплопроводности, конвекции и излучения, электрические методы нагрева могут использовать электрические и магнитные поля для нагрева материала.
Методы электрического нагрева включают в себя нагрев сопротивлением, нагрев электрической дугой, индукционный нагрев и нагрев диэлектриком. В некоторых процессах (например, дуговая сварка ) электрический ток напрямую подается на заготовку. В других процессах тепло вырабатывается внутри заготовки за счет индукционных или диэлектрических потерь . Кроме того, тепло может вырабатываться и передаваться заготовке за счет проводимости, конвекции или излучения.
Промышленные процессы нагрева можно в целом разделить на низкотемпературные (до 400 °C или 752 °F), среднетемпературные (от 400 до 1150 °C или от 752 до 2102 °F) и высокотемпературные (выше 1150 °C или 2102 °F). Низкотемпературные процессы включают выпечку и сушку, отверждение , пайку , формование и формование пластмасс. Среднетемпературные процессы включают плавление пластмасс и некоторых неметаллов для литья или переформовки, а также отжиг, снятие напряжений и термическую обработку металлов. Высокотемпературные процессы включают сталеплавильное производство , пайку , сварку , литье металлов, резку, плавку и подготовку некоторых химикатов.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )