Бытовой газовый водонагреватель имеет полезную мощность 21

Курс физики позволяет:

• Дать студентам ряд экономических сведений;
• Ознакомить с основными экономическими
  показателями важнейших отраслей производства, с
  темпами роста этих показателей, с некоторыми
  важнейшими технико-экономическими задачами,
  решаемыми в настоящее время, с преимуществами
  внедряемой новейшей техники.
• Привести сравнительные характеристики
  параметров ранее известного оборудования с
  новым вступающими в строй, таблицы, диаграммы
  позволяющие сравнить технико-экономические
  показатели старых машин с теми, что будут
  созданы; решение задач с экономическим
  содержанием.

Покажем это на конкретных примерах тем курса.

Молекулярная физика. Газовые законы

1. В сварочном цехе стоит 40 баллонов ацетилена (C2H2)
емкостью 40 л каждый. После 12 ч непрерывной работы
давление всех баллонов упало с 1,3 .
107 Па. Определить расход ацетилена и его
стоимость, если температура в цехе оставалась
неизменной и была равна 32oС. (Стоимость
ацетилена по данным НИИКМ: 40 л – 7,4 кг – 1000 руб.)

2. Манометр на баллоне  объемом 40 л  со
сжатым кислородом при температуре  – 3oС 
показывает давление 1,8 . 106
Па, а при температуре  27oС  показывает
давление 2,2 . 106 Па. Какова
масса утечки газа и сколько стоит эта утечка
газа? (Стоимость кислорода по данным НИИКМ: 40 л –
8,5 кг – 160 руб.)

3. Из баллона со сжатым кислородом объемом 40 л
вследствие неисправности вентиля вытекает газ.
При температуре 7oС манометр показывает 50
атм. Через некоторое время  при температуре 17oС
манометр показывает такое же давление. Какая 
масса газа вытекла из баллона и какова стоимость
вытекшего газа?

                                
Элементы термодинамики

4. Для отопления дачной комнаты размерами 4м х 5м
х 3м пользуются электрической печью. Определить
стоимость пользования печью в течение 6час., если
за это время воздух в комнате нагреется на 10oС.
Комната теряет через холодные окна и стены 54,47 Дж
в 1 мин. Стоимость энергии 1 кВт-час 2 рубля.
Удельная теплоемкость воздуха 1000 Дж/кгoС, а
плотность 1,2 кг/м3.

5. Мартеновская печь работает на природном газе.
Сколько газа надо израсходовать для выплавки 50т
стали, если кпд печи 40%? Начальная температура
стали 20oС, ее удельная теплоемкость 0,46 .
103 Дж/кг .oК, удельная
теплота плавления 2,7 . 105 Дж/кг,
температура плавления 1500oС, теплота
сгорания газа 4,4 . 107 Дж/кг.
Определить стоимость израсходованного
природного газа.

6. Бытовой газовый водонагреватель проточного
типа имеет номинальную мощность 21 кВт и кпд 80%.
Сколько времени будет наполняться ванна
вместимостью 200 л водой, нагретой в нагревателе
на 24oС и каков расход газа (в литрах) за это
время? При сгорании 1 м3 природного газа
выделяется 36 Мдж. Определить стоимость
израсходованного природного газа, если
стоимость 1 л  газа примерно составляет 3 коп.

7. В холодильнике из воды при температуре 10oС
за 4 ч получили 300 г льда при температуре  –3oС.
Какое количество теплоты отдали вода и лед? Какую
часть этого количества  теплоты составляет от
количества электроэнергии потребляемой
холодильником из сети, если мощность
холодильника 70 Вт? Какова реальная стоимость
полученного льда.

8. Для поддержания жилой температуры в комнате
требуется в сутки 2400 ккал. Комната на даче
отапливается ночью с коэффициентом полезного
действия 30%. Сколько березовых дров нужно
ежедневно расходовать на отопление  и какова
их стоимость? 1 кал = 4,19Дж

9. Дачная комната размерами 4м х 5м х 3м теряет
через холодные стены и окна 6ккал в минуту. Какое
количество дров нужно сжечь в печи с
коэффициентом полезного действия 20%, чтобы в
течение суток поддержать температуру комнатного
воздуха без изменений? Сколько дров нужно сжечь,
чтобы дополнительно нагреть воздух на 10oС? 1
кг дров стоит 1 руб 54 коп.

Электродинамика

Работа и мощность электрического тока

1. В электрическом самоваре с кпд 90% нагревают
воду от 10oС до 100oС. Какое количество
воды можно вскипятить за 30 мин и сколько будет
стоить кипячение в таком чайнике при тарифе 2 руб
за 1 киловатт-час. Нагревательный элемент чайника
сделан из никелевой проволоки длиной 5 м и
сечением 0,09 мм2, напряжение сети 220 В.

2. Калорифер служит для обеспечения жилых
помещений свежим теплым воздухом. Какое
количество теплоты получит комната,  если
через калорифер ежечасно проходит 20 м3 
воздуха, температура которого при входе в
калорифер 15oС, а на выходе из него 25oС.
Удельная теплоемкость воздуха 1000Дж/кг oС, а
плотность 1,2 кг/м3. Определить стоимость
работы калорифера за это время, если 1кВт-час
стоит 2 руб.

Еще лет 20 назад газовые колонки казались пережитком прошлого – в новых квартирах горячая вода текла из крана без всяких дополнительных ухищрений. Но с развитием частного домостроения газовые водонагреватели вновь появились на прилавках специализированных магазинов.

Да и в квартирах они не такая уж редкость. И неспроста – установка газового водонагревателя не только раз и навсегда решает проблему сезонных отключений, но и обеспечивает жилье горячей водой по минимальным расценкам. Получаемая с помощью колонки горячая вода обходится дешевле, чем нагреваемая электричеством или попадающая в дом из системы централизованного водоснабжения. В зависимости от местных тарифов, вода, нагретая газом, будет в 3-10 раз дешевле нагретой электричеством.

Стоят колонки недорого, и повсеместному их распространению препятствуют только сложность и дороговизна установки (включающей внесение изменений в газовый проект, их согласование, монтаж газопроводных труб, приемку «Газсервисом» и т.д.).

Электрические водонагреватели таких проблем при установке не создают, но вода в них получается довольно дорогой. Да и мощность электрических водонагревателей сильно ограничена возможностями электропроводки.

Если вы собрались покупать газовый водонагреватель, то отнеситесь к подбору его характеристик со всем вниманием – во-первых, это застрахует вас от разочарования недостаточным удобством эксплуатации, напором или температурой воды. А во-вторых, характеристики водонагревателя учитываются при разработке и согласовании проекта. После утверждения проекта (и тем более, после установки колонки) просто сменить одну модель на другую не получится – потребуются дополнительные согласования, временные и денежные затраты.

Характеристики газовых водонагревателей

По виду газовые водонагреватели делятся на проточные и накопительные.

Проточные нагреватели (они же – колонки) нагревают протекающую воду за то время, пока она находится в теплообменнике колонки. Перед теплообменником расположен датчик потока. При начале потребления воды (открыт кран горячей воды) датчик потока дает сигнал управляющей схеме, которая открывает подачу газа и поджигает горелку. Управляющая схема также контролирует температуру воды на выходе. При наличии электронного управления пламенем горелки, электроника увеличивает или уменьшает подачу газа в основную горелку для поддержания заданной температуры. При прекращении потока воды или превышении температуры горелка выключается.

Проточные колонки компактны и недороги. Недостатками же являются нестабильная температура (на недорогих моделях) и невысокая производительность большинства бытовых моделей – до 15 л/мин. Для загородного дома или большой квартиры этого может оказаться недостаточно.

Накопительные водонагреватели (газовые бойлеры) нагревают до заданной температуры некоторый объем воды, находящийся в бойлере. Автоматика в таких нагревателях устроена проще – при падении температуры горелка включается, при достижении заданной – выключается. Модуляция пламени и контроль потока не требуются.

Преимущества накопительных водонагревателей:

– стабильность температуры;

– экономичность;

– они позволяют очень быстро получить большой объем горячей воды;

– они могут работать при слабых напорах газа и воды, недостаточных для работы колонки (например, при автономном газоснабжении);

Недостатки у накопительных водонагревателей тоже есть:

– большие габариты;

– после того, как нагретая вода вбойлере закончится, вода в кране станет холодной; для прогрева бойлера потребуется некоторое время;

– высокая цена.

Недостатки газовых бойлеров довольно весомы, а преимущества востребованы не всегда, поэтому в продаже их немного – большинство покупателей делает выбор в пользу газовой колонки, электрического бойлера или бойлера косвенного нагрева.

Производительность – основная характеристика проточного водонагревателя. Именно от производительности зависит, будет ли всем хватать горячей воды, если одновременно открыто несколько кранов. С одной стороны, чем выше производительность, тем меньше вероятность, что кому-то не хватит горячей воды. С другой стороны, это большая мощность и высокая цена. Поэтому лучше подобрать производительность исходя из реальной потребности:

Таким образом, если вам надо, чтобы можно было одновременно использовать мойку и принимать душ, то производительность должна быть 12-18 л/мин.

Но это еще не все – производительность показывает, какое количество воды колонка нагреет за одну минуту на 25°С. Такое значение (25 градусов) выбрано потому, что температура холодной воды обычно составляет 15°С. При нагреве холодной воды на 25°С на выходе колонки будет 40°С, что вполне достаточно как для душа, так и для мойки. Только следует убедиться, что производительность колонки приведена именно для перепада температур в 25 градусов – это значение (Δt) должно быть указано в паспорте и – обычно – на шильдике на корпусе колонки.

Но что, если температура холодной воды ниже 15 градусов? Такое вполне может быть в зимний период или в загородном доме с водоснабжением из скважины. В этом случае производительность снизится, поэтому следует подбирать её с некоторым (15-30%) запасом. Впрочем, можно и точно подсчитать производительность для любого перепада температур по формуле:

где p – производительность колонки (л/мин), М – её мощность (кВт), Δt – перепад температур, 13,5 – масштабный коэффициент, учитывающий теплоемкость воды, КПД колонки и т.п. Так, для колонки мощностью 20 кВт при Δt = 25С, производительность составит примерно 10 л/мин.

Для накопительных водонагревателей основной характеристикой является объем бойлера – чем он больше, тем больше членов вашей семьи смогут умыться, принять душ или ванну без долгого ожидания прогрева бойлера после предыдущего использования.

Но имейте в виду, что чем больше объем бака, тем больше времени потребуется на его нагрев. Сколько конкретно времени потребуется – зависит от мощности бойлера, его объема и разницы температур:

где t – время прогрева в часах, V-объем бойлера, Δt – перепад температур, W- мощность бойлера в кВт, 0,00117 – масштабный коэффициент.

Тип камеры сгорания.

Камера сгорания может быть открытой либо закрытой. У водонагревателей с открытой камерой сгорания воздух для горения поступает из помещения, в котором водонагреватель установлен. Модели с открытой камерой сгорания стоят дешевле, но требуют наличия приточной вентиляции, иначе содержание кислорода в помещении может сильно снизиться. Кроме того, обычно такие модели рассчитаны на естественный отвод продуктов сгорания и требуют наличия дымохода, что не всегда возможно реализовать.

В закрытую камеру сгорания воздух поступает снаружи помещения. Водонагреватели с закрытой камерой сгорания оснащаются коаксиальной трубой – по внутренней трубе выводятся продукты сгорания, а по внешней – забирается воздух в камеру. Движение воздуха и газов по трубе осуществляется с помощью вентилятора. Такие модели стоят дороже, потребляют больше электричества, зато проще в установке – коаксиальную трубу обычно выводят наружу здания прямо на месте установки водонагревателя.

Материал теплообменника

В газовых водонагревателях используется три вида теплообменников:

– Медные теплообменники имеют высокую устойчивость к коррозии и обеспечивают быстрый прогрев воды за счет высокого коэффициента теплопередачи. Но чистая медь – металл дорогой, поэтому модель с качественным медным теплообменником будет стоит намного дороже. Некоторые производители для снижения цены используют медь низкого качества или дешевые медные сплавы – такой теплообменик прослужит меньше.

– Теплообменики из нержавеющей стали недороги, устойчивы к коррозии и термическим деформациям. Единственным их недостатком является чуть меньшая скорость прогрева воды. Слабым местом теплообменников из нержавеющей стали являются швы – если они выполнены с несоблюдением технологии, то очень быстро становятся очагами ржавчины. Поэтому следует с подозрением отнестиь к теплообменникам малоизвестных производителей.

– Теплообменники из оцинкованного железа дешевле остальных, но это единственное их преимущество – низкая коррозионная устойчивость такого теплообменника быстро приведет к его прогару.

Управление водонагревателя может быть ручным и электронным.

При ручном управлении подача газа и воды регулируются вручную – вентилями. Модели с таким управлением заметно дешевле, но в эксплуатации могут быть довольно неудобны. При ручном управлении любое изменение потребления (открыли еще один кран, закрыли открытый) ведет к изменению температуры горячей воды. “Не открывай кран на кухне, я в душ пошел” – как раз про этот случай.

При электронном управлении пользователь выставляет требуемую температуру воды, а автоматика колонки уже сама следит за тем, чтобы вода на выходе была заданной температуры, независимо от потока.

Розжиг горелки водонагревателя осуществляется с помощью искры (как на современных газовых плитах). Колонки, разжигаемые от спички, давно ушли в прошлое.

Самый простой способ розжига на современных водонагревателях – с помощью пьезоэлемента. Для розжига факела при этом нужно нажать соответствующую кнопку. Это вовсе не значит, что кнопку нужно будет нажимать каждый раз, как потребуется горячая вода – пьезоэлемент поджигает не основную горелку, а запальную, которая горит все время работы прибора и поджигает при необходимости основную горелку.

Более совершенные модели имеют электронный розжиг, работающий от сетевого электричества, батареек или гидрогенератора (генератора, вырабатывающего электроэнергию при протекании воды по трубе).

Наиболее удобен розжиг от сети 220 В – он не требует замены батареек, и цену прибора, как, например, гидрогенератор, не повышает.

Часто можно услышать возражения, что зависимость от сети делает невозможным пуск водонагревателя при отсутствии электричества – так оно и есть. Но, во-первых, это не так уж и важно – мало где настолько часто и надолго отключают электричество, чтобы это доставило реальное неудобство. А во-вторых, большинство современных водонагревателей с электронным управлением и закрытой камерой сгорания и так энергозависимо – 220 В нужны для работы вентилятора и электронной схемы.

Если же отключения бывают часто, а без горячей воды оставаться не хочется ни на минуту, то можно подключить водонагреватель через источник бесперебойного питания.

При покупке колонки в городскую квартиру обратите внимание на максимальное давление воды у выбранной модели. Несмотря на норматив давления в 4 бара, в городских сетях водоснабжения давление может доходить до 6 бар, а при гидроударах – и до 8. Следует либо подбирать колонку с максимальным давлением 8-10 бар, либо предусмотреть редуктор давления на входе холодной воды.

Максимальная температура нагрева воды. Для колонок этот параметр не очень важен. Минимального значения в 50-60 градусов обычно вполне достаточно – в быту большие температуры не требуются, и смысла в очень горячей воде из-под крана нет.

А вот накопительный водонагреватель лучше брать с максимальной температурой повыше – 75-80°С. Это позволит увеличить объем доступной теплой воды при неизменном объеме бойлера. Если 100 литров воды из бойлера с температурой 60°С при смешении с холодной водой (15°С) дадут 180 литров с температурой 40°С, то те же 100 литров, но с начальной температурой 80°С дадут уже 260 литров теплой воды.

Минусом такого решения становится высокая температура воды в «горячем» кране, которая может привести к ожогам при неосторожном обращении.

Безопасность газовых водонагревателей

Эксплуатация газового водонагревателя (как и любого другого газового оборудования), связана с опасностью утечки газа или отравления продуктами сгорания. К счастью, большинство водонагревателей оснащено элементами, значительно повышающими безопасность их эксплуатации:

– Газ-контроль представляет собой автоматическое устройство на основе термического или ионизационного датчика горения. При пропадании пламени автоматика прекращает подачу газа, предотвращая его возможную утечку. Особенно важно наличие этой опции на водонагревателе, если он устанавливается в помещении с источниками ткрытого огня – например, на кухне.

– Ограничение температуры нагрева есть на всех водонагревателях, но если по какой-то причине ограничитель не сработает, вода в теплообменнике закипит, что приведет к его разрыву и поломке водонагревателя. Наличие дополнительной защиты от перегрева предотвратить подобное развитие событий.

– Самодиагностика реализована на некоторых моделях с электронным управлением. При поломке какого-либо элемента водонагревателя, либо при выходе каких-либо параметров за эксплуатационные пределы (отсутствие тяги в дымоходе, пониженное давление воды или газа, пониженное содержание кислорода в камере сгорания и т.д.) электроника отключит водонагреватель и выведет на дисплей сообщение об ошибке.

Вне зависимости от количества опций безопасности на выбранной модели, следует помнить, что никакая автоматика не отменяет правил техники безопасности. Правильная установка водонагревателя, его эксплуатация в строгом соответствии с прилагающейся документацией, знание и соблюдение правил работы с газовым оборудованием – вот залог долгой и безопасной работы водонагревателя.

Варианты выбора газовых водонагревателей

Проточный газовый водонагреватель обеспечит вас горячей водой по минимальной цене – стоит он недорого, а литр горячей воды будет дешевле любого другого варианта.

Накопительный газовый водонагреватель незаменим, когда нужен кратковременный расход воды более 20 л/мин или при слабом напоре газа.

Чтобы быть уверенным в безопасности водонагревателя, выбирайте среди моделей с максимумом опций безопасности.

Для семьи в 2-3 человека будет достаточно проточного водонагревателя производительностью 10-12 л/мин – этого хватит на одновременную работу душа и мойки.

Если семья большая, то и лучше подобрать модель с производительностью побольше – 13-15 л/мин.