Коэффициент полезного действия нагревателя что это такое

Фото с pixabay.com

В одной из статей (не на моём канале), о которой я уже рассказывал, на меня прям набросились за то, что я посмел утверждать известное всем со школьных времён мнение: КПД не может быть более 100% (да и 100% может быть лишь с некоторыми оговорками).

Видимо, кто-то верит, что в наше время можно изобрести вечный двигатель )))

Для тех, кто не знает: КПД – это коэффициент полезного действия, если упрощённо, то это соотношение потраченной энергии к количеству полезной работы. В современных устройствах энергии всегда тратится больше, чем производится полезной работы, поэтому пока мы не научились получать КПД 100% (ну а выше тем более).

Речь в той статье шла об электронагревателях и многие комментаторы говорили, что их КПД очень близок к 100%. Ну где-то 99,99%.

Были и те, кто им возражал, пытались опустить с небес на землю. Но их, также как и меня, обзывали безграмотными недоучками, недостойными быть инженерами )))

Поэтому я решил написать отдельную статью, где разобраться, куда девается энергия, и почему в электронагревателях КПД не может быть 100% (ну или всё-таки может – пусть каждый решит сам после прочтения статьи).

Но сначала доводы тех, кто называл меня придурком и “уволил” меня с должности инженера:

• Нагрев проводов также выполняет функцию обогрева помещения, поэтому нельзя считать это потерями.
• Нагрев устройств автоматики, управляющих электронагревателем, также нельзя считать потерями по той же причине.
• Теплопроводящая среда (будь то масло или что-то ещё) нагревается, следовательно, отдаёт тепло, и, следовательно, потерь в этой среде быть не может.

Сразу уточню, что электрическая энергия, приложенная к проводнику, полностью преобразуется в тепловую энергию. То есть КПД вроде как действительно равен 100%. Но мы то говорим не о проводнике, а об устройстве – об электронагревателе, который состоит не только из проводников. Кроме того, задача нагревателя – это не нагреться самому, а обогреть помещение.

Были там вроде какие-то и другие аргументы, но лично мне достаточно и этих. Итак, давайте пройдёмся по порядку.

Потери в проводах

Да, они небольшие. Но они есть. Здесь не имеет значения, нагреваются провода или нет. Имеет значение потеря напряжения, поскольку ЛЮБЫЕ проводники обладают сопротивлением. Следовательно, на нагревательном элементе будет меньшее напряжение, чем могло бы быть, если бы сопротивление проводов было равно нулю. И здесь не надо уравнивать провода с нагревателем. Потому что у них диаметрально противоположные задачи: у кабеля – НЕ ГРЕТЬСЯ; у нагревателя – ГРЕТЬ. То есть КПД кабеля как нагревателя стремится к нулю! Хотя и не равен нулю. То есть потери электроэнергии в кабеле действительно переходят в тепло. Но ведь у кабеля есть изоляция, которая плохо проводит тепло. Поэтому кабель, скорее всего, будет менее тёплым, чем температура в помещении. Следовательно, это кабель будет нагреваться от помещения, а не помещение от кабеля. Я лично думаю, что в этом случае потери тепла всё-таки будут в кабеле. Хотя и не уверен, что объяснил это правильно. Если есть здесь физики – просьба разъяснить “на пальцах”.

Ну и по закону Ома – от напряжения зависит мощность. Следовательно, если уменьшается напряжение непосредственно на нагревательном элементе, то уменьшается и мощность. Пусть даже на 0,1% или менее.

Потери в устройствах автоматики

Да, это тоже мизерные потери. Но всё же если имеется автоматическое управление (а оно имеется, поскольку без него высокого КПД не достичь, так как помещение будет перегреваться и энергия будет тратиться впустую, то есть на ненужную работу), то сюда также тратится электроэнергия. И опять как в случае с кабелем, это устройство не предназначено для нагрева, а наоборот – оно разработано так, чтобы нагреваться как можно меньше. Простыми словами, электроэнергия здесь должна тратится на работу устройства автоматического управления, а не на тепло.

Теплопроводящая среда

Здесь будут основные потери тепла (и это основной камень преткновения, потому что мои противники с этим не согласны). Именно поэтому КПД, например, масляных радиаторов существенно ниже, чем КПД конвекторов. Да, масло проводит тепло. Но оно не является “прозрачным” для тепла. Это как простое стекло и затемнённое. И то и другое проводит свет, но после затемнённого света будет меньше. Также и с теплом.

ВСЕ материалы обладают тепловым сопротивлением. Если не верите – завесьте батареи дома одеялом и посмотрите, на сколько упадёт температура в комнате.

То есть теплопроводность любой среды – хоть воздуха, хоть масла, не равна 100%. Что касается масла, то его теплопроводность ещё и уменьшается с повышением температуры.

Оппоненты говорят, что радиаторы водяного отопления и электронагреватели сравнивать нельзя, так как в случае с центральным отоплением лишнее тепло просто “проходит мимо”, а в случае с электронагревателями этому теплу деваться некуда, и оно рано или поздно прорвётся наружу (ну или обогреватель перегорит).

Отчасти с этим можно согласиться. Но лишь отчасти.

Можете, например, попробовать отапливать комнату 10-ю лампочками по 100 Вт. В общей сложности будет 1 кВт, но эффект будет не такой, как от обогревателя на 1 кВт. Потому что здесь ещё многое зависит от площади поверхности нагревателя и теплопроводности среды (в лампочке вакуум, который является не самым лучшим проводником тепла – теплопроводность полного вакуума близка к нулю). А ещё лучше взять для обогрева 100 светодиодных ламп с потребляемой мощностью по 10 Вт. Вот наверно теплынь в комнате будет! Но уж во всяком случае светло будет точно.

Обычное возражение: но ведь масло (или другая среда между нагревательным элементом и стенками прибора) всё-равно нагревается, и это тепло всё-равно передаётся в помещение!

Ответное возражение: если накрыть нагреватель ватным одеялом, то одеяло ведь тоже будет нагреваться. И вроде как никаких потерь быть не должно. Но при этом в помещении почему-то становится прохладнее. Вопрос на засыпку – почему?

Понятно, что в этом случае нагреватель (если он управляемый и если датчик температуры не в нагревателе, а в комнате), будет нагреваться сильнее, чтобы возместить потери тепла в одеяле. Но это значит, что он будет тратить больше электроэнергии для обогрева того же самого помещения. И это значит, что его КПД снизится!

Так почему же мы считаем, что одеяло приводит к увеличению времени работы нагревателя, а масло нет?

Чтобы подкрепить свои слова какими-то материалами, довольно долго изучал Интернет. Увы, в очередной раз убедился, что Интернет – это большая помойка, где найти полезные сведения очень трудно. В основном похожие или вовсе одинаковые статьи, которые блоггеры воруют друг у друга, без каких-либо первоисточников и, соответственно, не вызывающие особого доверия.

Ну а те источники, которые хотя бы похожи на правду, говорят о том, что КПД электронагревателей составляет около 90…93%. Источники не привожу, потому что не уверен в их достоверности.

ПРИМЕЧАНИЕ

Почему многие уверены, что электронагреватели имеют КПД 100%, а кондиционеры так вообще более 100%. Поправьте, если я ошибаюсь, но думаю, что путаница возникает из-за видов энергии. Например, в кондиционере вообще нет нагревательного элемента, тепло там вырабатывается от изменения давления хладагента, а электричество требуется только для “перекачивания” этого тепла. То есть тепловую энергию кондиционер как-бы не потребляет, но вырабатывает. Однако электроэнергию то он потребляет. Также и с любым другим нагревателем: устройство потребляет энергию одного вида и преобразует её в энергию другого вида. И если считать КПД по этой “чистой” энергии, то КПД не может быть более 100% (ну по крайней мере пока люди до таких устройств не додумались, и при любых преобразованиях происходят потери).

На одном из форумов нашёл толковый комментарий:

Не путайте закон сохранения энергии и энергоэффективность нагревательного прибора. Никто в теме на утверждал обратное, что вся электроэнергия преобразуется в тепловую. Однако, это применимо только в нагревательном элементе электронагревательного прибора. Мало преобразовать энергию, ее необходимо передать от нагревательного элемента для обеспечения переменной тепловой нагрузки помещения в данном случае. Ошибочно утверждать, что вся энергия передается в помещение, поскольку первый закон термодинамики накладывает на этот процесс определенные условия/ограничения. На практике режим работы электронагревательного элемента вкл/откл является динамическим. Поэтому на нагрев помещения идет лишь ее часть. Энергоэффективность нагревательного прибора, а не нагревательного элемента, как некоторые пытаются навязать – это способность электронагревательного прибора при переменной тепловой нагрузке обеспечить поддержание требуемой температуры/комфорта с минимальным энергопотреблением.

Кстати, на том форуме была заруба: сцепились два теплотехника, один – это тот, чей комментарий я привёл, другой – тот, кто говорил, что тепловая энергия не теряется, то есть КПД = 100%. И оба вроде грамотные (ну во всяком случае лучше меня разбираются в вопросе), но к одному мнению так и не пришли.

Этого мужика конечно заклевали. Но он не сдался ))) Хотя на его стороне тоже были, но меньшинство.

Может быть слегка заумно, но это то, о чём я говорил выше – теплопотери при передаче тепла от нагревателя в помещение неизбежны. Они сводятся к минимуму только в нагревателях с открытой спиралью, но и здесь не равны нулю, потому как на спирали при работе образуется нагар, который является как электрической, так и тепловой изоляцией. Да, это очень небольшие потери, но это потери. Поэтому даже у конвекторов вы не найдёте в документации КПД более чем 98…99%.

Ну и главный вопрос оппонентов: куда девается “лишняя” тепловая энергия (ну к примеру если обогреватель потребляет 1 кВт, а на обогрев отдаёт 0,9 кВт, то куда девается 0,1 кВт). На этот вопрос комментатор ответил, что на изменение внутренней энергии системы, сославшись на законы термодинамики. Если есть здесь физики, просьба написать, прав он или нет. Потому как я физику учил много-много лет назад.

И ещё немножечко… Почти все оппоненты соглашаются с тем, что чем больше площадь обогревателя, тем лучше он прогревает помещение. При одинаковой мощности. И что сие значит? Значит ли это, что КПД обогревателя с большей поверхностью выше? Если да, то таки КПД при одинаковой потребляемой мощности всё-таки плавает в каком-то диапазоне в зависимости от конструкции обогревателя.

И ещё один удар в спину тем, кто говорит о 100%. Не великая тайна, что у нас в домах переменный ток, а нагреватель в большинстве случаев – это спираль, то есть катушка. А любая катушка имеет реактивное сопротивление. Переменный ток, как известно, имеет две составляющих – активную и реактивную. Полезную работу (нагрев в нашем случае) делает только активная составляющая. Наличие каких-либо реактивных сопротивлений, отличных от бесконечности – это пустая трата электроэнергии. Здесь, конечно, потери будут тоже небольшими, потому что хорошие производители об этом заботятся. Но есть ведь и плохие )))

Теперь о том, что говорят производители. А производители о КПД обычно скромно умалчивают. Благо, что реформа образования действует прекрасно, и теперь эти три буквы мало кому о чём говорят. Поэтому найти руководство на электронагреватель, где указан КПД, задача не простая. И я с ней пока не справился. Видел только рекламу с КПД 150 и даже 300%. Кстати, если вам попадётся руководство, где указан КПД – не сочтите за труд – поделитесь в комментариях.

Ну и совсем-совсем напоследок. Возможно, я не очень точно применяю терминологию. Возможно, я говорю КПД, а имею ввиду эффективность. Хотя с моей точки зрения правильно говорить именно КПД, потому что на входе мы берём электроэнергию, а на выходе получаем “полезность”, то есть тепло. И количество этой “полезности” таки зависит от вида электронагревателя.

Как бы то ни было, но погружение в этот вопрос заставило меня задуматься о выборе системы отопления в своём доме (благо, что она ещё не сделана). Поразмышляю над этим на досуге и обязательно расскажу…