При выборе режима плазменной обработки дисперсных материалов встает задача оперативной оценки эффективности межфазного теплопереноса на качественном уровне [1,2]. Обычно набор режимных параметров процесса включает массовый расход плазмообразующего газа, ток электрической дуги, выходной диаметр канала плазмотрона. При использовании определенных упрощений удается получить аналитические выражения для скорости и температуры частиц материала в начальный период нахождения в плазменной струе [3-5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Рассмотрим движение одиночной сферической частицы диаметром D_p, которая была помещена в равномерный плазменный поток со скоростью V_g  и температурой T_g (плотность, теплопроводность, вязкость плазмы соответственно равны ρ_g, λ_g, μ_g) [6,7]. В начальный момент времени t=0 скорость частицы равна нулю, а температура – начальному значению T_Po. Будем считать, что температура сферы в каждый момент времени равномерна по объему (число Био Bi<<1), радиационными потерями пренебрегаем [8,9]. В таком случае уравнения движения и нагрева частицы в потоке можно представить в следующем виде:

.

Величины времени ускорения и нагрева:

– имеют ясный физический смысл: это время, которое понадобилось частице, чтобы достичь скорости (температуры) плазмы, если бы она двигалась с начальным ускорением (нагревалась с начальной скоростью). В условиях плазменной обработки τ_D/τ_T ~ 10-10², то есть процесс нагрева частиц практически всегда протекает быстрее их ускорения [10-13].

На начальном этапе движения частицы ее скорость мала по сравнению со скоростью потока: (V_g-V_P)~V_g, поэтому можно считать, что параметр Рейнольдса остается постоянным, а следовательно – и величины τ_D и τ_T. В таком случае [14-16],  интегрирование дифференциальных уравнений движения и нагрева частицы, с использованием начальных условий V_P(0)=0, T_P(0)=T_Po, позволяет получить следующие решения:

.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

В работах [3, 4, 19-23] для оценки эффективности плазменного нагрева порошковых материалов при использовании различных плазмообразующих газов введен параметр T_g λ_g L/V_g, в котором L – длина зоны термической обработки или длина плазменной струи (см. рис.1). Конструкция этого комплекса получена из следующих соображений: полное количество тепла ΔH, переданного частице от потока, пропорционально плотности теплового потока q~ λ_g (T_g-T_P)~ λ_g T_g и времени пребывания частице в струе τ~ L/V_g.

Рисунок 1. К оценке тепловой эффективности плазменной струи

Уточним эту оценку в условиях задачи одномерного движения частицы, рассмотренного в предыдущем работах [2,3, 23-24]. Будем считать, что скорость частицы изменяется по закону:

.

Разлагая экспоненту в ряд Тейлора на малых временах t<< τ_D, найдем время Δt, которое потребуется частице для преодоления дистанции L:

.

Вычислим количество теплоты, полученное частицей от потока за время нахождения в ядре струи:

.

Подставив выражения для коэффициента теплоотдачи  и времени нагрева Δt, используя оценку T_P<<T_g, найдем

.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Выделим в полученном выражении комплекс, который зависит от характеристик плазменного потока:

и может являеться показателем тепловой эффективности плазменной струи [26-28]. Очевидно, что этотпараметр определяет полное количество тепла, которое получит от потока частица заданного диаметра и плотности [29-32]. Следует обратить внимание на отличие полученного критерия от параметра, предложенного в работах [3, 4]:

- время пребывания в струе пропорционально не отношению L/V_g, а комплексу:

,

учитывающему зависимость динамики ускорения частицы от вязкости газового потока [33, 34]. Отношение

слабо зависит от характеристик плазменной струи, например, в условиях атмосферного давления для частиц диаметром 100 мкм оно изменяется в диапазоне 2.6 − 2.9 как для аргона, так и для азота [35, 36].

Рисунок 2. Эффективность плазмы аргона и азота при различных значениях тока дуги  и расходах газа

На рисунке 2 приведены  результаты  расчета тепловой эффективности плазменных струй азота и аргона атмосферного давления при различных режимах работы электродугового плазмотрона с межэлектродными вставками (МЭВ) (номинальная мощность 50 кВт, диаметр анода10 мм).  Температура аргоновой плазмы составляет 10-12 тысяч градусов, а азотной – 6-8 тысяч градусов.

ВЫВОДЫ.

Несмотря на то, что температура аргона почти в два раза выше азота [37], показатель тепловой эффективности аргоновой струи в 3-5 раз ниже, чем эффективность азотной струи. По этой причине в технологиях напыления используют добавки многоатомных газов (гелий, водород, метан) для увеличения тепловой эффективности струи в первую очередь за счет повышения теплопроводности смеси.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 15-48-00100 и № 14-08-90428.

Формирование нового производственного уклада во многом связано с развитием аддитивных технологий на базе металлов и металлокерамик. В них синтез материалов и изделий осуществляется из мелкодисперсных компонентов в ходе быстропротекающих  высокотемпературных процессов. Здесь актуальность контроля структурных и фазовых изменений обусловлена широким спектром научных и технических задач [1-6].

Высокая температура аддитивного синтеза металлов и металлокерамик (1500 – 4000 К) открывает возможность косвенного контроля структурообразования  методами оптической пирометрии с разрешением до 1 мкм и 10 мкс [7-9]. Яркостная температура линейно зависит от спектрального коэффициента излучения, который в свою очередь определяется микроструктурой и фазовым составом поверхностного слоя наблюдаемого тела. Погрешность современных средств яркостной пирометрии в диапазоне температур 1500 – 5000 К достигает 0.05 % [10, 11]. Метод спектральной пирометрии, напротив, позволяет выбрать такой оптический диапазон, где измеряемая температура практически не зависит от свойств материала, а отклонение спектральной температуры от действительной не превышает 0.5 %. Случайная погрешность цифровых спектральных пирометров на 1-2 порядка ниже систематической составляющей [12]. Таким образом, сочетание в измерительном комплексе средств яркостной и спектральной пирометрии теоретически дает возможность контроля излучательной способности неподвижных объектов с высокой точностью.

Принципиально система оптической диагностики структурообразования может быть построена на основе результатов пирометрических и рентгенографических исследований. Первые позволяют определить зависимость от температуры спектрального коэффициента излучения материала, а вторые изучить поведение его структурно-фазового состава. Цель настоящей работы заключалась в обнаружении физических явлений, влияющих на измеряемую величину спектральной излучательной  способности в процессе синтеза материалов, и оценке точности подхода пирометрической диагностики структурно-фазовых превращений.

2. Эксперимент

Экспериментальные исследования выполнялись с помощью оригинального микропирометрического комплекса (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и крепление образца в реакторе высокотемпературного нагрева (б) (1 – микроскоп МБС-10, 2 – полосовой светофильтр в тепловизионном канале, 3 –  камера ВидеоСпринт, 4 – спектрометр LR1-T, 5 – источник тока PSH-2035, 6 – реактор высокотемпературного нагрева (РВТН), 7 – вакуумный насос, 8 – охлаждаемые проточной водой  медные электроды, 9 – закрепленный образец фольги, 10 – область визирования спектрометра)

В нем микроскоп МБС-10 (ЛЗОС, Россия) (1) служит оптической системой, которая совмещает в пространстве два измерительных канала: тепловизионный и спектральный. В тепловизионном канале установлен полосовой светофильтр SL-725-40 (PhotoОptic-Filters, Россия) (2) с центральной длиной волны 725 нм и полушириной полосы пропускания 40 нм. Регистратором здесь служит цифровая камера ВидеоСпринт (НПК «Видеоскан», Россия) (3). Микроскоп обеспечивает пространственное разрешение тепловизионной съемки 2.9 мкм, а быстродействие камеры позволяет фиксировать кадры с частотой от 2 до 250000 Гц [13]. С помощью образцовой температурной лампы ТРУ-1200-2350 выполнена калибровка тепловизионного канала на доступном множестве значений времени экспозиции, и построены таблицы соответствия дискретного уровня сигнала яркостной температуре [14]. Погрешность измерения яркостной температуры оценена на уровне 0.1 %. Спектральный канал комплекса организован с помощью цифрового спектрометра LR1-T (ASEQ Instruments, Канада) (4), соединенного оптоволокном с микроскопом. Обработка данных теплового спектра и определение температуры выполнялись на компьютере в режиме реального времени [15]. Случайная погрешность измерения спектральной температуры оценена с помощью образцовой лампы на уровне 0.07%.

Образцы для пирометрических исследований изготавливались из вольфрамовой фольги толщиной 100 мкм. Длина образца составляла 50 мм, ширина около  2 мм. Нагрев образцов выполнялся электрическим током от программируемого источника PSH-2035 (Good Will Instrument, Тайвань) (5) в оригинальном реакторе высокотемпературного нагрева (РВТН) (6). РВТН имеет цилиндрическую кварцевую стенку, которая позволяет удалять воздух с помощью вакуумного насоса (7), замещать его инертной средой (аргон) и контролировать излучение с поверхности образца.  Медные электроды (8) РВТН во время опыта охлаждались проточной водой. Область визирования спектрометра (10) имела форму круга с диаметром 230 мкм и размещалась в центре тепловизионного кадра размерами 3700 х 2970 мкм.

Экспериментальная зависимость коэффициента излучения от температуры на длине волны 725 нм строилась для общей области визирования измерительных каналов комплекса. При этом допускалось, что во время наблюдения в пределах данной области излучательная способность однородна. Дополнительно объективными и субъективными средствами детектировалось наличие процесса структурообразования в образце, и производилась его тепловизионная съемка.

Методика эксперимента включала следующие шаги. С помощью источника PSH-2035 с шагом 0.2 А изменялся ток. Мощность тепловыделения в образце определялась по фактическим данным тока и напряжения, абсолютная погрешность измерения которых составляла 0.01 ампера и вольта соответственно. После установки нового уровня тока экспериментатор отслеживал состояние поверхности образца, а напряжение на выходе источника контролировалось автоматически. Если через 5 секунд после смены уровня тока изменение мощности источника продолжалось или наблюдались структурные изменения на поверхности фольги, то запускалась длительная тепловизионная съемка с частотой от 2 до 50 Гц. В противном случае считалось, что переходные процессы в образце завершены. Тогда  в общей области визирования измерялась спектральная температура, а по данным тепловизионной съемки оценивалась яркостная температура. Спектральный коэффициент излучения рассчитывался по формуле:

Для изготовления экспериментальных образцов использовался прокат вольфрама, химический состав которого представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав вольфрамовой фольги

Создание аргоновой среды выполнялось в ходе четырех итераций процесса, включающего откачку газа из РВТН до давления 2 Па и заполнения ее аргоном при давлении 400 кПа. На последней итерации давление аргона устанавливалось на заданном уровне 100 кПа. В эксперименте РВТН не отключался от магистрали подачи аргона, что способствовало стабилизации давления во время нагрева образца вольфрама. Таким образом, содержание примесей кислорода и азота в среде аргона перед началом эксперимента оценивалось величиной <10^-8 мкг/г. Так  как концентрация данных элементов в самом образце на 8-10 порядков выше, то процессы химического взаимодействия образца с газовой средой не рассматривались. Более того, при анализе структурно-фазовых изменений считалось, что атомы примесей или их химические соединения, покинувшие поверхность образца, обратно не возвращается.

В ходе опыта ступенчатый нагрев образца продолжался либо до достижения верхнего предела генерации источника тока или сигнала измерительных приборов, либо прерывался специально. Во всех случаях выполнялось мгновенное отключение тока, что вело к закалке образца с сохранением микроструктуры и фазового состава последнего этапа нагрева. Все образцы подвергались только однократному нагреву. По окончанию пирометрических исследований над образцами произведен микроскопический, рентгенофазовый и микроэлементный анализ.

3. Обсуждение результатов

В результате опытов с давлением аргоновой среды 100 кПа по данным тепловизионной и спектральной съемки и формуле (1), получены зависимости, представленные на рисунке 2.

Рис. 2. Результаты пирометрических исследований вольфрамовых образцов в области с максимумом температурного поля при давлении аргоновой среды 100 кПа

На зависимости спектральной излучательной способности (спектральный коэффициент излучения) всех образцов отчетливо видны перепады, по которым были определены температуры фазовых превращений.  Кроме того, микротепловизионная съемка зафиксировала изменения структуры материала на поверхности образцов в области температур близких к фазовому переходу (рис. 3).

Рис. 3. Микротепловизионные изображения вольфрамового образца с разрешением 5.9 мкм

Для интерпретации экспериментальных зависимостей были привлечены справочные данные (в том числе таблица 2) и диаграмма фазовых состояний системы “вольфрам – кислород” (рис. 4)[16-21].

Таблица 2. Физические свойства оксидов вольфрама

В итоге возникло следующее объяснение результатов опытов. Во время эксперимента температура на концах образца за счет водяного отвода тепла от электродов не превышала 400-500 К. Максимум температурного поля образцов наблюдался примерно на их середине. В отсутствие структурно-фазовых изменений данное поле являлось стационарным. Причем с весьма высоким градиентом до 10⁵ К/м. Таким образом, были созданы хорошие условия для диффузии углерода, азота и кислорода (и других примесей) к поверхности кристаллитов вольфрама и в высокотемпературную область образца, где их растворимость больше. Следствием подобной диффузии является повышенная концентрация  примесей на межзеренных границах с образованием там оксидов, нитридов и карбидов вольфрама (и других соединений).

Рис. 4. Диаграмма фазовых состояний системы “вольфрам-кислород”

Взаимодействие вольфрама с кислородом ведет к образованию двух основных фазы: WO₂ и WO₃. При температуре выше 1000 К обе фазы начинают заметно сублимировать. Однако газовая фаза WO₂ распадается на W и WO₃. В диапазоне температур 1400 – 1550 К в кристаллической структуре WO₂ постепенно нарушается дальний порядок, что может выражаться в пластификации оксида и высвобождению кислорода как в чистом виде, так и в виде соединения с углеродом. Микротепловизионные наблюдения и “заморозка” образцов показали, что при температурах 1350 – 1550 К на поверхности вольфрамовых образцов возникают сферические и полусферические образования, подобные пузырям (рис. 5). Только парциальное давление насыщенных паров WO₃ на температуре около 1500 К по справочным данным составляет почти 50 кПа (таблица 2). Поэтому при температурах чуть меньше 1550 К в реакторе, наполненном аргоном с давлением 100 кПа, создаются неплохие условия для возникновения пузырей, наполненных паром WO₃+O₂+CO_x с пластичной оболочкой из WO₂.

Рис. 5. Полусферические образования на поверхности вольфрамовых образцов

Образование подобных пузырей согласуется с поведением излучательной способности экспериментальных образцов в диапазоне температур 1350-1500 К, где рост коэффициента излучения происходит  по логарифмическому закону от значения 0,4 до 1 (рис. 2). На образцах фольги, закаленных при максимуме температуры 1500-1750 К, обнаружено, что в областях, где локальная температура была выше, радиус кривизны пузырей и их количество на единице поверхности больше (рис. 5). Каждый пузырь может работать как полость, в которой происходит многократное отражение теплового излучения. Тоже самое можно сказать про полости между пузырями. Излучательная способность любой полости стремиться к единице с ростом количества отражений в ней. Таким образом, увеличение количества пузырей на единице поверхности должно вести к росту ее излучательной способности, что и показывают экспериментальные данные, в которых спектральный коэффициент излучения определялся как среднее значение по площадке диаметром 230 мкм.

При достижении температуры плавления WO₂ (~1500 К) на экспериментальной кривой излучательной способности наблюдается спад со значения 1 до 0,48 (рис. 2). Его можно объяснить разрушением структуры указанного оксида и исчезновением пузырей с поверхности образца. Причем на границах кристаллитов возможно резкое ускорение процесса восстановления вольфрама углеродом. Также следует отметить, что снижение коэффициента излучение не повлекло в эксперименте изменение электрической мощности, подводимой к образцу (т.е. электрическое сопротивление образцов не изменилось), но вызвало резкий рост (на 450-470 градусов) спектральной (термодинамической) температуры (рис. 2), которая практически достигала уровня закипания оксидов вольфрама. Таким образом, фактически плавление WO₂ инициировало структурно-фазовые превращения, в результате которых с поверхности образца исчезли оксиды, а ее излучательная способность с погрешность 4% стала равна справочному значению для чистого вольфрама. Высокую вероятность реализации подобного сценария подтверждает рентгенофазовый анализ образцов, которые в эксперименте находились при температуре выше 2000 К. На их дифрактограммах обнаруживаются только линии нитрида вольфрама с гексагональной решеткой, но отсутствуют  явные признаки оксидов и карбидов (рис. 6).

Рис. 6. Дифрактограмма вольфрамового образца после эксперимента с P_Ar=100 кПа и T_min=2050К

На графиках спектральной и яркостной температуры (рис. 2) при наблюдается небольшой излом. Однако излучательная способности образцов здесь остается неизменной. Данная температура хорошо совпадает с температурой диссоциации нитрида вольфрама. Причем азот может оставаться в вольфраме в виде твердого раствора внедрения вплоть до температуры около 2400 К, когда его тепловая энергия сравнивается с работой выхода из металла. Таким образом,  после разрушения нитридов вольфрама концентрация азота в вольфраме останется на прежнем уровне, что объясняет постоянство излучательной способности. Но происходит увеличение теплоемкости, которое вызывает уменьшение температуры.

В диапазоне температур 2150 – 2400 К наблюдается снижение излучательной способности нагретых образцов до значения 0,27. Затем вплоть до температуры 2450 К излучательная способность возвращается к уровню 0,48, а температура падает на 150 градусов (рис. 2). В основе такого поведения может лежать процесс диффузии азота в вольфраме после разрушения нитридных связей, приводящий к концентрации его атомов в межзеренных границах (в том числе на поверхности образца).  По достижении температурного предела существования твердого раствора азот улетучивается с поверхности вольфрама и происходит восстановление излучательной способности металла, которое влечет снижение температуры при условии постоянства мощности тепловыделения в образце.

4. Выводы

Оптический контроль излучательной способности вольфрамовых образцов позволил: идентифицировать температуру плавления WO₂, температуру кипения оксидов вольфрама, температуру диссоциации нитридов вольфрама и температуру, при которой атомы азота покидают вольфрам; выявить на поверхности материала возникновение и разрушение макроструктур (полусферические образования). Оригинальное объяснение механизмов структурообразования в экспериментальных образцах стоит воспринимать на уровне рабочей гипотезы, для повышения достоверности которой необходимо провести более тщательные структурные исследования. Однако выполненные эксперименты показали, что чувствительности средств яркостной и спектральной пирометрии достаточно, чтобы с погрешностью 1-3% оценивать температуры фазовых переходов и выявлять структурные изменения в веществе как на микро-, так и на макромасштабе.  С точки зрения диагностики фазовых превращений влияние макроструктур на коэффициент излучения является отрицательным моментом, так как оно вносит искажения или маскирует зависимость этого оптического свойства от микроструктуры материала. В таком случае помогает тепловизионная съемка, по которой можно обнаружить появление макроструктур на поверхности материала. Кроме того, большое увеличение в микротепловизионной съемке позволит контролировать локальные значения коэффициента излучения и использовать селективный подход для устранения влияния поверхностных макроструктур на пирометрическую диагностику фазовых переходов. В области температур фазовых переходов от 1500 до 6000 К пространственное разрешение оптических тепловизионных систем может составлять от 10 до 1 мкм соответственно.  Особенно важным здесь является возможность регистрировать динамику процесса с временным разрешением от 10 мс до 10 мкс. Это позволяет средствами пирометрической диагностики вести наблюдение структурообразования в быстропротекающих процессах.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-48-00100).

Из истории развития систем отопления – первые индивидуальные системы отопления помещений (зданий, жилищ) появились в незапамятные времена, во времена (пещерного, землянкового, ярангового) проживания человека, это был примитивный костер из подручного материала, выполнявший комбинированную функцию комплексного источника энергии – освещение + отопление + приготовление пищи [1-3]. Основная проблема кострового «отопления» – низкий КПД. В частности, КПД костра для теплоснабжения примитивного жилища не превышает 1%. С давних пор человечество искало возможность согреться в суровых погодных условиях в северных широтах и, безусловно, преуспело в этом.

Достоверно неизвестно как конкретно в каждой из местностей происходила эволюция (отопительных, осветительных устройств и систем), но на сегодня достоверно известно, что на Руси основным устройством (системой) отопления многие годы были: примерно, до XIV-XV веков курной очаг; позже, на долгие десятилетия «воцарилась» печь. Даже в фольклоре русского народа нашло отражение исходной точки строительства жилища (избы) – «начинаем от печи». Принципиальное отличие очага от печи было в том, что очаг топился «по черному», т.е. «открытым» горением без применения дымохода, а печь – «по белому», т.е. с отводом продуктов горения (дыма) через специальную систему – дымоход. Печь (очаг) являла собой самый центр русского жилища, вокруг неё формировались спальные места (самые теплые, естественно, на печке и на полатях наверху, под потолком), в её «отделениях» велось приготовление пищи. Суть обогрева жилища печью, по отношению к очагу, сводилась к повышению эффективности использования горячих газов, появляющихся от сгорания дров. Если от костра (очага) дым улетучивался и не мог более осуществлять обогрев людей вокруг костра (очага), то движение дыма по дымоходам печи приводило к остыванию дыма и прогреванию кирпичей (камней или глины), из которых была сложена печь, что позволяло после окончания горения топлива ещё значительное время (несколько часов) продолжать обогревать окружающее печь пространство. Таким образом, КПД русской печи доходило до 7% в части обогрева жилища [1-3]. Альтернативой громоздкой, но «очень теплой» русской печи, со временем, после «прорубания окна в Европу» Петром I в XVIII веке, стали компактные и экономичные «голландки» – «голландские печи» или, их наиболее распространенная в России «версия»: «Утермарковские печи» и «Изразцовые печи». Эти печи имели значительные по мощности дымоходы, но не имели значительной (по сравнению с «классической» русской печью) каменной массой. Голландки сохраняли зону приготовления пищи в большинстве своих модификаций. «Печная» схема отопления привела к потребности появления альтернативного источника для освещения помещений – печь не могла осуществлять освещение жилища ввиду «закрытой» камеры сгорания топлива. Отметим, что вся последующая цивилизация систем отопления применяла закрытую камеру сгорания – «топку» – как более эффективную с точки зрения теплотворной способности по сравнению с открытой «горелкой» аналог костра(очага) с различными видами топлива.

В Европе, например, основным устройством (системой) отопления стал камин. Его основное отличие от русской печи в том, что он не имеет массивной каменной (кирпичной) составляющей и, соответственно, не способен отдавать тепло, «запасенное» от горячих дымов сгорания топлива, значительное время после того, как топливо погасло. Однако, его конструкция предусматривает «прямую» отдачу тепловой энергии (теплового излучения) непосредственно в отапливаемую зону, откуда и появилось «романтичное» -«посидеть у камина с бокалом».

Приблизительно, на рубеже XVIII-XIX веков, в России получило массовое распространение, так называемое, воздушное отопление помещений. В зданиях, преимущественно, богатых владельцев, устраивались «центральные» печи, от которых, по системам воздуховодов разводился подогретый воздух до всех потребных помещений. Практические предвестники современных систем водяного (парового) отопления появились в России ближе к середине XIX века [2,3].

Современные малогабаритные системы индивидуального отопления с применением топливных горелок или топок, в основном, это системы низкого давления с жидким теплоносителем. По виду современные отопительные системы подразделяются на замкнутые и открытые (или часто их называют атмосферные), а по типу – на конвекционные (самостоятельные) и принудительные. В открытых системах применяют атмосферные расширительные баки, компенсирующие тепловое расширение теплоносителя, а в замкнутых системах расширительный бак имеет гибкую мембрану для этих целей и никак не сообщается с атмосферой. Как правило, современные индивидуальные отопительные системы создаются в интересах конкретного собственника некоего объекта недвижимости (отдельно стоящего здания или группы зданий) – объекта отопления – с целью оптимизации расходов на поддержания нормальных климатических условий в осенне-зимний (отопительный) период[4,5,6].

Нельзя не отметить, что с развитием систем электропередачи, в качестве основной отопительной системы конкретного объекта можно применять и электрические тепловые системы: конвекционные, жидкостные (в т.ч. масляные), инфра-красного обогрева и индукционные [4]. В каждом конкретном случае, конечно, необходимо производить расчет с учетом доступности конкретного вида тепловых приборов и допустимой мощности на потребление в рамках объекта [5-11]. Как правило, по степени уменьшения энергопотребления по отношению на тепловую эффективность, электроотопительные приборы показывают следующую последовательность: индукционные, конвекционные, жидкостные и инфра-красные. К сожалению, «напрямую» применять эту зависимость для создания энергоэффективной системы электрического отопления нельзя. Проблема индукционных источников тепла в том, что они используют физические принципы, не совместимые с присутствием человека или животных в момент активного включения таковых накопителей. Их, как правило, применяют для обеспечения климатики, например, складских помещений. Проблема ИК-источников в том, что они нагревают конкретный предмет «обстановки» (в то числе – стены, полы, специальные экраны-концентраторы и т.д.), поэтому, если, например, человек или животное будут спасть в зоне работы ИК-источника тепла, то последствия такого «прямого» нагрева могут быть самые неприятные. В отличие от индукционных и ИК-систем, конвекционные и жидкостные системы электрического отопления способны применяться в любых условиях и для любых типов общегражданских помещений. Однако, конвекторы, теоретически, в отдельных случаях конструкций, могут «выжигать» кислород в отапливаемых помещениях, тогда как жидкостные системы отопления на электрических нагревателях не имеют такого недостатка. Удобство распределения и потребления электрической энергии, во многом, определяют широту применения электрических источников тепла.

Таким образом, при создании конкретной системы отопления основным критерием базового метода отопления (электрический или топливный) является экономический – во-первых:

по принципу доступности «базового» энергоносителя (жидкое топливо, твердое топливо, газ, электричество или иной базовый энергоноситель);

во-вторых: по совокупной стоимости «готовой» (по проекту) системы отопления объекта «в целом» – т.е. сумма стоимости всех элементов теплогенерации, распределения потоков, подвода энергоносителя, отвода продуктов генерации и т.д [7-11]. На практике, при создании конкретной системы отопления конкретного объекта целесообразно применять совокупную систему, которую часто в быту называют «взвешенный подход».

Далее будем рассматривать системы, осуществляющие жидкостное отопление.

Итак, основной современных систем жидкостного отопления являются несколько подсистем:

1. Котел.
2. Теплоноситель.
3. Тепловые приборы.
4. Подсистема распределения.

Фактически, на текущий момент можно выделить ещё одну подсистему, призванную оптимизировать расходы на получение первичного «топлива» – это система автоматизированного (или даже – автоматического) управления. Эта подсистема должна формировать потребность в первичном топливе для обеспечения «вторичной» теплогенерации, позволяющей:

1 вариант – поддерживать стабильную (заданную) температуру теплоносителя в подсистеме теплопередачи и распределения;

2 вариант – наиболее комфортабельный для жилых помещений, поддерживать «стабильную» (в заданных пределах min – max) температуру внутри отапливаемого помещения.

Основная задача этой «подсистемы» – сформировать потребление минимально необходимого количества «дорогостоящего» «первичного источника энергии» для обеспечения исполнения задачи стабилизации климатики (отметим – рассматривается задача отопления в холодное время года) внутри рассматриваемого объекта [11].

Итак – оптимальное экономическое отношение между совокупностью основных 4-х подсистем, казалось бы, гарантирует получение искомого варианта отопления объекта, но фактически, «совокупная стоимость» теперь уже, с учетом «подсистемы автоматики» решает ещё одну «незаметную» задачу – перегрев системы отопления! Обратим внимание на то, что подсистема автоматики, получая «задание» на выдержку температуры как «теплоносителя», так и температуры помещения (помещений) объекта, решает задачу защиты всей системы отопления от перегрева и, как следствие, от разрушения (вне рамок рассмотрения настоящей статьи). Исходя из изложенного, получаем, что стоимость оптимальной системы отопления обязательно должна включать в себя стоимость подсистемы автоматики, как минимум, на случай разморозки (напомним – жидкостная система отопления) и на случай перегрева.

Нельзя не заметить, что такие системы отопления в нашем случае, строятся, как правило на водоподобных теплоносителях по элементарной причине: текучесть воды, её доступность в совокупности с применяемой автоматикой разморозки (перегрева) позволяют минимизировать стоимость подсистемы теплоносителя.

Итак, имея в наличии «котел» – подсистему преобразования «первичного» энергоносителя в тепловую энергию, водоподобный теплоноситель в совокупности с подсистемой автоматической защиты от разморозки (перегрева), считая, что мы имеем однотипную (единообразную) подсистему распределения и вторичного обогрева «на местах» (в помещениях), можно считать, что задача расчета конечной стоимости владения «упирается» в тип первичного энергоносителя плюс «котел», которые будут заставлять циркулировать теплоноситель в подсистеме распределения и «вторичной» теплогенерации. А вот здесь и скрылась «задача» определения потребности в «принудительной» циркуляции. Имеется ввиду, что есть ли реальная потребность в установке «циркуляционного» насоса для систем индивидуального отопления? Ответ на этот вопрос весьма неоднозначен. Есть огромное количество материала, привлекающего сторонников как на схему с принудительной циркуляцией, так и на схему «прямой» (или естественной) циркуляции. Фактические данные при аналогичных случаях, как правило, грешат неточностями. Единственное, что можно заявлять определенно: при многоконтурных системах отопления на жидкостной основе с единым центром теплогенерации (котлом) рационально применять принудительные системы рециркуляции, однако, при одноконтурном варианте применения жидкостного отопления, проще и рациональнее использовать рециркуляционную силу теплотворной мощности основного котла.

Применение современных подсистем автоматики на основе современных контроллеров [11,12] позволяет широко использовать модуляцию подсистемы теплогенерации как для жидкостных, так и «напрямую» для электрических систем отопления.

Приведенные в примере контроллеры позволяют, при помощи применения комбинированной схемы управления: «управляемая розетка» плюс «контактор». Управлять значительными электрическими мощностями для получения комфортных климатических условий в помещениях объекта. С другой стороны, применение схемы управления, например, газовым котлом с возможностью «входа» от термостата (негативного или позитивного) позволяет применять недорогую жидкостную систему отопления на основе газового котла с учетом настроенной автоматики «поджига» от применяемого «внешнего» термостата.

Резюмируя наши «изыскания» о применении различных вариантов схем индивидуального отопления объектов, считаю возможным заключить, что: с учетом применения схемы автоматизированного управления климатикой объекта, выбрав оптимальную по стоимости совокупного владения систему отопления из расчета на заданное количество лет (за пределами настоящей статьи), необходимо получить технические условия на подведение «первичного» энергоносителя (для Республики Мордовия – газ или электроэнергия) в достаточных для обеспечения отопления заданного объекта объемах, после чего произвести первичный расчет распределения «вторичной» тепловой энергии с учетом применения предлагаемой схемы управления климатикой [13].

В случае завышения стоимости от применения «тривиального» печного отопления – применить печное отопление с (дровяным, торфовым, угольным), (требуется расчет вне пределов настоящей статьи) энергоносителем.

Прошу обратить внимание, что современные котлы могут применять различные топливные среды для обеспечения «первичной» теплогенерации даже для малых индивидуальных объектов (частные дома).