Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается

Тепловая мощность на резисторе — что это такое и как рассчитывается

Компоненты электрической цепи

Практически все электроприборы содержат в своих схемах резисторы. Это объясняется тем, что для каждого прибора или проводника избирается своя сила тока для функционирования. Для того чтобы компенсировать значение между напряжением и движением заряженных частиц, в схемы вводят сопротивление. Основной параметр – это его мощность.

1 Область применения

1.1 Настоящий стандарт распространяется на отапливаемые помещения, группы помещений (квартиры) жилых многоквартирных зданий, а также на одноквартирные жилые дома с естественной или механической вытяжной вентиляцией.

1.2 Настоящий стандарт устанавливает метод определения в натурных условиях удельного потребления тепловой энергии на возмещение теплопотерь за счет теплопередачи через наружные ограждающие конструкции и нагрев вентиляционного и инфильтрационного воздуха при работе вытяжной вентиляции (далее — удельное потребление тепловой энергии на отопление).

Приведенные выше формулы без корректирующих коэффициентов применяют для расчета схем с подключением к источнику постоянного тока. С помощью обычного мультиметра при соответствующем положении переключателя определяют сопротивление подключенной нагрузки. Последовательным подключением измерительного прибора проверяют силу тока, параллельным – напряжение. Чтобы выяснить, сколько будет потреблять такая схема, пользуются формулами:

P = I * U или P = U2/ R = I2 * R.

К сведению. При подключении АКБ в режиме зарядки направления тока в источнике и нагрузке совпадают. Мощность электрическая в этом случае потребляется нагрузкой. При противоположном направлении токов энергия поглощается источником ЭДС.

Стандартные показатели мощности

Большинство мини-печек имеет мощность от 650 до 3500 Вт. Такие показатели обеспечивают необходимую тепловую энергию и функционирование дополнительных элементов. Наиболее распространенная группа компактных духовок средней цены с верхним и нижним нагревателями потребляет от 1,2 до 2,5 кВт. Отдельные элементы конструкции различаются по энергозатратам:

• верхний и нижний ТЭН – по 0,8-1 кВт;
• гриль – 1,5 кВт;
• электродвигатель вертела и внутренняя подсветка – 20-25 Вт;
• внешняя конфорка – 1,5 кВт.

У более дорогих моделей на энергоэффективность влияет лучшая теплоизоляция основной камеры. Этот параметр определяет, насколько быстро остывает печка во время готовки. Также уменьшить потребление энергии можно, если:

• выключать духовку за 10-15 минут до конца приготовления блюда;
• использовать темную посуду;
• не давать агрегату остыть, готовя несколько кушаний одно за другим.

Расчет мощности электрических печей для дома зависит от состава семьи и от частоты приготовления. Покупать мощную дорогую модель не имеет смысла, если ее функции используются очень редко.

По какой формуле вычисляется мощность электрического тока

Правильное и точное решение вопроса чему равна мощность электрического тока, играет решающую роль в деле обеспечения безопасной эксплуатации электропроводки, предупреждения возгораний из-за неправильно выбранного сечения проводов и кабелей. Мощность тока в активной цепи зависит от силы тока и напряжения. Для измерения силы тока существует прибор – амперметр. Однако не всегда возможно воспользоваться этим прибором, особенно когда проект здания еще только составляется, а электрической цепи просто не существует. Для таких случаев предусмотрена специальная методика проведения расчетов. Силу тока можно определить по формуле при наличии значений мощности, напряжения сети и характера нагрузки.

Существует формула мощности тока, применительно к постоянным значениям силы тока и напряжения: P = U x I. При наличии сдвига фаз между силой тока и напряжением, для расчетов используется уже другая формула: P = U x I х cos φ. Кроме того, мощность можно определить заранее путем суммирования мощности всех приборов, которые запланированы к вводу в эксплуатацию и подключению к сети. Эти данные имеются в технических паспортах и руководствах по эксплуатации устройств и оборудования.

Таким образом, формула определения мощности электрического тока позволяет вычислить силу тока для однофазной сети: I = P/(U x cos φ), где cos φ представляет собой коэффициент мощности. При наличии трехфазной электрической сети сила тока вычисляется по такой же формуле, только к ней добавляется фазный коэффициент 1,73: I = P/(1,73 х U x cos φ). Коэффициент мощности полностью зависит от характера планируемой нагрузки. Если предполагается использовать лишь лампы освещения или нагревательные приборы, то он будет составлять единицу.

При наличии реактивных составляющих в активных нагрузках, коэффициент мощности уже считается как 0,95. Данный фактор обязательно учитывается в зависимости от того, какой тип электропроводки используется. Если приборы и оборудование обладают достаточно высокой мощностью, то коэффициент составит 0,8. Это касается сварочных аппаратов, электродвигателей и других аналогичных устройств.

Для расчетов при наличии однофазного тока значение напряжения принимается 220 вольт. Если присутствует трехфазный ток, расчетное напряжение составит 380 вольт. Однако с целью получения максимально точных результатов, необходимо использовать в расчетах фактическое значение напряжения, измеренное специальными приборами.

Преобразование электрической энергии в тепловую

При прохождении электрического тока происходит неизбежное столкновение движущих заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом часть кинетической энергии передаётся последним, вследствие чего происходит нагрев проводника. Простыми словами, происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля — Ленца

Мощность характеризует скорость преобразования электрической энергии в тепловую: P = U*I, учитывая, что U = r*I, получим формулу:

Формула количества электрической энергии W, преобразованной в тепловую за единицу времени t:

W — Pt = rI 2 t

В системе СИ единицей количества тепла, так же, как и единицей энергии, является джоуль. Следовательно, выделенное током I в сопротивлении r тепло определяется формулой.

Q = rI 2 t

Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделяемое постоянным током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Количество тепловой энергии часто измеряют внесистемной единицей — калорией, 1 кал = 4,187 Дж или 1 Дж = 0,24 кал. Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, выражается по формуле:

Преобразование электрической энергии в тепловую применяется в нагревательных приборах.

Допустимая нагрузка проводов.

Приращение температуры провода при нагреве зависит от: массы, материала провода и количества выделившегося в нём тепла.

Скорость отдачи тепла пропорциональна разности температур провода и окружающей среды. С начала нагрева током, всё тепло идёт на провод, так как температура среды равна температуре провода, следовательно тепло в окружающую среду почти не отдаётся.

Температура провода быстро растёт, увеличивая тем самым разность температур между проводом и средой. Следовательно, увеличивается отдача тепла проводом в окружающую среду, и рост температуры провода замедляется. Наконец при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие. Температура провода достигает установившегося значения.

Время нагревания провода — это временной промежуток, на протяжении которого провод нагреется до определенной температуры, отличающейся от установившейся температуры не более чем на 1%.

В среднем, нагрев провода может допускаться до температуры в пределах 65-80 °С. У изолированных проводов допустимый нагрев обуславливается характеристиками изоляции. Ток, при котором провод достигает предельно допустимой температуры t_доп, называется наибольшим допустимым или номинальным током провода I = I_н.

В том случае, если ток превышает границы номинального значения, то подобная перегрузка может быть допустима только на короткий промежуток времени. Чем больше ток в проводе по сравнению с номинальным, тем кратковременной может быть перегрузка.

Защита от перегрузки.

Короткое замыкание — это соединение проводов, участков электрической цепи или выводов с разными потенциалами. Ток короткого замыкания может достигнуть значений гораздо больших, чем допустимый ток, что приводит к тепловому или механическому разрушению определенных участков установки.

Рис. 1 — Предохранители

Плавкие предохранители, реле или автоматы способны предотвратить перегрузку в электрической цепи. В качестве основы плавкого предохранителя выступает специальная вставка из проволоки, выполненной из легкоплавкого материала, которая при токе перегрузки перегорает, разрывая тем самым электрическую цепь. Сечение проволоки выбирается с таким расчетом, чтобы она выдерживала номинальный ток установки и плавилась при появлении токов перегрузки.

Рис.2 Перегоревший предохранитель

В современных силовых цепях плавкие предохранители часто заменены автоматическими устройствами (автоматами), пригодные к многоразовому использованию.

Пример выполнения расчета

Поправочные коэффициенты в данном случае будут равны:

• К1 (двухкамерный стеклопакет) = 1,0;
• К2 (стены из бруса) = 1,25;
• К3 (площадь остекления) = 1,1;
• К4 (при -25 °C -1,1, а при 30°C) = 1,16;
• К5 (три наружные стены) = 1,22;
• К6 (сверху теплый чердак) = 0,91;
• К7 (высота помещения) = 1,0.

Q=100 Вт/ м²х135 м²х1,0х1,25х1,1х1,16х1,22х0,91х1,0 = 23,9 кВт.

В итоге мощность отопительной системы составит: W=Qх1,2 = 28,7 кВт.

В том случае, когда бы использовался упрощенный метод вычислений, основанный на расчете мощности отопления согласно площади, то результат был бы совсем иной:

100–150 Вт х150м² = 15–22,5 кВт

Отопительная система функционировала бы без запаса по мощности — на пределе. Приведенный пример является подтверждением важности применения точных способов, позволяющих определять тепловые нагрузки на отопление.

Пример расчета тепловой мощности системы отопления на видео: