Elektrikli ısıtma - Electric heating

30 kW rezistanslı ısıtma bobinleri
Bu radyan ısıtıcı tungsten halojen lambalar kullanır .

Elektrikli ısıtma , elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştürüldüğü bir işlemdir . Yaygın uygulamalar arasında alan ısıtma , pişirme , su ısıtma ve endüstriyel işlemler yer alır. Bir elektrikli ısıtıcı , bir bir elektrikli ısı içine bir elektrik akımı dönüştüren cihaz. Isıtma elemanı , her elektrikli ısıtıcı içinde bir elektrik olan direnci ve prensibine göre çalışır Joule ısıtma : bir elektrik akımı , bir rezıstoru aracılığıyla geçen ısı enerjisinin içine elektrik enerjisini dönüştürür. Modern elektrikli ısıtma cihazlarının çoğu , aktif eleman olarak nikrom tel kullanır ; sağda gösterilen ısıtma elemanı, seramik yalıtkanlarla desteklenen nikrom tel kullanır.

Alternatif olarak, bir ısı pompası , toprak veya dış hava gibi bir kaynaktan ısı enerjisini çeken ve bu ısıyı ısıtılacak alana yönlendiren bir soğutma döngüsünü çalıştırmak için bir elektrik motoru kullanır . Bazı sistemler, iç mekanın soğutulması ve sıcak havanın dışarıya veya zemine boşaltılması için tersine çevrilebilir.

Alan ısıtma

Alan ısıtma , binaların içlerini ısıtmak için kullanılır. Alan ısıtıcıları , laboratuvarlar gibi hava işlemenin zor olduğu yerlerde kullanışlıdır. Elektrikli alan ısıtma için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.

Kızılötesi radyant ısıtıcılar

Bir elektrikli radyasyonlu alan ısıtıcısı

Elektrikli kızılötesi radyan ısıtma , yüksek sıcaklığa ulaşan ısıtma elemanlarını kullanır. Eleman genellikle bir ampule benzeyen bir cam zarf içinde ve enerji çıkışını ısıtıcının gövdesinden uzağa yönlendirmek için bir reflektör ile paketlenir . Element , kısmen ısıya dönüştürüldüğü ve kısmen yansıtıldığı emici bir yüzeye çarpana kadar havada veya uzayda hareket eden kızılötesi radyasyon yayar . Bu ısı, havayı ısıtmak yerine odadaki insanları ve nesneleri doğrudan ısıtır. Bu ısıtıcı tarzı, özellikle içinden ısıtılmamış havanın aktığı alanlarda kullanışlıdır. Ayrıca spot ısıtmanın istendiği bodrum katları ve garajlar için de idealdir. Daha genel olarak, göreve özel ısıtma için mükemmel bir seçimdir.

Radyan ısıtıcılar sessiz çalışır ve çıkışlarının odaklanmış yoğunluğu ve aşırı ısınma korumasının olmaması nedeniyle yakındaki mobilyaların tutuşması için en büyük potansiyel tehlikeyi sunar. Birleşik Krallık'ta, bu cihazlara bazen elektrikli yangınlar denir, çünkü başlangıçta açık ateşlerin yerini almak için kullanılırlardı.

Bu bölümde gösterilen ısıtıcının aktif ortamı, erimiş silika tüpün içindeki bir nikrom direnç teli bobinidir , uçlarında atmosfere açıktır, ancak erimiş silikanın uçlarında sızdırmaz olduğu ve direnç alaşımının nikrom olmadığı modeller mevcuttur. .

Konveksiyon ısıtıcıları

Elektrikli konveksiyon ısıtıcısı.

Bir konveksiyon ısıtıcısında, ısıtma elemanı, temas halindeki havayı termal iletim yoluyla ısıtır . Sıcak hava, soğuk havadan daha az yoğundur , bu nedenle kaldırma kuvveti nedeniyle yükselir ve yerini almak için daha fazla soğuk havanın akmasına izin verir. Bu , ısıtıcıdan yükselen, çevredeki alanı ısıtan, soğuyan ve ardından döngüyü tekrarlayan bir sıcak hava konveksiyon akımı oluşturur. Bu ısıtıcılar bazen yağ veya termik akışkan ile doldurulur . Kapalı bir alanı ısıtmak için idealdirler. Sessiz çalışırlar ve radyant elektrikli ısıtıcılara kıyasla mobilyalarla istenmeden temas ederlerse daha düşük tutuşma riski taşırlar.

Fanlı ısıtıcılar

Cebri konveksiyon ısıtıcısı olarak da adlandırılan bir fanlı ısıtıcı, hava akışını hızlandırmak için bir elektrikli fan içeren bir tür konveksiyon ısıtıcısıdır . Fanın neden olduğu ciddi gürültü ile çalışırlar. Mobilyalarla istenmeden temasa geçmeleri halinde orta derecede tutuşma tehlikesi vardır. Avantajları, doğal konveksiyon kullanan ısıtıcılardan daha kompakt olmaları ve ayrıca taşınabilir ve küçük oda ısıtma sistemleri için düşük maliyetli olmalarıdır.

Kule fanlı ısıtıcı

Depolama ısıtması

Bir depolama ısıtma sistemi, geceleme gibi düşük talep dönemlerinde satılan daha ucuz elektrik fiyatlarından yararlanır. Birleşik Krallık'ta bu, Ekonomi 7 olarak markalanmıştır. Depolama ısıtıcısı, ısıyı kil tuğlalarda depolar ve daha sonra gerektiğinde gün boyunca serbest bırakır. Daha yeni depo ısıtıcıları çeşitli tarifelerle kullanılabilir. Ekonomi 7 ile kullanılabilirken, gündüz tarifeleri ile kullanılabilirler. Bu, üretim sırasında eklenen modern tasarım özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Yeni tasarımların yanı sıra bir termostat veya sensör kullanımı, depolama ısıtıcısının verimliliğini artırdı. Bir termostat veya sensör, odanın sıcaklığını okuyabilir ve ısıtıcının çıkışını buna göre değiştirebilir.

Su aynı zamanda bir ısı depolama ortamı olarak da kullanılabilir.

Ev tipi elektrikli yerden ısıtma

Elektrikli yerden ısıtma sistemi, zemine gömülü ısıtma kablolarına sahiptir. Akım , doğrudan hat voltajından (120 veya 240 volt) veya bir transformatörden düşük voltajda sağlanan iletken bir ısıtma malzemesinden akar . Isınan kablolar döşemeyi direkt iletim ile ısıtır ve zemin termostatının ayarladığı sıcaklığa ulaştığında kapanır . Daha sıcak bir zemin yüzeyi, ısıyı daha soğuk çevreleyen yüzeylere (tavan, duvarlar, mobilya.) yayar ve bunlar ısıyı emer ve emilmeyen tüm ısıyı daha da soğuk olan diğer yüzeylere yansıtır. Radyasyon, absorpsiyon ve yansıma döngüsü yavaş başlar ve ayar noktası sıcaklıklarına yaklaşırken yavaşlar ve her yönden dengeye ulaşıldığında gerçekleşmeyi bırakır. Zemin termostatı veya oda termostatı veya kombinasyonu, zemini açma/kapama işlemini kontrol eder. Radyan ısıtma sürecinde, ısınan yüzeylerle temas halinde olan ince bir hava tabakası da bir miktar ısıyı emer ve bu da küçük bir konveksiyon (hava sirkülasyonu) yaratır. İnsanlar sanıldığının aksine bu ısınan sirkülasyon havası veya konveksiyon (konveksiyonun soğutma etkisi vardır) tarafından ısıtılmaz, kaynağın doğrudan radyasyonu ve çevresinin yansıması ile ısıtılır. Dolaşan havanın ortadan kaldırılması nedeniyle daha düşük hava sıcaklığında konfora ulaşılır. Radyant ısıtma, kişinin kendi enerjisi (yetişkin için ± 70 Watt) (ısıtma mevsiminde dışarı çıkması gerekir) çevresiyle dengede olduğu için en yüksek konforu yaşar. Akademik araştırmalara dayanan konveksiyonlu ısıtma sistemi ile karşılaştırıldığında, hava sıcaklıkları 3 dereceye kadar düşürülebilir. Bir varyasyon, zemini ısıtmak için ısı kaynağı olarak dolaşan sıcak su ile dolu tüplerin kullanılmasıdır. Isıtma prensibi aynı kalır. Zemin konstrüksiyonuna gömülü hem eski tarz elektrikli hem de sıcak sulu (hidronik) yerden ısıtma sistemleri yavaştır ve dış hava değişikliklerine veya iç talep/yaşam tarzı gereksinimlerine cevap veremez. En son varyant, özel elektrikli ısıtma sistemlerini ve battaniyeleri doğrudan zemin dekorunun altına ve tamamı inşaat zeminlerinin üzerine yerleştirilmiş ek yalıtımın üzerine yerleştirir. İnşaat zeminleri soğuk kalır. Isı kaynağı konumlandırmasının ilkesel değişimi, yaşam tarzının içeride/dışarıda olması, işte, dinlenme, uyku, daha fazla insan bulunması/yemek pişirme vb. gibi değişen hava ve iç talep gereksinimlerine dakikalar içinde yanıt vermesini sağlar.

Aydınlatma sistemi

Büyük ofis kulelerinde aydınlatma sistemi, ısıtma ve havalandırma sistemi ile birlikte entegre edilmiştir. Floresan lambalardan kaynaklanan atık ısı , ısıtma sisteminin dönüş havasında tutulur; büyük binalarda yıllık ısıtma enerjisinin önemli bir kısmı aydınlatma sistemi tarafından sağlanmaktadır. Ancak bu atık ısı, klimayı kullanırken bir yükümlülük haline gelir. Bu tür masraflar, aynı zamanda bir elektrik ısı kaynağı oluşturan enerji verimli bir aydınlatma sistemi entegre edilerek önlenebilir .

Isı pompaları

Bir ısı pompası, dış havadan, yer altı suyundan ısı enerjisini çeken ve bu ısıyı ısıtılacak alana taşıyan bir soğutma döngüsünü çalıştırmak için elektrikle çalışan bir kompresör kullanır. Isı pompasının evaporatör bölümünde bulunan bir sıvı, düşük basınçta kaynar ve dış ortam havasından veya topraktan ısı enerjisini emer. Buhar daha sonra bir kompresör tarafından sıkıştırılır ve ısıtılmak üzere bina içindeki bir yoğunlaştırıcı bobine aktarılır. Sıcak yoğun gazdan gelen ısı, binadaki hava tarafından emilir (ve bazen kullanım sıcak suyu için de kullanılır), sıcak çalışma sıvısının tekrar sıvıya yoğunlaşmasına neden olur. Oradan yüksek basınçlı sıvı, bir delikten genleşeceği evaporatör bölümüne geri geçirilir ve evaporatör bölümüne geçerek çevrimi tamamlar. Yaz aylarında, ısıyı şartlandırılmış alandan dışarı ve dışarıdaki havaya taşımak için döngü tersine çevrilebilir.

Isı pompaları, ılıman iklimlerde dış havadan düşük dereceli ısı elde edebilir. Ortalama kış sıcaklıklarının donma noktasının çok altında olduğu bölgelerde, toprak kaynaklı ısı pompaları hava kaynaklı ısı pompalarından daha verimlidir, çünkü soğuk havadan elde edilenden daha yüksek sıcaklıklarda toprakta depolanan artık güneş ısısını çekebilirler. US EPA'ya göre , jeotermal ısı pompaları enerji tüketimini hava kaynaklı ısı pompalarına kıyasla %44'e ve elektrikli dirençli ısıtmaya kıyasla %72'ye kadar azaltabilir. Bir ısı pompasının rezistanslı ısıtıcılara kıyasla yüksek satın alma fiyatı, klimaya da ihtiyaç duyulduğunda dengelenebilir .

sıvı ısıtma

daldırma ısıtıcı

Küçük ev tipi daldırma ısıtıcı, 500 W

Bir daldırma ısıtıcı, bir tüp içine yerleştirilmiş ve doğrudan ısıtılacak suya (veya başka bir sıvıya) yerleştirilmiş bir elektrik dirençli ısıtma elemanına sahiptir. Portatif daldırma ısıtıcılar, yalnızca kısa süreliğine ve bir operatörün kontrolü altında kullanılması amaçlandığından, bir kontrol termostatına sahip olmayabilir.

Kullanım sıcak suyu temini veya endüstriyel proses sıcak suyu için, sıcaklığı düzenlemek için bir termostat tarafından kontrol edilen, yalıtımlı bir sıcak su deposuna kalıcı olarak monte edilmiş ısıtma elemanları kullanılabilir . Ev birimleri yalnızca birkaç kilovat olarak derecelendirilebilir. Endüstriyel su ısıtıcıları 2000 kilowatt'a ulaşabilir. Yüksek olmayan elektrik oranlarının mevcut olduğu durumlarda, gerektiğinde kullanılmak üzere sıcak su depolanabilir.

Elektrikli duş ve tanksız ısıtıcılar ayrıca su akışıyla açılan bir daldırma ısıtıcı (korumalı veya çıplak) kullanır. Farklı ısıtma seviyeleri sunmak için bir grup ayrı ısıtıcı değiştirilebilir. Elektrikli duşlar ve tanksız ısıtıcılar genellikle 3 ila 10,5 kilovat kullanır.

Su kaynağında bulunan mineraller çözeltiden çökebilir ve ısıtma elemanı yüzeyinde sert bir ölçek oluşturabilir veya tankın dibine düşebilir ve su akışını tıkayabilir. Su ısıtma ekipmanının bakımı, biriken tortu ve tortunun periyodik olarak çıkarılmasını gerektirebilir. Su kaynaklarının yüksek oranda mineralize olduğu biliniyorsa, düşük watt yoğunluklu ısıtma elemanları kullanılarak kireç üretimi azaltılabilir.

Sirkülasyon ısıtıcıları

Sirkülasyon ısıtıcıları veya "doğrudan elektrikli ısı eşanjörleri" (DEHE), ısıtma etkisini sağlamak için doğrudan "kabuk tarafı" ortamına yerleştirilmiş ısıtma elemanlarını kullanır. Elektrikli sirkülasyonlu ısıtıcı tarafından üretilen ısının tamamı ortama aktarılır, bu nedenle bir elektrikli ısıtıcı yüzde 100 verimlidir. Endüstriyel işlemlerde sıvıları ve gazları ısıtmak için doğrudan elektrikli ısı eşanjörleri veya "sirkülasyon ısıtıcıları" kullanılır.

elektrot ısıtıcısı

Bir elektrot ısıtıcısında, tel sargılı direnci yoktur ve sıvının kendisi direnç görevi görür. Bunun potansiyel tehlikeleri vardır, bu nedenle elektrot ısıtıcılarını düzenleyen düzenlemeler katıdır.

Çevre ve verimlilik yönleri

Herhangi bir sistemin verimliliği, sistemin sınırlarının tanımına bağlıdır. Bir elektrik enerjisi müşterisi için, satın alınan tüm enerji ısıya dönüştürüldüğü için elektrikli alan ısıtmanın verimliliği %100'dür. Bununla birlikte, elektrik sağlayan bir santral dahil edilirse , genel verimlilik büyük ölçüde düşer. Örneğin, bir fosil yakıtlı elektrik santrali , salınan her 10 birim yakıt enerjisi için yalnızca 3-5 birim elektrik enerjisi sağlar. Elektrikli ısıtıcı %100 verimli olsa da, ısıyı üretmek için gereken yakıt miktarı, ısıtılan binada bir fırında veya kazanda yakılan yakıttan daha fazladır . Aynı yakıt bir tüketici tarafından alan ısıtması için kullanılabilseydi, yakıtın son kullanıcının binasında yakılması genel olarak daha verimli olurdu. Öte yandan, elektrikli ısıtmayı fosil yakıt yakan ısıtıcılarla değiştirmek, yenilenebilir elektrikli ısıtmaya sahip olma özelliğini ortadan kaldırdığı için gerekli değildir, bu, elektriği yenilenebilir bir kaynaktan tedarik ederek başarılabilir.

Elektrik enerjisi üreten ülkeler arasındaki farklılıklar, verimlilik ve çevre ile ilgili endişeleri etkiler. 2015'te Fransa elektriğinin yalnızca %6'sını fosil yakıtlardan üretirken, Avustralya elektriğinin %86'dan fazlasını fosil yakıtlardan sağlıyordu. Elektriğin temizliği ve verimliliği kaynağa bağlıdır.

In İsveç doğrudan elektrik ısıtma kullanımı bu nedenle 1980'lerden beri kısıtlandı, ve onu çıkartmaya planları tamamen vardır - bakınız Yağ fazı aşımı İsveç'te - ederken Danimarka yeni binalarda doğrudan elektrik enerjisi ile ısıtılmasını yüklemesini yasakladı benzer nedenlerle. Yeni binalar söz konusu olduğunda, Passivhaus standardına göre inşa edilenler gibi ısıtma ihtiyacını neredeyse ortadan kaldırabilen düşük enerjili bina teknikleri kullanılabilir .

Ancak Quebec'te , elektrikli ısıtma hala ev ısıtmasının en popüler şeklidir. 2003 İstatistik Kanada anketine göre, eyaletteki hanelerin %68'i alan ısıtması için elektrik kullanıyor. Quebec'te tüketilen tüm elektriğin %90'ından fazlası , fosil yakıtlı elektrik santrallerine kıyasla daha düşük sera gazı emisyonlarına sahip hidroelektrik barajlardan üretiliyor . Düşük ve sabit oranlar , eyalete ait kamu kuruluşu Hydro-Québec tarafından alınır .

Son yıllarda, ülkeler için , uzun süredir düşük karbon kaynakları olan nükleer enerjiye ve hidroelektrik enerjiye ek olarak, yenilenebilir kaynaklardan düşük karbonlu elektrik üretme yönünde büyük bir eğilim olmuştur . Örneğin, Birleşik Krallık elektriğinin 2019'da kWh başına karbon ayak izi , 2010'dakinin yarısından daha azdı. Ancak, yüksek sermaye maliyeti nedeniyle, elektriğin maliyeti düşmedi ve tipik olarak yanan yakıtın 2-3 katı. Bu nedenle, doğrudan elektrikli ısıtma şimdi gaz veya petrol yakıtlı ısıtmaya benzer bir karbon ayak izi verebilir, ancak daha ucuz yoğun olmayan tarifeler bu etkiyi azaltabilse de maliyet daha yüksek kalır.

Isıyı daha verimli sağlamak için, elektrikle çalışan bir ısı pompası , zeminden, dış havadan veya egzoz havası gibi atık akışlarından enerji çekerek iç ortam sıcaklığını yükseltebilir. Bu, elektrik tüketimini dirençli ısıtma tarafından kullanılanın %35'ine kadar azaltabilir. Birincil elektrik enerjisi kaynağının hidroelektrik, nükleer veya rüzgar olduğu durumlarda, kaynak doğrudan ısıtma uygulamaları için çok uzak olabileceğinden ( güneş termal enerjisinin dikkate değer istisnası dışında ) elektriği şebeke yoluyla aktarmak uygun olabilir .

Alan ısısının elektrifikasyonu ve su ısıtması, özellikle ısı pompaları ile mevcut enerji sistemini karbondan arındırmanın bir yolu olarak giderek daha fazla öneriliyor . Büyük ölçekli elektrifikasyon durumunda, tepe elektrik talebindeki potansiyel artış ve aşırı hava olaylarına maruz kalma nedeniyle elektrik şebekesi üzerindeki etkilerin dikkate alınması gerekir.

Ekonomik yönler

Bir alanı uzun süre ısıtmak için elektrikli rezistanslı ısıtıcıların çalıştırılması birçok bölgede maliyetlidir. Ancak, aralıklı veya kısmi gündüz kullanımı, üstün bölge kontrolü nedeniyle tüm bina ısıtmasından daha uygun maliyetli olabilir.

Örneğin: Bir ofis ortamındaki bir yemek odasının sınırlı çalışma saatleri vardır. Düşük kullanım dönemlerinde, merkezi ısıtma sistemi tarafından bir "izleme" ısı seviyesi (50 °F veya 10 °C) sağlanır. 11:00 ile 14:00 saatleri arasındaki pik kullanım süreleri "konfor seviyelerine" (70 °F veya 21 °C) ısıtılır. Termal radyasyon yoluyla kızılötesi radyasyon kayıpları, hem bu alan ile ısıtılmamış dış hava arasında hem de buzdolabı ve (şimdi daha soğuk olan) yemek odası arasında daha küçük bir sıcaklık gradyanı ile o kadar büyük olmadığından , toplam enerji tüketiminde önemli tasarruflar gerçekleştirilebilir .

Ekonomik olarak, elektrik için kilovat saat başına yerel maliyeti, ısıtıcının kullandığı kilovat sayısıyla çarparak, elektrikli ısı diğer ev ısıtma kaynaklarıyla karşılaştırılabilir. Örn: 1500 watt'lık ısıtıcı, kilovat saat başına 12 sentte 1.5 × 12 = saatte 18 sent. Yakıt yakıcı için karşılaştırarak, kilovat saat dönüştürmek için yararlı olabilir BTU : 1.5 KW-x 3412,142 = 5118 BTU.

Endüstriyel elektrikli ısıtma

Elektrikli ısıtma sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elektrikli ısıtma yöntemlerinin diğer biçimlere göre avantajları, sıcaklığın hassas kontrolü ve ısı enerjisinin dağılımı, ısı geliştirmek için kullanılmayan yanma ve kimyasal yanma ile kolayca elde edilemeyen sıcaklıklara ulaşma yeteneğidir. Elektrik ısısı, bir işlemde ihtiyaç duyulan kesin noktada, birim alan veya hacim başına yüksek güç konsantrasyonunda doğru bir şekilde uygulanabilir. Elektrikli ısıtma cihazları istenilen her boyutta yapılabilir ve bir tesis içinde herhangi bir yere yerleştirilebilir. Elektrikli ısıtma işlemleri genellikle temiz, sessizdir ve çevreye fazla yan ürün ısısı yaymaz. Elektrikli ısıtma ekipmanı, yüksek tepki hızına sahiptir ve bu da onu hızlı döngülü seri üretim ekipmanlarına borçludur.

Sanayide elektrikli ısıtmanın sınırlamaları ve dezavantajları, doğrudan yakıt kullanımına kıyasla elektrik enerjisinin daha yüksek maliyetini ve hem elektrikli ısıtma aparatının kendisinin hem de büyük miktarlarda elektrik enerjisini kullanım noktasına ulaştırmak için gereken altyapının sermaye maliyetini içerir. . Bu, aynı sonucu elde etmek için genel olarak daha az enerji kullanarak tesis içi (yerinde) verimlilik kazanımları ile bir şekilde dengelenebilir.

Endüstriyel bir ısıtma sisteminin tasarımı, gerekli sıcaklığın, gerekli ısı miktarının ve ısı enerjisinin transfer edilmesinin uygulanabilir modlarının değerlendirilmesiyle başlar. İletim, konveksiyon ve radyasyona ek olarak, elektrikli ısıtma yöntemleri, malzemeyi ısıtmak için elektrik ve manyetik alanları kullanabilir.

Elektrikli ısıtma yöntemleri arasında rezistanslı ısıtma, elektrik arklı ısıtma, indüksiyonlu ısıtma ve dielektrik ısıtma bulunur. Bazı işlemlerde (örneğin ark kaynağı ) iş parçasına doğrudan elektrik akımı uygulanır. Diğer işlemlerde, iş parçası içinde indüksiyon veya dielektrik kayıplarla ısı üretilir . Ayrıca ısı üretilebilir ve daha sonra iletim, konveksiyon veya radyasyon yoluyla işe aktarılabilir.

Endüstriyel ısıtma prosesleri genel olarak düşük sıcaklık (yaklaşık 400 °C veya 752 °F'ye kadar), orta sıcaklık (400 ila 1150 °C veya 752 ila 2102 °F arası) ve yüksek sıcaklık (1,150 °C'nin üstü) olarak sınıflandırılabilir. veya 2102 °F). Düşük sıcaklıklı işlemler arasında fırınlama ve kurutma, kürleme işlemleri , lehimleme , kalıplama ve plastik şekillendirme yer alır. Orta sıcaklıktaki işlemler, eritme plastikleri ve döküm veya yeniden şekillendirme için bazı metal olmayanların yanı sıra tavlama, gerilim giderme ve ısıl işlem metallerini içerir. Yüksek sıcaklıktaki işlemler arasında çelik üretimi , sert lehimleme , kaynaklama , metal döküm , kesme, eritme ve bazı kimyasalların hazırlanması yer alır.

Ayrıca bakınız

Referanslar