ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Виды теплопередачи

Передача энергии происходит двумя способами - работой и теплотой.

Необратимый самопроизвольный процесс переноса энергии (в форме теплоты) в пространстве с неоднородным полем температуры называется теплообменом. В соответствии со вторым началом термодинамики теплота переносится в направлении меньшего значения температуры.

Различают следующие виды теплообмена [196], разные по своей природе - теплопроводность (кондукция), конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность связана с распределением температур внутри тела. Совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела называется температурным полем. Температура в общем случае является функцией координат и времени т, т.е. Т = f (х, у, z, т). Если температура во времени меняется, то поле - нестационарное, а если не меняется - стационарное.

Геометрическое место точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Линии равных температур- изотермы.

Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами называется градиентом температур. Если At=T|-Tz =....=ТП.|-ТП, то lim[— ]in^o=-d, =grad t, (рис. 6.1).

An dn

Градиент температур - вектор, направленный в сторону повышения температуры.

К определению градиента температур

Рис. 6.1. К определению градиента температур

1 - линии равных температур (изотермы); Т - температура; Q тепловая энергия; Ап расстояние между изотермами

Передача теплоты происходит самопроизвольно при наличии градиента температур. Передача тепла всегда происходит по нормали к поверхности тела (рис. 6.2).

Направления передачи теплоты

Рис. 6.2. Направления передачи теплоты

Если количество переданной теплоты - Q, то количество теплоты, переданное за единицу времени, называется тепловым потоком:

Чо=^. (6.1)

т

Количество теплоты измеряется в джоулях, тепловой поток измеряется в ваттах (Вт). 1Вт=1дж/сек. Количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности называется плотностью теплового потока, измеряется в Вт/м’:

4=^-. (6.2)

F- т

Теплопроводность

Теплопроводность - вид теплообмена, при котором перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде (наличие градиента температур) имеет атомно-молекулярный характер. Теплопроводность характерна для сплошных сред (твердое тело, жидкость и газы).

Если в твердом теле существует градиент температур (на рисунке разные температуры противоположных поверхностей тела t| и t2), то происходит передача тепла от более наїретой поверхности к менее нагретой через площадь поверхности F и толщину материала 6 (рис. 6.3).

Передача тепла теплопроводностью

Рис. 6.3. Передача тепла теплопроводностью

Для изотропной среды справедлив закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока пропорционален и противоположен градиенту температур

q=-Xgrad t, (6.3)

или

q=—= -X grad t, (6.4)

Ft

где X - коэффициент теплопроводности, зависящий от химической природы среды и ее состояния.

Коэффициент теплопроводности показывает интенсивность теплового потока, проходящего через 1 м" поверхности при температурном градиенте 1°С/м, при толщине материала 1 м. Измеряется в Вт/м°К (или Вт/м-°С).

В газах перенос энергии теплопроводностью осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах электронами проводимости, в диэлектриках - за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку.

Для ПЛОСКОЙ однородной стенки (рис. 6.3) при k=const И t1 > t2 плотность теплового потока определится выражением:

q =A/5(ti-t2)= (t|-t2)/R . (6.5)

Величина R=8/X называется термическим сопротивлением стенки и определяет интенсивность падения в ней температуры. Измеряется в м2К/Вт (или м2-С/Вт).

Ограждения зданий и сооружений выполняются, как правило, не однослойными, а многослойными (например, внутренняя штукатурка, кирпичная степа, теплоизоляция, наружная облицовка).

Для сложной стенки, состоящей из и слоев, плотность теплового потока определится выражением:

q = (t1-Ui)/^R., (6.6)

где Ri - термическое сопротивление і-го слоя; t| и tn+l - температуры на противоположных поверхностях стенки.

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен (конвекция) - процесс передачи энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой жидкой, газообразной или сыпучей среде, осуществляющийся вследствие движения среды и ее теплопроводности. Конвективный теплообмен зависит от физических свойств среды и характера ее движения.

Процесс переноса теплоты конвекцией связан с переносом массы подвижной среды. Движение в жидкостях и газах возникает либо за счет раз ности плотностей холодных и нагретых масс среды, либо при помощи посторонних побудителей движения.

Различают:

  • а) конвективный теплообмен при естественной конвекции, когда движение среды обусловлено действием только силы тяжести на неравномерно нагретую, а значит и различающуюся по плотности среду;
  • б) конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды происходит под воздействием внешних факторов, например давления или разряжения, создаваемого насосами или вентиляторами.

При движении среды у поверхности твердого тела за счет разности температур возникает конвективный теплообмен между средой А и стенкой (рис. 6.4). Теплообмен между средой и поверхностью ее раздела с другой средой - стенкой, разделяющей две среды - называется теплоотдачей.

Среда

А

  • ---?
  • 11

tA

Теплоотдача и теплопередача

Рис. 6.4. Теплоотдача и теплопередача

Количество теплоты при этом определяется по закону Ньютона:

(6.7)

или

(6.8)

где tA - температура среды Л; t| температура стенки; F поверхность теплообмена; т - время; a - коэффициент теплоотдачи (Вт/м2-°К).

Физический смысл а - количество тепла, которым обмениваются среда и I м2 поверхности твердого тела при разности температур между ними в один градус за единицу времени.

При любом режиме течения у поверхности стенки силы вязкого трения снижают скорость среды до нуля. Так образуется пограничный слой.

Передача тепла через пограничный слой осуществляется путем теплопроводности. При ламинарном движении такой перенос распространяется на всю массу среды, при турбулентном - только на пограничный слой.

В ядре потока перенос происходит путем интенсивного перемешивания частиц. Резкое падение температуры среды из-за низкой теплопроводности газов и жидкостей наблюдается в пределах пограничного слоя, следовательно, интенсивность теплоотдачи в основном определяется его термическим сопротивлением. Здесь применим закон Фурье.

Плотность теплового потока через пограничный слой по законам Фурье и Ньютона

q =XA/8c(tA-ti)= a (tA-t|), (6.9)

отсюда

а = ХА/5с, (6.10)

где ХА - теплопроводность среды А; 8С - толщина пограничного слоя.

Эта формула позволяет установить основные факторы, влияющие на интенсивность теплообмена конвекцией.

Так, толщина пограничного слоя 5С зависит от вязкости среды, которая вместе с коэффициентом теплопроводности ХА определяет ее природу.

Температура влияет на величину а, потому что от нее зависят и вязкость и теплопроводность.

Скорость движения среды определяет толщину пограничного слоя, а следовательно, и коэффициент теплоотдачи.

На 5с влияют также форма поверхности, ее ориентация по отношению к потоку, состояние поверхности (гладкая или шероховатая) и т.д.

Теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними - называется теплопередачей (рис. 6.4).

Плотность теплового потока при теплопередаче определяется формулой:

q=(tA-tB)/(l/ai + 5/Х + l/a2), (6.11)

или

q=k(tA-tB), (6.12)

где к - коэффициент теплопередачи (Вт/м2 °К); 1А- 1Н - разность температур между теплоносителями (средой Л и средой В); щ и а2 -коэффициенты теплоотдачи, соответственно, от среды А к стенке и от стенке к среде В; X - коэффициент теплопроводности стенки.

Лучистый теплообмен

Лучистым теплообменом называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: а) тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту; б) лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту.

Этот вид теплопередачи возможен лишь в газообразной среде или в вакууме.

Доля лучистой энергии при теплопередаче определяется по формуле:

Q=?„Cof[(T1 /100)4 -(Т2/100)4]т ,

(6.13)

где еп - приведенная степень черноты тел, между которыми происходит лучистый теплообмен; Со - коэффициент излучения черного тела, равный 5,7 Вт/м24; Т| и Т2- температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен; F - поверхность теплообмена; т - время.

Практика показывает, что этот вид теплообмена имеет существенное, а иногда и главное значение только при изоляции промышленного оборудования, т.е. при высоких температурах.

Реально в строительных конструкциях и теплоэнергетических сооружениях одновременно могут иметь место все виды теплообмена, поэтому количественная оценка теплообмена требует учета вклада каждого из них.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >