Виды теплообмена, теплопередача

Теплопередачаявляется сложным физическим процессом перехода теплоты через разделяющую стенку от среды с более высокой к среде с меньшей температурой.

Этот процесс теплопередачи складывается из трех элементарных видов теплообмена: теплопроводности, конвекции и излучения.

При изучении отдельных видов теплообмена используют следующие общие понятия и определения:

1.Перенос теплоты от одного тела к другому, а также между их части­цами происходит только при разности температур и всегда направ­лен в строку более низкой температуры.

2.Количество теплоты, переносимой в единицу времени, называют те­пловым потоком Q, Вт, а отношение Q к единице площади А, м², -поверхностной плотностью теплового потока q , Вт/м²:

q = Q/A (1.2)

3.Температурное состояние тела или системы тел характеризуется температурным полем, под которым понимается совокупность мгно­венных значений температур во всех точках изучаемого пространства.

Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называется нестационарным. Примером нестационарного температурного поля может служить температурное поле поверхности остывающего или нагреваемого тела. В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут тоже неста­ционарными.

Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяет­ся, то температурное поле называется стационарным. В этом случае тепло­вой режим и тепловой поток будут тоже стационарными.

Теплопроводность– это передача теплоты от одной частицы вещества к другой без их перемещения. Когда передача теплоты происходит через плоскую однородную стенку (при неизменности температур сред во време­ни) в направлении, перпендикулярном к ее поверхности (одномерное тем­пературное поле), уравнение теплопроводности, согласно закону Фурье, имеет вид:

Q_T = (λ/ δ )(t₁ – t₂) *A, (1.3)

δ- толщина стенки, м; t₁ и t₂ - температуры на ее поверхностях, °С; A -площадь поверхности стенки, м².

Такой процесс теплообмена происходит в любых телах и зависит от их агрегатного состояния. Теплопроводность жидких и в особенности газооб­разных тел незначительна. Твердые тела обладают различной теплопровод­ностью, и с увеличением их плотности теплопроводность растет. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Конвективный теплообмен- это перенос теплоты в жидкостях или газах. Этот теплообмен описывается уравнением Ньютона:

Q_k =α_k (t₁- t₂) *A,(1.4)

где Q_K - тепловой поток, Вт; α - коэффициент конвективного теплообмена , Вт/ м²*°С

и t_cp - соответственно температуры поверхности и среды, °С;

А - площадь поверхности, м².

Процесс конвекции - это перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровожда­ется теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа происходит за счет раз­ности их плотностей, такое перемещение называют естественной конвекци­ей. Например, воздух помещения соприкасается с нагретой поверхностью отопительного прибора, повышает свою температуру и поднимается вверх, уступая место более холодному воздуху. В результате этого теплота, полу­ченная воздухом, передается от отопительного прибора в другие части по­мещения.

Если жидкость или газ перемещаются с помощью механического уст­ройства (насос, вентилятор и др.), такое перемещение называют вынужден­ной конвекцией. Теплообмен в этом случае происходит значительно интен­сивнее, чем при естественной конвекции.

Теплообмен излучениемпроисходит между телами, разделенными лучепрозрачной средой, электромагнитными волнами.

Теплообмен излучением может происходить между телами, находя­щимися на большом расстоянии друг от друга.

Наглядным примером этого вида теплообмена служит излучение солн­ца на землю.

Лучистая энергия, поступающая на какое-либо тело, в зависимости от его физических свойств и формы, а также от шероховатости поверхности частично поглощается этим телом, нагревая его (а иногда переходит в дру­гие виды энергии), а остальная часть может отражаться и пропускаться че­рез него.

Q₀ - общее количество лучистой энергии, поступающей на тело, а Q_A, Q_R и Q_D – соответственно количество лучистой энергии, поглощенной, отраженной и прошедшей через него:

Q₀ = Q_A + Q_R + Q_D (1.5)

Разделив обе части на Q₀ получим:

1 = A+ R + D, (1.6)

где А = Q_A / Q₀ – коэффициент поглощения,

R = Q_R / Q₀ – коэффициент отражения,

D = Q_D / Q₀ – коэффициент пропускания.

Воздух помещения, имеющий более высокую температуру t_int, чем внутренняя поверхность наружного ограждения τ_int отдает ей теплоту кон­векцией. Поверхности внутренних ограждений, обращенные в помещение, также имеют более высокую среднерадиационную температуру t_R, чем внутренняя поверхность наружного ограждения, и отдают ей теплоту излу­чением. Условно принято считать, что t_R = t_int . Тогда тепловой поток Q_1, Вт, воспринятый внутренней поверхностью наружного ограждения за счет кон­векции и излучения, будет равен:

где - коэффициент теплообмена на внутренней поверхности

наружного ограждения, Вт/м^2*0С;

-термическое сопротивление теплообмену на внутренней поверхности, м*°С/Вт.

Аналогично наружная поверхность наружного ограждения отдает теп­лоту в окружающую среду конвекцией и излучением. Температура этой поверхности – τ_ext. Условно принимают, что окружающие предметы имеют температуру наружного воздуха t_ext, тогда тепловой поток Q₃ Вт, отданный наружной поверхностью, равен:

Тепловой поток Q₂, Вт, определяется разностью температур поверхно­стей и конструкцией ограждения. Если ограждение однослойное и состоит из однородного материала, то

(1.11)

Где - термическое сопротивление слоя ограждения, м*°С/Вт;

δ - толщина слоя наружного ограждения, м; λ - коэффициент теплопровод­ности материала ограждения, Вт/м*°С;

В условиях стационарного процесса теплопередачи, когда температуры и другие характеристики остаются во времени неизменными Q₁ = Q₂= Q₃ = Q, сложив правые и левые части уравнений и сделав простейшие математиче­ские преобразования, получаем:

(1.12)

где R₀=R_int+R_CJI+R_ext - общее приведенное термическое сопротивление

однослойного наружного ограждения, м²*°С/Вт.

Сопротивление теплопередаче элементов ограждающих конструкций R₀

Характеризует их теплозащитные качества и численно равно падению температуры в градусах при прохождении теплового потока, равного 1 Вт, через 1 м² ограждения.

Согласно требованиям СНиП 23-02-2003 приведенное сопротивление теплопередаче R₀, м²*°С/Вт, следует принимать не менее нормируемых зна­чений R_req, определяемых по табл. 1.1 в зависимости от градусо-суток рай­она строительства D_d, °С*сут. Градусо-сутки отопительного периода опре­деляют по формуле

D_d = (t_int - t_hl)Z_ht(1.16)

где t_int - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая в зависимости от его назначения; t_ht,Z_ht— средняя температу­ра наружного воздуха, °С, и продолжительность суток, сут, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01, для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С - при проектировании ле­чебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых и не более 8 °С - в остальных случаях.

Расчетный температурный перепадt₀,°C, между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждаю­щей конструкции не должен превышать нормируемых величин Δt_n,°C, установленных в табл. 1.2, и определяется по формуле

(1.18)

где п – коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, t_int - то же, что и в формуле (1.16); t_ext — расчетная температура наружного воздуха в холодный период года, °C ; R₀ — приведенное сопротивление теплопере­даче ограждающей конструкции, м²*°С/Вт; α_int - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м²*°С.

В помещениях жилых, общественных и большинстве промышленных зданий не допускается конденсация водяного пара на поверхности наруж­ных ограждений и накопления влаги в их толще. Первое и второе нарушают санитарно-гигиенические условия внутри помещения, увеличивается теп­лопроводность ограждений и может привести к разрушению ограждающих конструкций.

Для предотвращения конденсации влаги, содержащейся в воздухе по­мещения, согласно требованиям СНиП 23-02, температура внутренней по­верхности ограждающей конструкции τ_int (за исключением вертикальных светопрозрачных конструкций) в зоне теплопроводных включений (сквоз­ных швов из раствора, стыков панелей и др.) в углах и оконных откосах должна быть не ниже температуры точки росы t_d внутреннего воздуха при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период:

τ_int ≥ t_d (1.19)

Температура точки росы t_d - это та температура, при которой воздух данной влажности достигает полного насыщения водяным паром, т.е. при­обретает относительную влажность φ= 100%.

Температура точки росы воздуха помещения, °С, определяется по фор­муле

t_d = 20,1 - (5,75 - 0,00206 e_int)² (1.20)

где e_int - парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха, опреде­ляемое по формуле

e_int = (φ_int /100)E_int ,

где φ_int -относительная влажность воздуха помещения, %; E_int – парциальное давление насыщенного водяного пара внутреннего воздуха, Па, при температуре t_int рассчитывается по формуле:

E_int = 477 + 133,3 (1 + 0,14t_int)². (1.21)

Лекция №2