|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Глава 1 Способы передачи теплаСтр 1 из 7Следующая ⇒
СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА
Лекционный курс
Рязань
УДК 697 ББК 38.113 Т42 Тинина Е. В. Т42 Строительная теплофизика: лекционный курс / Е. В. Тинина. – Рязань: Рязанский институт (филиал) Университета машиностроения, 2016. - 53 с. Приведены основные теоретические сведения и понятия строительной теплофизики, примеры решения задач. Лекционный курс предназначен для студентов заочной формы обучения, направления 08.03.01 «Строительство» профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Печатается по решению методического совета Рязанского института (филиала) Университета машиностроения.
УДК 697 ББК 38.113
ã Тинина Е.В., 2016 ã Рязанский институт (филиал) Университета машиностроения, 2016
Оглавление
Введение Тепловые процессы играют важную роль в теплоэнергетике и в самых разнообразных технологических процессах, а также в строительной индустрии. Это и эксплуатация гидротехнических сооружений, сушка изделий, производство строительных изделий и многое другое. При строительстве зданий основной энергетической задачей является обеспечение оптимального теплового режима помещений. Он обеспечивается различными инженерными средствами и устройствами: ограждающими конструкциями, солнцезащитными устройствами, системами отопления. Влияют на тепловой режим в помещении разности наружной и внутренней температур, солнечная радиация, перепады давлений из-за ветровой нагрузки на здание, атмосферные осадки, влагообмен через ограждающие ограждения, старение материалов. Формирование теплового режима помещения и его микроклимата происходит под действием конвективного и лучистого теплообмена, процессов массопероноса температуры воздуха, теплопроводности ограждающих конструкций. Поэтому для формирования микроклимата в помещении необходимо представлять все процессы, формирующие тепловую обстановку, способы передачи тепла и законы теплообмена. Дисциплина, в которой изучаются явления передачи тепла и рассматриваются вопросы обеспечения оптимального теплового режима помещения, является строительная теплофизика. Рассмотренные вопросы в данном учебном пособии, соответствующего программе дисциплины «Строительная теплофизика», позволяют изучить основные законы теплообмена в помещении и ознакомиться с некоторыми инженерными методами расчета его теплового режима.
Глава 1 Способы передачи тепла Понятие теплообмена Все тела в природе энергетически взаимодействуют между собой. Взаимодействие характеризуется передачей определенной энергии, которая является общей мерой различных форм движения материи. Энергия передается в форме работы или теплоты. Перенос теплоты от одного тела к другому или от одной части физической системы к другой называется теплообменом. Так как теплота, согласно кинетической теории строения вещества, есть форма проявления движения частиц, то теплообмен состоит из взаимодействия частиц одной части системы (термодинамической системы) с другой, т.е. совершается обмен энергией между атомами и молекулами в системе. Системы подразделяются на открытые, закрытые, изолированные. Если значения параметров, характеризующих систему, не изменяются во времени, то такое состояние системы называется стационарным, т.е. система находится в термодинамическом равновесии, когда все внутренние параметры системы не зависят от координат и времени. Термодинамическое равновесие характеризуется постоянством температуры. Выравнивание температуры в системе сопровождается теплообменом. Например, тепловая обстановка в помещении определяется совместными действиями ряда факторов: температурой, подвижностью и влажностью воздуха в помещении, его течением и распределением в помещении, излучением от поверхностей, находящихся в помещении, внешней средой. При этом могут протекать следующие виды теплообмена: конвективный теплообмен с участием воздуха помещения, лучистый – между ограждающими поверхностями помещения, теплопроводность – через толщину ограждающих конструкций помещения. Для описания формирования температурного режима помещения рассмотрим данные виды теплообмена. Закон Фурье Под теплопроводностью понимается процесс переноса тепла между участками тела, имеющие разные температуры. Перенос осуществляется в сторону убывания температуры t, т.е. имеет место направленный характер. Количество тепла, проходящего через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется плотностью теплового потока q. Экспериментально получено, что количество переданной теплоты пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты. Для плотности теплового потока данная зависимость имеет вид q=λ gradt. (1.1) Данная формула является математическим выражением закона Фурье. Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности. Его значение зависит от физических свойств вещества и характеризует количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном коэффициенте, равном единице. Коэффициент теплопроводности материалов зависит от пористости (плотности), структуры, влажности, вида взаимосвязи влаги с материалом, температуры, химико-минералогического состава материала. В таблице 1.1 для сравнения приведены коэффициенты теплопроводности различных материалов.
Таблица 1.1 – Коэффициенты теплопроводности различных материалов
Коэффициент теплопроводности – одна из основных характеристик строительных материалов. Чем меньше пористость материала, образуемая относительно мелкими порами, т.е. чем больше плотность материала, тем больше его коэффициент теплопроводности (таблица 1.2).
Таблица 1.2 – Теплопроводность кирпича различной плотности
Вода обладает высоким коэффициентом теплопроводности λ =0, 5 Вт/(м·оС), поэтому увлажнение материалов и, тем более, образование в них льда (λ =2 Вт/(м·оС)) увеличивает теплопроводность. Коэффициент теплопроводности зависит от природы материала. В металлах значительная часть тепла переносится потоком электронов. Чем выше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность (медь, алюминий). Теплопроводность камневидных материалов вызвана волнами тепловых упругих колебаний структуры. Чем тяжелее атомы или атомные группы, образующие кристаллы в структуре материала, и, чем слабее они между собой связаны, тем меньше теплопроводность материала. В приложении А даны значения коэффициента λ для основных материалов, используемых в строительстве. Как видно из таблицы значения λ для многих материалов находится в пределах от 0, 02 до 3, 0 Вт/(м·оС). Для большинства материалов зависимость значения λ от температуры почти линейная (рисунок 1.1). С повышением плотности материалов значение коэффициента λ возрастает. На величину λ оказывает влияние влажность материала: для сухого кирпича λ =0, 3 Вт/(м·оС), а для влажного – 0, 9 Вт/(м·оС). У металлов коэффициент теплопроводности много выше и лежит в пределах от 20 до 400 Вт/(м·оС). Самыми теплопроводными металлами являются серебро (λ порядка 410 Вт/(м·оС), чистая медь (λ порядка 395), золото (λ порядка 300). С повышением температуры, а также концентрации примесей в металлах, значение λ убывает.
Рисунок 1.1 – Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для некоторых материалов
Газы имеют наименьшие значения коэффициента теплопроводности, которые находятся в пределах от 0, 005 до 0, 5 Вт/(м·оС). Благодаря воздуху, который заполняет пустоты (поры) в строительных материалах, они приобретают свойства плохого проводника тепла с коэффициентом теплопроводности не на много большим, чем для воздуха. С увеличением пор в структуре материала его теплоизоляционные свойства начинают ухудшаться, так как существенную роль в передаче тепла через материал начинают играть конвекционные процессы, возникающие в воздушных включениях. Теплоизоляционные свойства строительных материалов также ухудшаются в случае его отсыревания. В этом случае поры заполняются водой, у которой коэффициент теплопроводности выше воздуха.
Граничные условия При решении уравнения (1.1) для определения постоянных интегрирования задаются граничными условиями. Различают следующие граничные условия. 1. Условие первого рода: задается температура поверхности тела. 2. Условие второго рода: задается плотность теплового потока на поверхность тела. 3. Условие третьего рода: задается температура среды, граничащей с поверхностью.
Теплопередача Рассмотрим задачу, когда заданы граничные условия третьего рода, т. е. заданы температуры воздуха наружной tн и внутренней tв сторон ограждения (рисунок 1.4). Необходимо найти температуры Используя закон Фурье, плотность теплового потока, поступающего снаружи на ограждение, по аналогии с выражением для потока тепла через ограждение, можно определить выражением
Рисунок 1.4 – К определению коэффициента теплопередачи
Перепишем данное выражение в виде
Используя введенное ранее при рассмотрении теплопередачи через ограждение понятие теплового сопротивления, можно считать выражение
Введя термические сопротивления
где Изменение температуры в приграничных слоях воздуха около ограждения на рисунке 1.4 показано условно. Процессы теплообмена в них будут подробно изложены при рассмотрении конвективного теплообмена. Для определения неизвестных температур
Здесь используются обозначения: Из-за полной аналогии математической записи этих законов можно принять, как и при прохождении электрического тока по сопротивлениям, соединенных последовательно, что перепад температуры, приходящей на любой слой в ограждении, будет составлять определенную долю от полного перепада температуры на ограждение. Этому условно будет удовлетворять отношение теплового сопротивления выделенного слоя к полному сопротивлению многослойного ограждения. Например, для случая, изображенного на рисунке 1.4, имеем
Из полученных выражений определяются неизвестные значения Выражение
которое представляет величину, обратную тепловому сопротивлению, получило название тепловой проводимости цепи среда-ограждение-среда или коэффициента теплопередачи.
Теплообмен излучением Основные понятия
Тепловым излучением обладает любое макрофизическое тело и количественно определяется только его температурой. Тепловое излучение приходится на длины волн от 0, 4 до 800 мк. Носителем теплового излучения являются фотоны. Энергия фотонов Е=hν , где h=6, 62·10-34 Дж·с – постоянная Планка; ν – частота излучения. Твердые и жидкие тела имеют сплошной спектр излучения. Излучение газов дискретное: излучение и поглощение энергии происходит в определенном интервале температур. При попадании на любое тело излучения наблюдаются следующие процессы: часть лучистой энергии QR отражается, другая поглощается QA, а определенная доля энергии QD проходит сквозь тело. Из закона сохранения энергии следует Q=QR+QA+QD. Запишем данное выражение в относительных единицах
Закон Планка устанавливает связь распределения плотности потока излучения E0λ от длины волны при различных температурах Т, т.е. E0λ =f(λ, T) для абсолютного черного тела (рисунок 1.9). Как следует из графика, при длине волны, стремящейся к нулю, плотность потока излучения стремится также к нулю. С увеличением длины λ растет значение E0λ, , достигает своего максимума, затем убывает и при
 приближается к нулю. С повышением температуры максимум зависимости смещается в сторону более коротких длин волн – закон Вина
λ mахT=2, 9·10-3. (1.7) Как следует из рисунка 1.9, энергия, приходящая на область видимого излучения (для длин волн от 0, 4 до 0, 8 мкм), много меньше по сравнению с энергией инфракрасного излучения (длины волн от 0, 8 до 800 мкм). Количество энергии (интегральная излучательность), которая излучается нагретым абсолютно черным телом, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры – закон Стефана-Больцмана E0=σ T4, (1.8) где σ =5, 67·10-8 Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана. Для практических расчетов уравнение (1.8) применяют в виде E0=со( T/100)4, где со=σ 108 =5, 67 Вт/(м2·К4) – коэффициент излучения абсолютного черного тела. Для серых тел энергия излучения подчиняется соотношению E=с( T/100)4= соε ( T/100)4, где ε = Связь между собственным излучением тела и его поглощательной способностью устанавливает закон Кирхгофа. Он гласит, что отношение собственного излучения к поглощательной способности для всех тел одинаково и равно собственному излучению абсолютного черного тела при той же температуре
Из закона Кирхгофа следует, что собственное излучение тела тем больше, чем больше его поглощательная способность.
Конвективный теплообмен Основные газовые законы Основной средой, формирующей температурный режим помещения, является воздух. Воздух это газ, который состоит из азота (78, 08 %), кислорода (20, 95 %), инертных газов (0, 94 %), углекислого газа (0, 03 %). Рассмотрим основные законы, которым подчиняются газы. Воздух считается идеальным газом, поэтому подчиняется молекулярно-кинетической теории: молекулы представляют собой упругие шары, размеры которых определяются родом газа, молекулы имеют конечный объем, их соударения и удары о препятствия происходят согласно законам упругих шаров. Внешние воздействия на молекулы отсутствует. При соударениях происходит обмен импульсами и энергиями (классическая механика). Так как молекулы представляют собой упругие шары, то можно считать, что они обладают большим модулем упругости. Поэтому продолжительность удара мала по сравнению со временем свободного пробега и обмен энергией происходит за очень небольшие отрезки времени. Отсюда можно считать, что обмен энергией происходит мгновенно, а молекулы могут иметь энергию от очень малых до весьма больших значений. Направление скоростей при этом хаотическое. Причем большую часть времени частицы движутся в газе равномерно и прямолинейно по всему объему. Если они на своем пути сталкиваются со стенками, то по законам упругого удара будут передавать ей определенную энергию (импульс силы). При своих столкновениях между собой молекулы непрерывно обмениваются энергией, изменяют свои скорости и координаты. При неизменных внешних параметрах в объеме устанавливается равновесное состояние. Благодаря непрерывному хаотическому движению и столкновению любые отклонения от равновесного состояния будут восстанавливаться, и газ снова за определенное время приходит к равновесию. Соответствующие значения времени называются временем релаксации. В состоянии равновесия (при отсутствии внешних сил) плотность газа в заданном объеме постоянна и одинакова по всему объему, а число частиц в данном объеме V равно N=Vno, где nо – концентрация частиц. Постоянное взаимодействие частиц через столкновения приводит не только к равномерному распределению плотности, но и к равномерному распределению их движения во всех направлениях в пространстве. При таких равновероятных направлениях движения давление в газе изотропно. Поэтому направленного потока газа при равновесии не наблюдается. В равновесном состоянии и при постоянной температуре газа его давление и объем связаны следующим образом (закон Бойля-Мариотта) p1V1= p2V2. Модель для идеального газа позволяет объяснить многие свойства реальных газов. Эта модель применима, если поведение частиц реального газа удовлетворяет закону Бойля-Мариотта. Например, при нормальных условиях воздух можно рассматривать как идеальный газ. Равновесному состоянию, которое устанавливается в газе, соответствует определенное распределение молекул в пространстве, по направлениям движения и по скоростям. Распределение молекул по скоростям, которое в газе устанавливается произвольно, в состоянии равновесия при постоянных параметрах (давлении, объеме, температуре) в дальнейшем не изменяется в результате молекулярного движения и соударений. Так как столкновения случайны, то и появление любой скорости имеет случайный характер. Вероятность появления частиц с определенными значениями скорости будет зависеть от величины самой скорости. Общее число молекул dNυ , имеющих скорости от υ до υ +dυ , прямо пропорционально общему числу молекул N и интервалу скорости dυ
где F(υ ) – функция распределения частиц по скоростям – распределение Максвелла
Дифференцируя данное выражение по скорости, получаем, что функция F(υ ) имеет максимум при скорости
В уравнениях: k – постоянная Больцмана, Т – термодинамическая температура, m – масса молекул. Данное значение получило название наиболее вероятной скорости: этой скоростью обладает наибольшее число молекул газа. Другой характеристикой движения является среднеквадратичная скорость
Эта скорость определяет среднюю энергию частиц
Кроме названных скоростей представляет интерес средняя арифметическая скорость молекул. Все молекулы участвуют в движении и имеют какое-то абсолютное значение скорости. Поэтому существует определенный средний модуль скорости этого хаотического движения
Положения рассмотренных скоростей показаны на графике максвелловского распределения молекул газа по скоростям (рисунок 1.11). С увеличением температуры число молекул с большими скоростями увеличивается, а число медленных уменьшается. Поэтому значения всех этих скоростей будут возрастать.
Рисунок 1.11 – Максвелловское распределение молекул по скоростям
Была проведена проверка распределения молекул по скоростям в реальных газах. Эксперименты подтвердили, что число молекул, имеющих скорости от υ до υ +dυ , хорошо укладываются в это распределение. Практическое подтверждение использования максвелловского распределения по скоростям для реальных газов имело значение для вычисления различных характеристик газа: числа молекул, ударяющихся о стенку; средней энергии молекул; длины свободного пробега; распределения плотности частиц в силовом поле. Неравновесные состояния В природе большинство процессов является неравновесными. В этом случае соотношение между термодинамическими параметрами р, V, T зависит от координат в системе и от времени. Находясь в неравновесном состоянии, система стремиться к равновесному состоянию. И как только условия позволяют, система самопроизвольно возвращается в равновесное состояние, которое называется наиболее вероятным. В неравновесной системе имеют место градиенты различных физических величин. Если к системе не подводится энергия извне, то градиенты будут уменьшаться во времени в результате столкновений молекул и обмену между ними энергии. Если градиенты существуют постоянно (например, при разности температур в разных областях системы), то в системе возникает постоянный перенос энергии или импульса. Перенос осуществляется в направлении противоположном градиенту соответствующей термодинамической величины. Например, имеем систему с термодинамической физической величиной Y. В системе существует неравновесное состояние по данной величине, т.е. градиент величины dY/dz. Это приводит к возникновению ее потока, переносимой молекулами. Скорость изменения dY/dt будет пропорциональна разности между значениями этого параметра в определенный момент времени Y и его равновесным значением Y0
где τ – постоянная времени процесса. Данное явление получило название переноса. С помощью явления переноса объясняются внутреннее трение, диффузия газов, теплопроводность.
Вязкость Перенос физической величины в газе может осуществляться за счет внутреннего трения. Имеем два электрода Э1 и Э2, расположенные напротив друг друга (рисунок 1.12). Электрод Э1 неподвижен, а электрод Э2 движется по оси у cо скоростью υ 2. Движущийся электрод увлекает за собой слой газа, который контактирует с его поверхностью. Молекулы этого слоя приобретают скорость υ 2 в направлении оси у. В связи с наличием внутреннего трения скорости молекул в слоях, расположенных на удалении от электрода Э2, будут становится меньше, уменьшаясь до нуля на неподвижном электроде Э1. На рисунке 1.12 это показано разновеликими стрелками. В результате возникает градиент скорости dυ /dx по оси х.
Благодаря данному градиенту молекулы будут переходить из слоя с большей скоростью в более медленные слои и наоборот. При этом молекулы из одного слоя переносят в другой слой определенное количество энергии и передают ее молекулам данного слоя при столкновениях. Можно говорить о дрейфе определенного импульса от электрода Э2 к электроду Э1. Это эквивалентно появлению силы, действующей между слоями в направлении электрода Э1.. Результатом ее действия будет ускорение или замедление соответствующего слоя. В этом заключается действие силы FB внутреннего трения на слой или вязкости. Она пропорциональна градиенту dv/dt, площади S электродов. По закону Ньютона
где η – коэффициент внутреннего трения (вязкости). Он равен
где
ρ – плотность молекул.
Рисунок 1.12 – Перенос импульса в газе
В области высоких давлений коэффициент вязкости не зависит от давлений, т.к. с увеличением давления плотность молекул увеличивается, а длина пути молекул уменьшается в одинаковое число раз. Поэтому произведение ρ В области низких давлений коэффициент вязкости теряет свой физический смысл: молекулы перестают сталкиваться, и между ними не происходит обмена энергией. Зависимость вязкости от температуры определяется по зависимости скорости
Конвективный теплообмен Процесс передачи тепла от поверхности твердого тела в газ называется конвективным теплообменом. Передача осуществляется при одновременном действии теплопроводности и конвекции. В некотором слое у поверхности нагретого тела теплота передается за счет теплопроводности. За пределами данного слоя передача тепла осуществляется за счет конвекции. Теплообмен можно рассматривать как бы в неограниченном пространстве. В явлении конвекции перенос теплоты осуществляется за счет переноса теплоты самой средой. В комнате в воздухе постоянно существуют течения, т.е. воздух никогда не находится в покое. Воздух от батареи отопления нагревается, плотность его уменьшается, и он становится легче. В результате теплый воздух поднимается к потолку. Воздух, охлажденный около холодных стен, тяжелый, стекает вниз, к полу. В данных условиях можно считать, что теплота передается из-за разности плотности газа, когда имеется температурный градиент в направлении силы тяжести. Вязкость при этом мала. При высокой вязкости передача тепла осуществляется за счет теплопроводности. Передача кинетической энергии от одной молекулы другой происходит в результате столкновений. Газ ведет себя как идеальный: вязкость зависит только от температуры. При низких давлениях столкновения проходят преимущественно только со стенками. Эта область относится к молекулярной теплопроводности. Скорость охлаждения газа пропорциональна числу падающих молекул в единицу времени на стенку и разности температур молекул t1 и стенки t2 (t1> t2). Когда концентрация молекул становится недостаточной для переноса заметного количества тепла (очень низкое давление), перенос тепла может осуществляться только излучением. В зависимости от скорости движения газа различают свободную и вынужденную конвекцию. При свободной конвекции интенсивность движения воздуха определяется тепловыми условиями процесса и зависит от разности температур. При вынужденной конвекции движение воздуха возникает под действием внешних факторов, например, вентилятора. Однако в этом случае может существовать и свободная конвекция, которая будет проявляться тем больше, чем выше разность в разных точках пространства и чем ниже внешнее воздействие. Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q при конвективном теплообмене пропорционален площади поверхности F теплообмена и зависит от разности температур стенки tс и газа tг
где α – коэффициент теплоотдачи. Процессы теплоотдачи зависят от скорости движения газа около поверхности. Различают два основных режима: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим возможен при малой скорости движения теплоносителя: течение имеет спокойный струйчатый характер, отдельные слои газа, в которых скорости молекул воздуха могут быть различными, не перемешиваются. При турбулентном режиме слои в потоке воздуха начинают перемешиваться, движение слоев становится неупорядоченным, вихревым. Изменение режима в каждом отдельном случае происходит при определенной скорости и определяется числом Рейнольдса
где ω – средняя скорость теплоносителя; d – геометрический размер системы.
Теплопроводность газов Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-05-28; Просмотров: 1919; Нарушение авторского права страницы
и 
. В данном случае передача тепла осуществляется внутрь через ограждение от внешней среды. Такой перенос тепла получил название теплопередачей. Обозначим коэффициент теплопередачи через 
, который показывает количество теплоты, проходящей через ограждение, отнесенной к единице поверхности ограждения, единице времени и единице температурного напора.
.
.
тепловом сопротивлением между воздухом и поверхностью ограждения
и 
по обеим сторонам ограждения, можно записать уравнение для плотности теплового потока под действием температурного напора 
и 
– суммарные коэффициенты теплопередачи в области контактов воздуха с ограждением с внешней и внутренней его сторон, соответственно.
и 
– тепловое и электрическое сопротивления; 
и 
перепады температуры и электрического напряжения, соответственно.
и 
(1.6)
Величины R, A и D характеризуют собой отражательную, поглощательную и пропускательную способность тела соответственно. Например, если A=1, то R=0 и D=0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом, т. е. тело считается абсолютно черным. Если D=1, то тело является абсолютно прозрачным. При A< 1 тело относится к серым телам, а при R=1 – тело относится к абсолютно белым. Но в природе не существует абсолютно черных или белых прозрачных тел. На значение коэффициентов A, D, R влияют природа вещества тела, его температура и спектр падающего излучения. Рассмотрим основные законы теплового излучения.
– степень черноты тела (относительный коэффициент излучения поверхности; принимает значения от 0 до 1).
f (T).
, 
.
средняя длина свободного пробега молекул; 
средняя скорость молекул; 
остается величиной постоянной. Следовательно, тормозящая сила, с которой газ действует на движущийся электрод, будет одной и той же при давлении 100 или 1000 мм рт. ст. Интервал изменения плотности газа, когда это положение выполняется, ограничивается следующими условиями: длина свободного пробега 
от температуры: вязкость пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры. Подтверждение этих положений стало успехом кинетической теории газов.
