В1 виды передачи тепла

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты. Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов, свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии. Теплопроводность в газах и жидкостях незначительна. Значительно интенсивнее протекают процессы теплопроводности в твёрдых телах. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Конвекция – происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обуславливается разностью их плотностей (из-за разности температур), то такое перемещение называют естественной конвекцией.

Если жидкость или газ перемещаются с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Тепловое излучение состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающих в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своём пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (повышая их температуру).

В2 Закон фурье и коэффициент теплопроводности

Изучая процессы распространения тепла в твёрдых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространению тепла .

Если количество переданного тепла отнести к единице сечения и единице времени, то можно записать:

Уравнение (1.6) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье . Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности. Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту.

Коэффициент теплопроводности

Множитель пропорциональности  в уравнении (1.6) является коэффициентом теплопроводности. Он характеризует физические свойства тела и способность его проводить тепло:

(1.7)

Величина  представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различный и зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов. В практических расчётах коэффициент теплопроводности строительных материалов надлежит принимать п СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника».

Для примера:

для газов -  = 0,0050,5 [Вт/мС]

для жидкостей -  = 0,080,7 [Вт/мС]

строительные материалы и теплоизоляторы -  = 0,023,0 [Вт/мС]

для металлов -  = 20400 [Вт/мС]

В3 Теплопроводность

Теплопрово́дность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью) . Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м 2 , за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример - Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример - фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

В4Конвективный теплообмен конвективный теплообмен может происходить только в подвижных средах – капельных жидкостях и газах. Обычно подвижную среду условно называют жидкостью независимо от агрегатного состояния вещества.

Тепловой поток Q , Вт, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона-Рихмана:

Q =  F ( t ж - t ) , (2.1)

где:  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2 С;

F – площадь поверхности теплообмена, м 2 ;

t ж и t – соответственно температуры жидкости и поверхности стенки, С.

Разность температур ( t ж - t ) иногда называют температурным напором .

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты, которое передаётся конвекцией через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре в 1С и имеет размерность [Дж/см 2 С] или [Вт/м 2 С].

или кинематического ( =  /  ), коэффициента объёмного расширения  ;

Скорости движения жидкости w ;

Температур жидкости и стенки t ж и t ;

Формы и линейных размеров омываемой стенки (Ф , l 1 Величина коэффициента теплоотдачи зависит от множества факторов, а именно:

Характера (режима) движения жидкости (ламинарный или турбулентный);

Природы возникновения движения (естественное или вынужденное);

Физических свойств движущейся среды – коэффициента теплопроводности  , плотности  , теплоёмкости с , коэффициента вязкости динамического ( ), l 2 ,...).

Таким образом, в общем виде можно записать: = f (w,  ,с,  ,  ,  , t ж , t ,Ф ,l 1 ,l 2 ,...). (2.2)

Критерий Нуссельта . Устанавливает соотношение интенсивности переноса теплоты конвекцией ( ) и теплопроводностью ( ) на границе твёрдое тело – жидкость:Nu =  l /  . (2.3)

Критерий Прандтля . Характеризует механизмы переноса теплоты в жидкости (зависит от физических свойств жидкости):Pr =  / a =  c  /  . (2.4)

Величина a =  / c  носит название коэффициента температуропроводности .

Критерий Рейнольдса . Устанавливает соотношение инерционных и вязких сил в жидкости и характеризует гидродинамический режим движения жидкости. R=V*l/ню Re = wl /  .

При Re <2300 режим движения ламинарный, при Re >10 4 - турбулентный, при 2300<Re <10 4 режим движения переходной от ламинарного к турбулентному.

Критерий Грасгофа . Характеризует соотношение подъёмных сил, возникающих вследствие разности плотностей жидкости и сил вязкости. Разность плотностей обусловлена различием температур жидкости в её объёме:Gr = gl 3  t  /  2 .

Во всех уравнениях, приведенных выше, величина l – характерный размер, м.

Уравнения, связывающие числа подобия, называются критериальными и в общем виде записываются следующим образом:Nu = f ( Re , Gr , Pr ) . (2.7)

Критериальное уравнение конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости имеет вид:Nu = cRe m Gr n Pr p . (2.8)

А при свободном движении среды:Nu = dGr k Pr r . (2.9)

В этих уравнениях коэффициенты пропорциональности c и d , а также показатели степени при критериях подобия m , n , p , k и r устанавливаются экспериментальным путём.

В5 теплообмен излучением

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различной длиной волн. Излучать электромагнитные волны способны все тела, имеющие температуру, отличную от абсолютного нуля. Излучение – это результат внутриатомных процессов. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Доли энергии поглощённой, отражённой и проходящей от количества её падающей на тело обозначаются соответственно A , R и D .

Очевидно, что A +R +D =1.

Если R =D =0, то такое тело называют абсолютно чёрным .

Если отражательная способность тела R =1 и отражение подчиняется законам геометрической оптики (т.е. угол падения луча равен углу отражения), то такие тела называются зеркальными . Если же отражённая энергия рассеивается по всем возможным направлениям, то такие тела называются абсолютно белыми .

Тела, для которых D =1 называют абсолютно прозрачными (диатермичными).

Законы теплового излучения

Закон Планка устанавливает зависимость поверхностной плотности потока монохроматического излучения абсолютно чёрного тела E 0  от длины волны  и абсолютной температуры T .

Закон Стефана-Больцмана . Экспериментально (И.Стефан в 1879 г.) и теоретически (Л.Больцман в 1881 г.) установили, что плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно чёрного тела E 0 прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвёртой степени, т.е.:

где  0 – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710 -8 Вт/м 2 К 4 ;

С 0 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,67 Вт/м 2 К 4 .

Индекс «0» во всех приведенных уравнениях означает, что рассматривается абсолютно чёрное тело. Реальные тела всегда серые. Отношение  =С/С 0 называют степенью черноты тела, оно изменяется в диапазоне от 0 до 1.

Применительно к серым телам закон Стефана-Больцмана приобретает вид: (2.11)

Величина степени черноты  зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая).

Закон Ламберта . Максимальное излучение единицей поверхности происходит по направлению нормали к ней. Если Q n - количество энергии, излучаемое по нормали к поверхности, а Q  - по направлению, образующему угол  с нормалью, то, по закону Ламберта:Q  = Q n  cos  . (2.12)

Закон Кирхгофа . Отношение излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А для всех тел одинаковое и равно излучательной способности абсолютно чёрного тела Е 0 при той же температуре:Е/А=Е 0 = f ( T ) .

В6Сложный теплообмен и теплопередача

Рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) на практике, как правило, протекают одновременно. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен .

В теплотехнических расчётах при сложном теплообмене часто используют общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи  0 , представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности  к , и излучения  л , т.е  0 = к + л .

В этом случае расчётная формула для определения теплового потока имеет вид:

Q =(  к + л )( t ж - t с )=  0 ( t ж - t с ) . (2.14)

Но если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то

 л =0 и  0 = к . (2.15)

Теплопередача

В теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передаётся через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей .

Примерами такого сложного теплообмена могут быть: теплообмен между водой (или паром) в отопительном приборе и воздухом в помещении; между воздухом в помещении и наружным воздухом.

В7 термическое сопротивление одно и многослойных конструкций

Рассмотрим этот вид сложного теплообмена

Теплопередача через плоскую однослойную стенку.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды t ж1 , температура холодной среды t ж2 . Температура поверхностей стенки неизвестны: обозначим их как t с1 и t с2 (рис. 2.1).

Передача теплоты в рассматриваемом примере представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит как бы из трёх этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости или газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде (жидкости или газу). При этом полагается, что поверхностные плотности тепловых потоков в трёх указанных этапах одни и те же, если стенка плоская и режим теплообмена стационарный.

Величина k называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м 2 поверхности при разнице температур между средами 1К. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R , м 2 К/Вт:

Эта формула показывает, что общее термическое сопротивление равно сумме частных сопротивлений.

В8 Теплотехнический расчет огр конструкций

Цель расчета:подобрать такие нар ограж конструк которые соответ ли бы требов снип тепловая защита зданий 23.02.2003

Определить толщину теплоизоляции

Требования сопротивления теплопередачи исходя из санит гигеиниче-х условий

Где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по табл. 3* , см. также табл.4 настоящего пособия;

t в - расчетная температура внутреннего воздуха, о С, принимаемая согласно ГОСТ 12.1.005-88 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений (см. также прил. 2);

t н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, о С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СНиП 23-01-99 (см. прил. 1);

Δ t н - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, о С, принимаемый по табл. 2*, см. также табл. 3 настоящего пособия;

α в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по табл. 4*, см. также табл. 5.

Из условий энергосбережения R о тр принимается для всех остальных видов зданий по табл. 2 в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) , определяемых по формуле

ГСОП= (t в - t от.пер. ) z от.пер. , (5а)

где t в - то же, что в формуле (5);

t от.пер. -средняя температура, о С, отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 о С по СНиП 23-01-99 (см. также прил. 1);

z от.пер. - продолжительность, сут, отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже Общее (приведенное) термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции R o , м 2 · о С/Вт, равно сумме всех отдельных сопротивлений, т. е.

где α в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 · о С), определяемый по табл. 4* , см. также табл. 5 настоящего пособия;

α н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 · о С), определяемый по табл. 6* , см. также табл. 6 настоящего пособия;

R к - термическое сопротивление однослойной конструкции, определяемое по формуле (2).

Термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) R , м 2 · о С /Вт, - важнейшее теплотехническое свойство ограждения. Оно характеризуется разностью температур внутренней и наружной поверхности ограждения, через 1 м 2 которого проходит 1 ватт тепловой энергии (1 килокалория в час).

где δ - толщина ограждения, м;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м· о С.

Чем больше термическое сопротивление ограждающей конструкции, тем лучше её теплозащитные свойства. Из формулы (2) видно, что для увеличения термического сопротивления R необходимо либо увеличить толщину ограждения δ , либо уменьшить коэффициент теплопроводности λ , то есть использовать более эффективные материалы. Последнее более выгодно из экономических соображений.

В9 Понятие микроклимата. Теплообмен чел и условия комфорт.нормат требо

Под микроклиматом помещения понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Основное требование к микроклимату – поддержание благоприятных условий для людей, находящихся в помещении. В результате протекающих в организме человека процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота (с целью поддержания постоянной температуры тела человека) должна быть передана окружающей среде. При обычных условиях более 90% вырабатываемой теплоты отдаётся окружающей среде (50% - излучением, 25% - конвекцией, 25% - испарением) и менее 10% теплоты теряется в результате обмена веществ.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещения, характеризующегося:

Температурой внутреннего воздуха t в ;

Радиационной температурой помещения (осреднённой температурой его ограждающих поверхностей) t R ;

Скоростью движения (подвижностью) воздуха v ;

Относительной влажностью воздуха  в .

Сочетания этих параметров микроклимата, при которых сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции называют комфортными или оптимальными .

Наиболее важно поддерживать в помещении в первую очередь благоприятные температурные условия, так как подвижность и относительная влажность имеют, как правило, несущественные колебания.

Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микроклимата, при которых человек может ощущать небольшой дискомфорт.

Часть помещения, в которой человек находится основное рабочее время, называют обслуживаемой или рабочей зоной . Тепловые условия в помещении завися главным образом от т.е. от его температурной обстановки, которую принято характеризовать условиями комфортности .

Первое условие комфортности – определяет такую область сочетаний t в и t R , при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Для спокойного состояния человека t в =21…23, при лёгкой работе – 19..21, при тяжёлой – 14…16С.

Для холодного периода года первое условие характеризуется формулой:

t R =1,57 t п -0,57 t в  1,5 где: t п =( t в + t R )/ 2.

Второе условие комфортности – определяет допустимые температуры нагретых и охлаждённых поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.

Во избежание недопустимого радиационного перегрева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой температуры:

Или охлаждены до температуры:, (3.3)

где:  - коэффициент облучённости от поверхности элементарной площадки на голове человека в сторону нагретой или охлаждённой поверхности.

Температура поверхности холодного пола зимой может быть лишь на 2-2,5С ниже температуры воздуха помещения вследствие большой чувствительности ног человека к переохлаждению, но и не выше 22-34С в зависимости от назначения помещений.

Основные нормативные требования к микроклимату помещений содержатся в нормативных документах: СНиП 2.04.05-91 (с изменениями и дополнениями), ГОСТ 12.1.005-88.

При определении расчетных метеорологических условий в помещении учитывается способность человеческого организма к акклиматизации в разное время года, интенсивности выполняемой работы и характер тепловыделений в помещении. Расчётные параметры воздуха нормируются в зависимости от периода года. Различают три периода года:

Холодный (среднесуточная температура наружного воздуха t н <+8С);

Переходный (-"– t н =8С);

Тёплый (-"– t н >8С);

Оптимальные и допустимые метеорологические условия (температура внутреннего воздуха t в ) в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне - 28С (если расчётная температура наружного воздуха больше 25С – допускается до 33С).

Оптимальные значения относительной влажности воздуха – 40-60%.

Оптимальные скорости воздуха в помещении для холодного периода – 0,2-0,3 м/с, для тёплого периода – 0,2-0,5 м/с.

В10Системы инженерного оборуд зданий для создания и обес зад микроклим

Требуемый микроклимат в помещениях создаётся следующими системами инженерного оборудования зданий: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответствующими нормами. Т.е. они обеспечивают необходимый тепловой режим помещений.

В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом.

Системы вентиляции предназначены для удаления из помещений загрязнённого и подачу в них чистого воздуха. При этом расчётная температура внутреннего воздуха не должна меняться. Системы вентиляции состоят из устройств для нагревания, увлажнения и осушения приточного воздуха.

Системы кондиционирования воздуха являются более совершенными средствами создания и обеспечения в помещении улучшенного микроклимата, т.е. заданных параметров воздуха: температуры, влажности и чистоты при допустимой скорости движения воздуха в помещении независимо от наружных метеорологических условий и переменных по времени вредных выделений в помещениях. Системы кондиционирования воздуха состоят из устройств термовлажностной обработки воздуха, очистки его от пыли, биологических загрязнений и запахов, перемещения и распределения воздуха в помещении, автоматического управления оборудованием и аппаратурой.

В11 основная формула для расчета теплопотерь чз огр конструкции

Q t = F/R* (tв - tн)* (1+b)* n , где

Qt - количество тепловой энергии, передаваемое от внутреннего воздуха в помещении к

наружному воздуху, Вт

F - площадь ограждающей конструкции, м кВ

R - общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м 2 С/Вт

tв - tн - расчётная температура, соответственно внутреннего и наружного воздуха, C o

b - добавочные потери теплоты, определяемые по Приложению 9 СНиП 2.04.05-91*

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху

В12 Обмер поверхностей ограждающих конструкций выполняется согласно:

Высота стен первого этажа при наличии пола, расположенного:

на грунте - Между уровнями полов первого и второго этажей

на лагах - От верхнего уровня подготовки пола первого этажа до уровня пола второго этажа

при наличии не отапливаемого подвала - От уровня нижней поверхности конструкции пола первого этажа до уровня пола второго этажа

Высота стен промежуточного этажа:

между уровнями полов данного и вышележащего этажей

Высота стен верхнего этажа:

от уровня пола до верха утепляющего слоя чердачного перекрытия

Длина наружных стен по внешнему периметру здания:

в угловых помещениях – от линии пересечения наружных поверхностей стен до осей внутренних стен

в не угловых помещения - между осями внутренних стен

Длина и ширина потолков и полов над подвалами и подпольями:

между осями внутренних стен и от внутренней поверхности наружной стены, до оси внутренней стены в не угловых и угловых помещениях

Ширина и высота окон, дверей:

по наименьшим размерам в свету

В13Расчетные температуры наруж и внутре воздуха

За расчетную температуру наружного воздуха t н, °С, принимается не самая низкая средняя температура наиболее холодной пятидневки t 5 , °С, а ее значение с обеспеченностью 0,92.

Для получения этой величины выбирается наиболее холодная пятидневка в каждый год рассматриваемого отрезка п , лет (в СНиП 23-01-99* период с 1925-го по 1980-е годы). Выделенные значения температуры наиболее холодной пятидневки t 5 ранжируются в порядке убывания. Каждому значению присваивается номерт. Обеспеченность К об в общем случае вычисляется по формуле

В14Потери тепла с инфильтрующимся воздухом. Добавочные потери тепла. Удельная тепловая характеристика. n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху и определяемый по СНиП II-3-79**;

 – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь, учитываемые:

а) для наружных вертикальных и наклонных ограждений, ориентированных на направления, откуда в январе дует ветер со скоростью, превышающей 4,5 м/с с повторяемостью не менее 15% (согласно СНиП 2.01.01.-82) в размере 0,05 при скорости ветра до 5 м/с и в размере 0,10 при скорости 5 м/с и более; при типовом проектировании добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа;

б) для наружных вертикальных и наклонных ограждений многоэтажных зданий в размере 0,20 для первого и второго этажей; 0,15 – для третьего; 0,10 – для четвёртого этажа зданий с числом этажей 16 и более; для 10-15-этажных зданий добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа.

Теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха

Потери тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха Q в , кВт, рассчитываются для каждого отапливаемого помещения, имеющего одно или большее количество окон или балконных дверей в наружных стенах, исходя из необходимости обеспечения подогрева отопительными приборами наружного воздуха в объёме однократного воздухообмена в час по формуле

Q в =0,28 L инф*р*с( t в - t н )

удельная тепловая характеристика здания - это максимальный тепловой поток на отопление здания при разности температур внутренней и наружной среды в один градус Цельсия, отнесенный к 1 куб. м отапливаемого объема здания. Фактические удельные тепловые характеристики определяют по результатам испытаний или по результатам замеров фактического расхода тепловой энергии и т.д. Фактическая удельная тепловая характеристика при известных теплопотерях здания равна: q = (Qзд / (Vнар(tв - tн.p)), где Qзд - расчётные теплопотери всеми помещениями здания, Вт; Vнар - объём отапливаемого здания по внешнему обмеру, куб.м. ; tв - температура воздуха в помещении, С; tн.p - температура наружного воздуха, С."

В15Вредные выделения от людей солнечной радиации и др. быт источников

Определение тепловыделений. К основным видам тепловыделений относятся теплопоступления от людей, в результате перехода механической энергии в тепловую, от нагретого оборудования, от остывающих материалов и других предметов, ввозимых в производственное помещение, от источников освещения, от продуктов сгорания, от солнечной радиации и т. д.

Выделение теплоты людьми зависит от затрачиваемой ими энергии и температуры воздуха в помещении. Данные для мужчин приведены в табл. 2.3. Тепловыделения женщин составляют 85%, а детей - в среднем 75% от тепловыделений мужчин.

В16классификация систем отопления. Теплоносители

Система отопления (СО) представляет собой комплекс элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты в обогреваемые помещения. Каждая СО включает в себя три основных элемента (рис. 6.1): теплогенератор 1, служащий для получения теплоты и передачи её теплоносителю; система теплопроводов 2 для транспортировки по ним теплоносителя от теплогенератора к отопительным приборам; отопительные приборы 3, передающие теплоту от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения 4.

В качестве теплогенератора для СО может служить отопительный котельный агрегат, в котором сжигается топливо, а выделяющаяся теплота передаётся теплоносителю, или любой другой теплообменный аппарат, использующий иной, чем в СО теплоноситель.

Требования к СО:

- санитарно-гигиенические – обеспечение требуемых соответствующими нормами температур воздуха в помещении и поверхностей наружных ограждений;

- экономические – обеспечение минимума приведенных затрат по сооружению и эксплуатации, минимальный расход металла;

- строительные – обеспечение соответствия архитектурно-планировочным и инструктивным решениям здания;

- монтажные – обеспечение монтажа индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров;

- эксплуатационные – простота и удобство обслуживания, управления и ремонта, надёжность, безопасность и бесшумность действия;

- эстетические – хорошая сочетаемость с внутренней архитектурной отделкой помещения, минимальная площадь, занимаемая СО.

Электротермические процессы связаны с преобразованием электрической энергии в тепловую с переносом тепловой энергии внутри тела (твердого, жидкого, газообразного) или из одного объема в другой по законам теплопередачи.

Теплопередачей (теплообменом) называется переход тепла из одной части пространства к другой, от одного тела к другому или внутри тела от одной его части к другой. Непременным условием теплообмена является наличие разности температур отдельных тел или участков тел .

Различают стационарный и нестационарный теплообмен (рис. 2.1).

Существуют три вида теплообмена, три различных способа передачи тепла (рис. 2.2).

Теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов), частицы с большей энергией (более нагретые и, следовательно, более подвижные) отдают часть своей энергии менее нагретым (менее подвижным). Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. У плотных тел (металл) скорость теплопередачи больше, у пористых (пенопласт) – меньше.

Тепловой поток через плоскую стенку при установившемся режиме (определяется по закону Фурье) пропорционален разнице температур поверхности стенки и обратно пропорционален термическому сопротивлению стенки.

При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи может иметь место лишь в прозрачной для этих лучей среде.

Каждое непрозрачное нагретое тело, находящееся в прозрачной среде, излучает во все стороны лучистую энергию, распространяющуюся со скоростью света. При встрече с другими полностью или частично непрозрачными телами эта лучистая энергия вновь превращается (полностью или частично) в тепло, нагревая эти тела. Следовательно, лучистый теплообмен сопровождается двойным превращением энергии – тепловой энергии в лучистую и затем вновь лучистой в тепловую.

Если температуры тел, между которыми осуществляется лучистый теплообмен, различны, то в результате теплообмена между ними тепло будет передаваться от более нагретого тела к менее нагретому, одно из них будет нагреваться, а другое – снижать свою температуру.

При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток пропорционален постоянному коэффициенту излучения абсолютно черного тела, степени черноты тела, численно равной его поглощающей способности, и абсолютной температуре нагретого тела.

Рис. 2.2. Классификация теплообмена по способу передачи тепла

Аналитическое решение задач, связанных с конвективным теплообменом, представляет значительные трудности, поскольку этот процесс описывается сложной системой дифференциальных уравнений. Поэтому задачи конвективного теплообмена решают с использованием экспериментально полученных констант и величин. Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона – Рихмана. По этому закону тепловой поток прямо пропорционален поверхности омывания, режиму движения теплоносителя (коэффициент теплоотдачи) и разности температур стенки и газа или жидкости.

Инструкция

Теплопроводность заключается в передаче тепла от более нагретых частей вещества к менее нагретым, приводящая к выравниванию температуры вещества. Молекулы вещества, обладающие большей энергией, передают ее молекулам, обладающим меньшей энергией. К теплопроводности относится закон Фурье, который заключается в связи между градиентом температуры в среде и плотности теплового потока. Градиент - это вектор, показывающий направление изменения скалярного поля. Отклонения от этого закона могут быть при очень сильных ударных волнах (большие значения градиента), при очень низких температурах и в разреженных газах, когда молекулы вещества чаще сталкиваются со стенками сосуда, чем между собой. В случает разреженных газов процесс теплопередачи рассматривается не как теплообмен, а как передача тепла между телами, находящимися в газовой среде.

Это перенос тепла в жидкостях, газах или сыпучих веществах, согласно кинетической теории. Суть кинетической теории состоит в том, что все тела (материальные) состоят из атомов и молекул, которые находятся в непрерывном движении. На основе этой теории, конвекция представляет собой теплопередачу между веществами на молекулярном уровне, при условии что тела находятся под действием силы тяжести и неравномерно нагреты. Нагретое вещество, под действием силы тяжести, перемещается относительно менее нагретого вещества в сторону, обратную силе тяжести. Более нагретые вещества поднимаются, а более холодные - опускаются. Ослабление действия конвекции наблюдается в случаях высокой теплопроводности и вязкой среды, а также на конвекцию в ионизированных газах сильно влияет степень его ионизации и магнитное поле.

Тепловое излучение. Вещество за счет внутренней энергии создает электромагнитное излучение со сплошным спектром, которое может передаваться между веществами. От того, насколько нагрето вещество, зависит положение максимума его спектра. Чем выше температура, тем больше энергии выделяет вещество и, следовательно, тем больше тепла можно передать.

Теплопередача может происходить через тонкую перегородку или стенку между телами, от более теплого вещества к менее теплому. Более нагретое вещество передает часть тепла к стенке, после чего происходит процесс теплопередачи в стенке и от стенки идет теплоотдача к менее нагретому веществу. Интенсивность количества передаваемой теплоты напрямую зависит от коэффициента теплопередачи, который определяется как количество теплоты, передающееся через единицу площади поверхности перегородки в единицу времени при разнице температур между веществами в 1 Кельвин.

Способы передачи теплоты - теплота всегда передается от тел более нагретых к менее нагретым. Способы передачи теплоты от твердого тела (стенки) к обтекающей его жидкости или газу называются теплоотдачей. Способы передачи теплоты из одной среды в другую, разделенных перегородкой (стенкой), называются теплопередачей. Различают три способа переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и излучение (радиацию).

Теплопроводностью называется процесс распространения теплоты в теле (одном) посредством передачи кинетической энергии от более нагретых молекул к менее нагретым, находящимся в соприкосновении друг с другом. В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах очень тонких, неподвижных слоях жидкости и газа.

Способы передачи теплоты распространяются через стенки котла. Теплопроводность различных веществ различна. Хорошими проводниками теплоты являются металлы. Весьма незначительна теплопроводность воздуха. Слабо проводят теплоту пористые тела, асбест, войлок и сажа.

Конвекцией называется перенос, теплоты за счет перемещения молярных объемов среды. Обычно конвективный способ перенос теплоты происходит совместно с теплопроводностью и осуществляется в результате свободного или вынужденного движения молярных объемов жидкости или газов (естественная или вынужденная конвекция). Естественной конвекцией распространяется теплота от печей, отопительных приборов, при нагревании воды в паровых котлах, охлаждении обмуровки котлов и других тепловых устройств. Свободное движение жидкости или газов обусловлено различной плотностью нагретых и холодных частиц среды. Например, воздух около поверхности печи нагревается становится легче, поднимается вверх, а на его место поступает более тяжелый, холодный. В результате этого в комнате возникает циркуляция воздуха, которая переносит теплоту.

Способы передачи теплоты включают в себя конвекцию. Вынужденная конвекция имеет место при передаче теплоты от внутренней стенки котла к воде, движущейся под действием насоса.

Излучением (радиацией) называется передача теплоты от одного тела к другому путем электромагнитных волн через прозрачную для теплового излучения среду. Этот процесс передачи теплоты сопровождается превращением энергии тепловой в лучистую и, наоборот, лучистой в тепловую. Радиацией передается теплота от факела горящего топлива к поверхности чугунных секций или стальных труб котла. Радиация - это наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если излучающее тело имеет высокую температуру, а лучи от него направлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Понятие о теплопередаче. Рассмотренные выше три вида теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев один вид сопровождается другим. Примером этого может служить передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла (рис. 7). Слева поверхность ее соприкасается с горячими газообразными продуктами сгорания и имеет температуру t 1 справа омывается водой и имеет температуру t 2 Температура в стенке снижается в направлении оси х.

Рис. 7.Передача теплоты от газообразных продуктов сгорания к стенке водогрейного котла.

В данном случае теплота от газа к стенке передается одновременно путем конвекции, теплопроводности и излучением (лучистый теплообмен). Одновременная передача теплоты конвекцией, теплопроводностью и излучением называется сложным теплообменом.

Результат одновременного действия отдельных элементарных явлений приписывают одному из них, которое и считают главным. Так, радиация (излучение), называемая еще прямой отдачей, в передаче теплоты в топочной камере от топочных газов к внешней поверхности нагрева котла играет главенствующую роль, хотя наряду с ней в передаче теплоты участвуют и конвекция, и теплопроводность.

Способы передачи теплоты от внешней поверхности нагрева к внутренней через слой сажи, металлическую стенку и слой накипи осуществляются только путем теплопроводности. Наконец, от внутренней поверхности нагрева котла к воде теплота передается только конвекцией. В газоходах котла процесс теплообмена между стенкой секции и омывающими ее газами также является результатом совокупного действия конвекции, теплопроводности и радиации. Однако в качестве основного явления принимается конвекция.

Количественной характеристикой передачи теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку является коэффициент теплопередачи К. Для плоской стенки коэффициент К количество теплоты, переданной в единицу времени: от одной жидкости к другой на площади 1 м 2 при разности температура между ними в один град. - определяется по формуле:

К = (1/α 1 +δ 3 /λ 3 + δ ст /λ ст +δ н /λ н + 1/α 2) -1

где α 1 - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке поверхности нагрева, Вт/(м 2 ×град); δ 3 - толщина золовых или сажевых отложений (так называемые наружные загрязнения), м; δ ст - толщина стенки секций или труб, м; δ н - толщина накипи (так называемое внутреннее загрязнение), м; λ 3 , λ ст, λ в - соответствующие коэффициенты теплопроводности золы или сажи, стенки и накипи, Вт/(м×град); α 2 -. коэффициент теплоотдачи от стенки к воде/ Вт/(м 2 ×град).

В соответствии с приведенным примером сложного теплообмена (см. рис. 7) общий коэффициент теплоотдачи, а от газов к стенке котла соответственно равен:

α 1 = α к + α л

где α к и α л - коэффициенты, теплоотдачи конвекцией и излучением.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередачи. Для данного случая:

R = 1/K = 1/α 1 +δ 3 /λ 3 +δ cт /λ ст +δ н /λ н + 1/α 2

Различные вещества имеют разные коэффициенты теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности К - количество теплоты, передаваемое через единицу площади поверхности нагрева в единицу времени при разности температур в 1 град и толщине стенки в 1 м. При использовании внесистемных единиц (ккал в ч) размерность коэффициента теплопроводности ккал×м/(м 2 ×ч×град), в системе СИ - Вт/ (м × град).

Коэффициенты теплопроводности различных материалов, наиболее часто встречающихся в отопительно - котельной технике, приведены ниже, Вт/(м×град).

Количество теплоты Q, передаваемое через стенку, определяется по формуле:

где К - коэффициент теплопередачи, Вт/ (мг×град); ∆t - средняя разность температур греющей и нагреваемой сред или среднелогарифмический температурный напор, град; Н - площадь поверхности нагрева, м 2 .

Среднелогарифмический температурный напор ∆t определяется по формуле:

∆t = ∆t - ∆t м /2,31 g (∆t 0 /∆t м)

где ∆t g и ∆t м - наибольшая и наименьшая разности температур греющей и нагреваемой среды.

Рис. 8. Характер изменения температур рабочих жидкостей при

а - прямотоке; б - противотоке.

Характер изменения температур рабочих жидкостей показан на рис. 8. Если в теплообменном аппарате греющая и нагреваемая жидкости протекают в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (см. рис. 8, а), а в противоположных - противотоком (см. рис. 8, б).

Для единицы площади теплопередающей поверхности удельный поток, обозначаемый q, будет равен:

Из приведенных формул видно, что количество передаваемой теплоты тем больше, чем больше площадь поверхности нагрева Н и чем больше средняя разность температур или температурный напор и коэффициент теплопередачи К. Наличие на стенке котла накипи, золы или сажи значительно снижает коэффициент теплопередачи (см. ниже пример).

Определяющим фактором в передаче теплоты радиацией являются температура излучающего тела и степень его черноты. Поэтому, чтобы интенсифицировать передачу теплоты радиацией, необходимо увеличить температуру излучающего тела, повысив шероховатость поверхности.

Теплоотдача конвекцией зависит: от скорости движения газов, разности температур греющей и нагреваемой среды, характера обтекания газами поверхности нагрева - продольное или поперечное, вида поверхности - гладкая или оребренная. Основными способами интенсификации передачи теплоты конвекцией являются: повышение скорости газов, их завихрение в газоходах, увеличение площади поверхности нагрева за счет ее оребрения, повышение разности температур между греющей и нагреваемой средами, осуществление встречного (противоточного) омывания.

Пример. Рассмотрим влияние накипи и сажи на теплопередачу в котле, используя данные настоящего раздела. Принимаем толщину стенки секции чугунного котла δ 1 = 8 мм, а отложившиеся на ней слой накипи толщиной δ 2 = 2 мм и слой сажи δ 3 = 1 Гмм. Коэффициенты теплопроводности стенки λ 1 , накипи λ 2 и сажи λ 3 соответственно принимаем равными 54; 0,1 и 0,05 ккал/(м×ч×град) (√62,7; 0,116 и 0,058 Вт/ (м 2 × К). Значения коэффициентов теплоотдачи: от, газов к стенке α 1 = 20 ккал/(м 2 ×град); от стенки к воде α 2 = 1000 ккал/(м 2 ×ч×град). Температуру газов принимаем равной t газ = 800°С, воды t = 95 С.

Расчеты производим для чистой и загрязненной стенок чугунного котла.

А. Стенка котла чистая.

Найдем коэффициент теплопередачи:

К = (l/α 1 + δ/λ + l/α 2) -1 = (1/20 + 0,008/54 + 1/1000) -1 = 1/0,0512 = 19,5 ккал/(м 2 × ч ×град) = 22,6 Вт/ (м 2 × град) и тепловой поток через стенку.

q = K∆t = 19,5 (800-95) = 13700 ккал/(м 2 ×ч) = 15850 Вт/ (м 2).

Определим температуру наружной поверхности стенки чугунной секции, воспользовавшись формулой

q =α 1 (t газ - t cт) -1 q = α 1 t газ - α 1 t ст; α i t ст = α 1 t газ

t cт = t газ - q/α 1 = 800 - 13700/20 = 115 °С.

Из расчета видно, что при чистой стенке котла температура ее мало отличается от температуры воды внутри котла.

Б. Стенка котла загрязненная.

Повторив весь расчет, найдем:

К = (l/α 1 +δ 1 /λ 1 + δ 2 /λ 2 + δ 3 /λ 3 + 1/α 2) -1 = (1/20+0,008/54+0,002/0,1 (+0,001/0,05+ 1=1000) -1 = (0,0912) -1 = 11ккал/ (м 2 ×ч×1×град) = 12,7 Вт/ (м 2 ×град)

q = 11 (800 - 95) = 7750 ккал/ (м 2 ×ч) = 8960 Вт/ (м 2), t ст = 800 - 7750/20 = 412C.

Из расчета видно, что отложение сажи нежелательно тем, что она, обладая малой теплопроводностью, затрудняет передачу теплоты от топочных газов к стенкам котла. Это приводит к перерасходу топлива, снижению выработки котлами пара или горячей воды.

Накипь, имея малую теплопроводность - значительно уменьшает передачу теплоты oт стенки котла к воде, в результате чего стенки, сильно перегреваются и в некоторых случаях; разрываются, вызывая аварии котлов.

Сравнивая результаты расчета, видим, что теплопередача через загрязненную стенку уменьшилась почти в два раза, температура стенки чугунной секции при накипи возросла до опасных, по условиям прочности металла, пределов, что может привести к разрыву секции. Этот пример наглядно показывает необходимость регулярной очистки котла как от накипи, так и от сажи или золы.

Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи : теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.

Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.

Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.

Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими - сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.

Конвекция

Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.

Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.

Конвекция - вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.

Излучение

Третий вид теплопередачи - излучение . Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.

Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.

Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.