Теплопередача в природе позволяет существовать Вселенной в том виде, к которому все мы привыкли. Трудно сказать, как бы выглядел мир, исчезни процесс теплопередачи хоть на мгновение. Давайте подробнее рассмотрим, какие существуют виды теплопередачи и что понимается под этим термином.

Согласно общепринятому определению, теплопередача представляет собой физический процесс, при котором тепловая энергия тем или иным способом распределяется между несколькими телами с различной степенью нагрева. Процесс прекращается при выравнивании их температур, или, другими словами, при достижении

Перечислим, какие бывают базовые виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, излучение. Все остальные возможные разновидности представляют собой сочетание двух или нескольких базовых способов. Этот момент всегда необходимо учитывать.

Конвекция знакома каждому с детства. Само латинское слово «convectio» означает перенос. Следовательно, при конвекции имеет место перенос тепла потоками самого вещества. Она характерна для газов и жидкостей, хотя иногда происходит в некоторых сыпучих материалах. Представим жаркий летний день: над поверхностью нагретой земли заметно легкое марево - это искажение объясняется восходящими воздушными потоками. С наступлением ночи, когда нагревающее действие прекращается, начинается процесс выравнивания температур поверхности земли и воздуха: почва сообщает тепловую энергию нижним (это смешанный механизм передачи тепла), которые поднимаются вверх, замещаясь более холодными воздушными массами. Вот другой пример: помещаем кипятильник в емкость с водой и включаем его в сеть. При внимательном наблюдении заметны движущиеся потоки воды. Горячие массы смещаются от источника тепла, а на их место поступают более холодные.

Что может быть лучше интересной беседы за чашкой горячего чая холодным зимним вечером? При этом достаточно на мгновение отвлечься и взяться за выглядывающий край металлической ложки, чтобы быстро отдернуть руку, избегая ожога. Причина проста - некоторые виды теплопередачи очень быстро нагрели металл ложки до температуры воды в чашке. Речь идет о теплопроводности. Ситуаций, в которых можно встретиться с таким видом передачи тепла, огромное количество. Дадим определение: теплопроводность - это перенос тепловой энергии от более нагретого участка тела к более холодному посредством составляющих тело частиц (электроны, атомы, молекулы). Частный случай - передача тепла между разными объектами, находящимися в соприкосновении. Разные материалы обладают различной теплопроводностью. Так, если нагреть один конец то второй будет холодным. А вот если проделать такой опыт с металлическим прутом, то результат будет противоположный. Данная разница обусловлена различием во внутренней структуре материалов.

Рассматривая нельзя не упомянуть передачу тепла излучением. Источник тепла генерирует электромагнитные колебания с длиной волны до 1000 мкм (инфракрасная часть спектра). Интенсивность лучистого потока и температура нагретого тела находятся в прямой зависимости. Чтобы понять, как излучение переносит тепло, достаточно провести небольшой эксперимент - разжечь костер и поместить между собой и огнем прозрачное стекло. Несмотря на преграду, тепло все равно будет передаваться. Или посмотрите на кошку, которая зимой лежит на подоконнике под лучами солнца, греясь. Все просто - в этих примерах тепловая энергия передается излучением. Одна из особенностей такого способа передачи тепла - независимость от промежуточных сред. Если при конвекции перенос происходит самим веществом (газом), а при теплопроводности - частицами, то излучение не нуждается в «посредниках». Так, Солнце передает свое тепло через вакуум именно посредством излучения.

СПОСОБЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ .

При осуществлении термической сушки различают два про­цесса:

1) испарение подлежащей удалению влаги;

2) отвод от поверхности материала образовавшегося пара.

Для испарения 1 кг влаги к области парообразования необ­ходимо подвести вполне определенное количество теплоты. По­этому теплопередача составляет основу рабочих процессов, про­исходящих в сушильных установках. На практике в боль­шей или меньшей степени реализуются все три основные формы теплопереноса: 1) теплопроводность; 2) конвекция; 3) из­лучение.

Кроме того, во многих сушильных установках большое зна­чение имеет особая разновидность теплопередачи, а именно, тепло­передача путем кратковременного контакта, которая наблюдается, например, в вальцовых сушилках, на нагревательных решетках вакуумных сушилок и в барабанных сушилках при взаимодей­ствии холодного материала с нагретыми элементами внутренних устройств.

Подход к проблемам теплопередачи в сушильной технике отличается от подхода в других отраслях машиностроения. В ма­шиностроении форма и размеры теплопередающих и тепловоспринимающих элементов в большинстве случаев хорошо известны (трубы, пластины и т. п.). В сушильных установках геометри­ческая форма большинства сельскохозяйственных продуктов, подвергаемых сушке, чрезвычайно разнообразна, поэтому ее трудно с достаточной степенью точности описать аналитическими зависимостями.

Другая сложность состоит в том, что зона испарения влаги в материале непрерывно перемещается и зависит от условий процесса. По этой причине в сушильных установках, более чем в какой-либо другой области техники, экспериментальные иссле­дования составляют основу для расчета и проектирования уст­ройств.

Основные законы теплопередачи, излагаемые ниже, будут представлены в объеме, необходимом для полного понимания процессов, происходящих в сушильных установках сельско­хозяйственного назначения.

Теплопроводность как способ теплопередачи

Теплопередача посредством теплопроводности происходит внутри твердых тел, неподвижной жидкости и газа благодаря переносу энергии в форме теплоты от одной элементарной частицы к другой. Теплота переносится из области с высокой температурой в область с более низкой. В установившемся режиме плотность теплового потока между двумя параллельными поверхностями тела зависит от температурного напора, толщины стенки и тепло-физической константы - теплопроводности К (рис. 3.13):

Рис. 3.13. Теплопроводность плоской стенки

q – плотность теплового потока, ккал/(м2·ч);

λ – теплопроводность, ккал/(м·ч·ºС);

U1, U2 – температура на первой и второй поверхностях, ºС;

s – толщина стенки, м

В случае гомогенного тела, ограничен­ного плоскими поверхностями, температура между ними при установившемся тепловом режиме падает по линейному закону. Для

тел сложной структуры процесс в слое бесконечно малой тол­щины ds описывается уравнением вида

где dυ - разность температур в слое бесконечно малой тол­щины, °С. Знак минус в уравнении указывает на то, что теп­ловой поток направлен в сторону меньшей температуры.

Чтобы на основании рассмотрения процесса в слое бесконечно малой толщины сделать выводы о процессе во всем теле, необ­ходимо провести интегрирование при определенных граничных условиях.

Конвекция (способ теплопередачи)

Теплопередача конвекцией по существу включает два процесса (рис. 3.17):

1) передача тепла теплопроводностью от поверхности твер­дого тела через ламинарный пограничный слой к окрестностям ядра турбулентного потока;

2) передача тепла путем турбулентного переноса от ламинар­ного пограничного слоя к ядру турбулентного потока.

Для сушки характерно обратное направление теплового по­тока: от сушильного агента к поверхности твердого тела. Уравне­ние теплопередачи связывает между собой разность температур потока и поверхности тела с плотностью теплового потока:

где - коэффициент теплопередачи, ккал/(м2 ч °С);

UL;U0 - температура на стенке и в ядре потока, °С.

Рис. 3.17. Профиль температур при пере­носе теплоты от турбулентного потока к поверхности твердого тела через лами­нарный пограничный слой:UL- температура в ядре потока;U0- температура на поверхности тела

Для уяснения процессов кон­вективного теплообмена необхо­димо различать элементарные процессы (обтекание единичных тел) и сложные процессы (теп­лообмен в слое сыпучих мате­риалов, противо - и прямоток и т. д.).

Ламинарный пограничный слой, турбулентное ядро по­тока, теплопередача теплопро­водностью и турбулентным перемешиванием, так же как и массообмен в пограничном слое в прямом и обратном направлении, взаимосвязаны и оказывают друг на друга самые различные воздействия. Эти процессы можно описать с помощью балансовых уравнений обмена энергией и мас­сой. Для описания целесообразно ввести безразмерные критерии, которые связывают между собой многие физические и технологи­ческие параметры. Действительные физические зависимости с по­мощью таких критериев можно описать проще и нагляднее, отказавшись при этом от непосредственного использования фи­зических параметров, характеризующих процесс.

Излучение теплопередача излучением

Теплопередача излучением (например, при инфракрасном на­греве) происходит при переносе энергии. электромагнитными ко­лебаниями от одного тела другому. При этом в передаче энергии излучением не участвует ни твердый, ни жидкий, ни газообраз­ный носитель. В соответствии с законом Стефана-Больцмана энергия, излучаемая телом в окружающее пространство, про­порциональна его температуре (в градусах Кельвина) в четвертой степени:

q - плотность потока энергии излучения, каал/(м2·x);

С - коэффициент излучения тела;

Т - температура, К.

Если приблизить друг к другу два тела с разной температурой (рис. 3.21), то разность между поглощаемой и излучаемой энер­гией каждым из этих тел оценивается уравнением

Q = A1 С12[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4] = A2 C21[(Т 1 / 100)4 – (Т2 / 100)4],

где Q - тепловой поток энергии излучения, ккал/ч; A1, A2 - излучающая поверхность тел 1 и 2; C12, C21 - коэффициенты излучения, ккал/[м2-ч (К/100)4]. Коэффициенты С12 или С21 исходя из представления коэффициен­тов излучения отдельных тел получа­ют из следующих уравнений:

1/С12 = 1/С1 + А1/А2 (1/С2 – 1/Сs) ;

1/С21 = 1/С2 + А2/А1 (1/С1 – 1/Сs) ;

Рис. 3.22. Плотность потока анергии из­лучения между телами, нагретыми до разной температуры (при С=4,0)

Рис 3.23. Распределение температур в керамической пластине при нагреве пото­ком инфракрасных лучей (по данным работы )

где Cs - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Cs= 4,96 ккал/[м2-ч (К/100)4].

В таблицах нередко приводится значение относительной ха­рактеристики (табл. 3.10)

На рис. 3.22 показана зависимость плотности потока энергии излучения от температуры υ1 и υ2 в предположении, что С12 = С21 = 4 ккал/[м2-ч (К/100)4]. Из графиков видно, что при больших перепадах температур энергия излучения зависит лишь от температуры более горячего тела.

Особый интерес представляет процесс подвода теплоты с по­мощью излучения в сушильных установках, что обусловлено возможностью проникновения энергии излучения внутрь различ­ных сред. Глубина проникновения тепловых потоков при излу­чении зависит от вида материала и вида излучения. Для капил­лярно-пористых тел органического происхождения эта глубина равна 0,1-2 мм.

Вследствие того, что необходимая теплота высвобождается частично внутри тела, а не только на его поверхности, при опре­деленных условиях на поверхности плотность теплового потока может быть многократно увеличена.

Таблица 3.10 Степень черноты вещества по Шмидту

По данным А. В. Лыкова плотность потока энергии, на­пример, можно увеличить с 750 ккал/(м2-ч) при конвекции до 22 500 ккал/(м2-ч) при излучении. На рис. 3.23 представлен в гра­фическом виде процесс нагрева тела с помощью энергии излуче­ния. Из графика отчетливо видно, что тепловая энергия вначале высвобождается только внутри тела, так как в противном случае максимум температуры должен был бы находиться на поверхности тела.

Контактный теплообмен

Контактный теплообмен наблюдается, когда два тела, имеющих в начальный момент времени различную температуру, приходят в соприкосновение друг с другом, в результате чего температура этих тел стремится к некоторой общей для них средней темпера­туре . На практике теплообмен такого рода можно встретить на нагретых или нагреваемых поверхностях при пересыпании, вибрации, скольжении высушиваемого материала.

В первый момент времени после соприкосновения двух тел, которые первоначально имели различную температуру, на поверхности их касания устанавливается средняя температура, обозначаемая U0. Величина называется тепловой активностью тела. При этом:

Среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи, отнесенное. к промежутку времени t и температурному перепаду U0-U∞ (где - U∞ - начальная температура холодного тела), рассчитывают по формуле.

При кратковременном контакте среднее значение приведенного коэффициента теплоотдачи может быть достаточно высоким.

Теплообмен при нагреве в переменном электромагнитном поле.

Если две металлические пластины, удаленные друг от друга на определенное расстояние, поместить в переменное электромагнитное поле, то между ними возникнет переменный ток, зависящий от напряженности поля и емкости

Рис 3.25. Изменение диэлектрической проницаемости в и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в зависимости от частоты f переменного электромагнит­ного поля и влагосодержания сосновой древесины (по данным работы )

Если между конден­саторными пластинами поме­стить материал, то емкостный ток возрастет пропорционально диэлектрической проницаемо­сти ε материала. Вода, содер­жащаяся в сельскохозяйствен­ных продуктах, по сравнению с их сухой массой имеет высо­кое значение диэлектрической проницаемости (при темпера­туре 0° С ε = 80), поэтому кон­станту е можно использовать для измерения влагосодержа­ния материала.

Чисто емкостный ток не вы­зывает разогрева влажного ма­териала. Сдвинутые по фазе токи внутри материала имеют также активную составляющую. Величина, выражающаяся отношением активной и емкостной составляющих, называется тан­генсом угла диэлектрических потерь:

IR - активная составляющая силы тока, А; IС - емкостная составляющая силы тока, A; U - действующее напряжение, В; R - активное сопротивление, Ом; w - круговая частота, 1/с; С - емкость, Ф; ε - диэлектрическая проницаемость; f - частота, Гц.

Выделение теплоты в материале обусловливается лишь актив­ной составляющей тока:

Если выразить напряжение через напряженность поля Е (напряжение, приходящееся на каждый сантиметр разделяющего пластины расстояния), то можно получить выражение, характе­ризующее мощность объемного тепловыделения:

Q - тепловыделение, ккал/ч; V - объем конденсатора, см3; Е - напряженность электрического поля, В/см.

Потери, определяемые tgδ, и диэлектрическая проницаемость е в значительной степени зависят - от влагосодержания материала и частоты изменения электромагнитного поля (рис. 3.25) . Уже при сравнительно небольшом влагосодержании оба упомяну­тых параметра значительно возрастают. Благодаря этому соз­даются необходимые условия для так называемой диэлектриче­ской сушки. При этом тепловыделения становятся особенно большими там, где влаги содержится больше всего. В результате в таких местах влага испаряется быстрее. Кроме того, в данном случае материал обезвоживается сначала изнутри, что имеет большое значение для предотвращения его разрушения от уса­дочных напряжений (при сушке дерева), наблюдаемых при обыч­ных способах сушки, когда материал высыхает вначале снаружи, а потом уже внутри.

При атмосферном давлении температура внутри влажного материала поднимается примерно до 100° С и остается постоянной на этом уровне. Если влага испаряется в таком большом коли­честве, что материал оказывается в гигроскопической области, то температура будет повышаться и далее. Вследствие этого сердце­вина материала может обуглиться, в то время как его наружные слои будут оставаться еще влажными.

Диэлектрическая, или высокочастотная сушка мало распро­странена не только лишь из-за больших капиталовложений и за­трат на высококвалифицированное обслуживание, но и вследствие большой энергоемкости процесса. Тепловая энергия, необходимая для испарения влаги, получается в результате преобразования электрической энергии, при этом преобразование энергии сопря­жено с заметными потерями.

Виды передачи теплоты

Теория теплообмена изучает закономерности распространения и пе-реноса тепловой энергии. Обмен энергией в форме теплоты происходит при наличии разности температур между отдельными телами или частями одного и того же тела и продолжается до тех пор, пока температура обоих тел не сравняется. Поскольку температура является мерой внутренней энергии, следовательно, при теплообмене происходит увеличение внут-ренней энергии одного (холодного) тела за счет ее уменьшения у другого тела (горячего).

Процесс теплообмена является естественным и необратимым, т. е. он всегда протекает в одном направлении: от горячего тела к холодному.

Существует три способа переноса теплоты: теплопроводность, кон-векция и излучение.

Теплопроводность -процесс распространения теплоты в твердыхтелах и жидкостях, находящихся в состоянии покоя. В диэлектриках (в ма-териалах, непроводящих электричество) тепловая энергия передается ко-лебаниями кристаллической решетки, а в металлах - главным образом за счет движения свободных электронов в решетке. Теплопроводность в чис-том виде наблюдается только в твердых телах.

Конвекция -перенос теплоты при перемещении отдельных масс иобъемов жидких и газообразных тел.

Обычно происходит одновременно конвекция и теплопроводность. Такой процесс называется конвективным теплообменом . Перенос теплоты от одного тела к другому при конвекции и теплопроводности осуществля-ется только при их соприкосновении.

Излучение -теплообмен между телами на расстоянии в форме лу-чистой энергии. Носителями лучистой энергии являются электромагнит-ные волны (фотоны). При излучении тепловая энергия нагретого тела пе-реходит в лучистую, распространяется в окружающем пространстве, пада-ет на другое тело и вновь переходит в тепловую энергию.

Решение задач теплообмена всегда имеет конкретный характер, одно-значно определяемый условиями протекания процессов.

Эти условия включают:

– геометрические особенности поверхностей тел и окружающего их пространства (формы, размеры);

– особенности протекания процесса во времени;

– граничные особенности процесса теплообмена, т. е. значение и рас-пределение физических величин на границах раздела тел, участвующих в теплообмене;

– физические и химические свойства и параметры среды, в которой осуществляется перенос теплоты.

Не всегда, однако, эти условия однозначности позволяют получить аналитическое решение задач теории теплообмена. Поэтому для изучения процессов теплообмена исключительное значение имеют физические экс-перименты и обобщение их результатов.

Теплопроводность

Особенности явлений теплопроводности связаны с распределением температуры в телах. В общем случае температура тел может изменяться во всех точках пространства с течением времени. Совокупность мгновен-ных значений температуры во всех точках изучаемого пространства носит название температурного поля .

Температурное поле является однородным , если во всех точках про-странства температура одинакова, и неоднородным , если она различна. Поверхности, на которых расположены точки с одинаковой температурой, называются изотермическими , а сечение этих поверхностей - изотерма-ми (рис. 3.1).Вдоль изотермических поверхностей теплота не распростра-няется. Наиболее быстрое изменение температуры происходит в направле-нии по нормали к изотермическим поверхностям.

Рис. 3.1. Температурное поле

Предел отношения разности температур двух изотерм к расстоянию между ними по нормали, когда n стремится к нулю, называется градиен-

том температур и обозначаетсяgrad t .

Градиент - мера наибольшей интенсивности изменения температу-ры; он является векторной величиной. Положительным считается направ-ление, в котором температура возрастает. Количественно интенсивность теплообмена характеризуется плотностью теплового потока , то есть ко-личеством теплоты, проходящей через единицу поверхности в единицу времени. Согласно закону Фурье - основному закону теплопроводно-сти - плотность теплового потока, Вт/м 2 , определяется по формуле

где Q - количество теплоты, Дж; F - площадь, м 2 ; τ - время, ч.

Закон Фурье утверждает, что плотность теплового потока пропорцио-нальна градиенту температур

где λ - коэффициент теплопроводности, характеризующий интенсивность распространения теплоты, т. е. количество теплоты, проходящее вследст-вие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теп-лообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины норма-ли к изотермической поверхности, Вт/м К.

Знак «минус» в правой части указывает на противоположность на-правлений теплового потока и изменения температуры в теле. Коэффици-ент теплопроводности зависит от химического состава тел, их структуры, плотности, влажности, давления, температуры и составляет величину по-рядка от 0,01 до 400 Вт/(м·К).

Тела, имеющие λ <0,2 Вт/(м·К), называются теплоизоляторами . Хо-рошими проводниками теплоты являются тела, имеющие λ >20 Вт/(м·К).

Наименьшие значения коэффициента теплопроводности имеют газы (от 0,01 до 1 Вт/(м·К)), наибольшие - металлы (серебро - 410, медь -

360, алюминий - 200-300, сталь - 45-55 Вт/(м·К)).

Уравнение теплопроводности Фурье представляет собой математиче-ское описание процесса изменения температуры во времени в любом месте тела, вызываемого результирующим переносом теплоты.

Уравнения теплопроводности обычно аналитически решают для кон-кретных условий протекания процесса с привлечением известных условий однозначности.

На практике приходится встречаться с различными задачами тепло-проводности, которые условно делятся на три группы:

1) стационарная теплопроводность, когда распределение температур в теле сохраняется неизменным во времени и соответственно плотность теп-лового потока постоянна. Процессы теплообмена в нагревательных уст-ройствах и аппаратах, ограждающих конструкциях строительных соору-жений при длительных неизменных температурах наружной и внутренней среды могут рассматриваться не зависящими от времени;

2) нестационарная теплопроводность, когда происходит изменение температурного поля во времени. Нестационарная теплопроводность на-блюдается, например, при нагревании и охлаждении тел, когда до начала теплового воздействия во всей массе тела была одинаковая температура;

3) температурные волны в телах, подвергаемых периодическому теп-ловому воздействию. Например, годовые колебания температуры в по-верхностном слое земли, суточные колебания температуры наружного воз-духа и под их воздействием температуры поверхностей ограждающих кон-струкций.

Ниже дано частное решение уравнения Фурье для двух задач стацио-нарной теплопроводности.

1. Одномерное распределение теплоты в плоской стенке (рис. 3.2). Тепловой поток в плоской стенке равен

ностях F 1 и F 2 , °С.

Для многослойной стенки с толщинами слоев δ i и коэффициентами теплопроводности λ i уравнение теплового потока обобщается следующим образом:

где α - коэффициент конвективной теплоотдачи, характеризующий ин-тенсивность теплообмена конвекцией, Вт/(м 2 ·К); t ж - температура жидко-сти вдали от стенки, °С; t ст - температура поверхности стенки, °С; F -тепловоспринимающая поверхность тела,м 2 .

Одной из главных задач теории конвективного теплообмена является определение значения коэффициента теплоотдачи для конкретных условий протекания процесса.

На величину α оказывает влияние множество факторов, основными из которых являются характер конвекции, режим движения, физические свойства жидкости, геометрические особенности поверхности тел, участ-вующих в теплообмене.

Конвекция называется свободной , если она возникает за счет разности давлений (плотности), обусловленной неоднородностью температурного поля жидкости. Явление свободной конвекции можно наблюдать над по-верхностью нагретых тел, когда находящиеся вблизи этих поверхностей частицы воздуха, нагреваясь, поднимаются вверх, а на их место устремля-ются холодные массы воздуха (рис. 3.4).

Свободная конвекция возникает естественно во всяком объеме, где имеются тела с различной температурой, и протекает тем интенсивнее, чем выше разность температур.

Рис. 3.4. Свободная конвекция: а – вертикальная нагре-тая стенка; б – горизонтальная плита; в – горизонталь-ная плита, нагреваемая снизу

Вынужденной конвекцией называется теплообмен при движении жид-кости под действием внешних сил, например, создаваемых насосом, вен-тилятором, компрессором. Интенсивность теплообмена при этом тем вы-ше, чем больше скорость течения жидкости, омывающей поверхности тел.

Причина повышения интенсивности теплообмена при увеличении скорости течения заключается в изменении режима движения жидкости, переходе ламинарного движения в турбулентное (см. рис. 3.1).

В ламинарном потоке тепловая энергия переносится тепло-проводностью и поперечной диффузией масс. Интенсивность такого переноса энергии зависит от свойств среды, и тем меньше, чем больше толщи-на потока. В турбулентном потоке энергия переносится от жидкости к стенке перемешивающимися массами и лишь в пограничном слое - теп-лопроводностью. Поэтому интенсивность теплоотдачи в турбулентном по-токе выше, чем в ламинарном.

Ламинарное и турбулентное течения жидкости могут наблюдаться как при вынужденном, так и при свободном движении. Однако в последнем случае эти режимы создаются исключительно условиями теплового воз-действия, тогда как при вынужденном движении используются искусст-венные способы воздействия на течение жидкости.

Интенсивность конвективной теплоотдачи зависит также от физиче-ских свойств жидкости, характеризуемых значением коэффициентов теп-лопроводности и температуропроводности, теплоемкости, коэффициентов объемного расширения и кинематической вязкости.

Геометрические условия конвективного теплообмена определяются формой тела, его размерами, характером поверхности, обтекаемой жидко-стью.

По геометрическим условиям различают теплообмен при внутреннем течении жидкости в трубах, каналах (внутренняя задача) и внешнем омы-вании поверхностей потоком (внешняя задача). При внешнем обтекании поток может быть продольным по отношению к наибольшему размеру по-верхности или поперечным (например, при обтекании пучка труб, располо-женных перпендикулярно направлению потока).

Во всех случаях геометрические условия оказывают существенное влияние на распределение скоростей и температур в потоке, на режим движения, изменяя интенсивность теплообмена. Для учета этих факторов необходимо задаваться характерными размерами и формой тела.

Значения коэффициентов теплоотдачи в различных задачах конвек-тивного теплообмена определяют путем решения критериальных уравне-ний, при помощи которых обобщаются данные экспериментальных иссле-дований, так, например, для свободной конвекции используется уравнение вида

где Nu l -критерий Нуссельта; α -коэффициент конвективной теп-

Грасгофа; g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ; β - коэффициент объемного

Рейнольдса; С , n , m - опытные коэффициенты, - скорость жидкости, м/с.

Сегодня мы попытаемся найти ответ на вопрос “Теплопередача - это?..”. В статье рассмотрим, что представляет собой процесс, какие его виды существуют в природе, а также узнаем, какова связь между теплопередачей и термодинамикой.

Определение

Теплопередача - это физический процесс, суть которого заключается в передаче Обмен происходит между двумя телами или их системой. При этом обязательным условием будет передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым.

Особенности процесса

Теплопередача - это тот самый вид явления, который может происходить и при прямом контакте, и при наличии разделяющих перегородок. В первом случае все ясно, во втором же в качестве преград могут быть использованы тела, материалы, среды. Теплопередача будет происходить в случаях, если система, состоящая из двух или более тел, не находится в состоянии теплового равновесия. То есть, один из объектов имеет большую или меньшую температуру по сравнению с другим. Вот тогда происходит передача тепловой энергии. Логично предположить, что она завершится тогда, когда система придет в состояние термодинамического, или теплового равновесия. Процесс происходит самопроизвольно, о чем нам может рассказать

Виды

Теплопередача - это процесс, который можно разделить на три способа. Они будут иметь основную природу, поскольку внутри них можно выделить настоящие подкатегории, имеющие свои характерные особенности наравне с общими закономерностями. На сегодняшний день принято выделять три Это теплопроводность, конвекция и излучение. Начнем с первой, пожалуй.

Способы

Так называется свойство того или иного материального тела совершать перенос энергии. При этом она переносится от более нагретой части к той, что холоднее. В основе этого явления лежит принцип хаотичного движения молекул. Это так называемое броуновское движение. Чем больше температура тела, тем активнее в нем двигаются молекулы, поскольку они обладают большей кинетической энергией. В процессе теплопроводности участвуют электроны, молекулы, атомы. Осуществляется она в телах, разные части которых имеют неодинаковую температуру.

Если вещество способно проводить тепло, мы можем говорить о наличии количественной характеристики. В данном случае ее роль играет коэффициент теплопроводности. Эта характеристика показывает, какое количество теплоты пройдет через единичные показатели длины и площади за единицу времени. При этом температура тела изменится ровно на 1 К.

Ранее считалось, что обмен теплом в различных телах (в том числе и теплопередача ограждающих конструкций) связана с тем, что от одной части тела к другой перетекает так называемый теплород. Однако признаков его действительного существования никто так и не нашел, а когда молекулярно-кинетическая теория развилась до определенного уровня, про теплород все и думать забыли, поскольку гипотеза оказалось несостоятельной.

Конвекция. Теплопередача воды

Под этим способом обмена тепловой энергией понимается передача при помощи внутренних потоков. Давайте представим себе чайник с водой. Как известно, более нагретые воздушные потоки поднимаются наверх. А холодные, более тяжелые, опускаются вниз. Так почему же с водой все должно быть иначе? С ней все абсолютно так же. И вот в процессе такого цикла все слои воды, сколько бы их ни было, нагреются до наступления состояния теплового равновесия. В определенных условиях, конечно.

Излучение

Этот способ заключается в принципе электромагнитного излучения. Оно возникает благодаря внутренней энергии. Сильно вдаваться в теорию не станем, просто отметим, что причина здесь заключается в устройстве заряженных частиц, атомов и молекул.

Простые задачи на теплопроводность

Сейчас поговорим о том, как на практике выглядит расчет теплопередачи. Давайте решим простенькую задачу, связанную с количество теплоты. Допустим, что у нас есть масса воды, равная половине килограмма. Начальная температура воды - 0 градусов по Цельсию, конечная - 100. Найдем количество теплоты, затраченное нами для нагревания этой массы вещества.

Для этого нам потребуется формула Q = cm(t 2 -t 1), где Q - количество теплоты, c - удельная m - масса вещества, t 1 - начальная, t 2 - конечная температура. Для воды значение c носит табличный характер. Удельная теплоемкость будет равна 4200 Дж/кг*Ц. Теперь подставляем эти значения в формулу. Получим, что количество теплоты будет равно 210000 Дж, или 210 кДж.

Первое начало термодинамики

Термодинамика и теплопередача связаны между собой некоторыми законами. В их основе - знание о том, что изменения внутренней энергии внутри системы можно достичь при помощи двух способов. Первый - совершение механической работы. Второй - сообщение определенного количества теплоты. На этом принципе базируется, кстати, первый закон термодинамики. Вот его формулировка: если системе было сообщено некоторое количество теплоты, оно будет потрачено на совершение работы над внешними телами или на приращение ее внутренней энергии. Математическая запись: dQ = dU + dA.

Плюсы или минусы?

Абсолютно все величины, которые входят в математическую запись первого закона термодинамики, могут быть записаны как со знаком “плюс”, так и со знаком “минус”. Причем выбор их будет диктоваться условиями процесса. Допустим, что система получает некоторое количество теплоты. В таком случае тела в ней нагреваются. Следовательно, происходит расширение газа, а значит, совершается работа. В итоге величины будут положительными. Если же количество теплоты отнимают, газ охлаждается, над ним совершается работа. Величины примут обратные значения.

Альтернативная формулировка первого закона термодинамики

Предположим, что у нас есть некий периодически действующий двигатель. В нем рабочее тело (или же система) совершают круговой процесс. Его принято называть циклом. В итоге система вернется к первоначальному состоянию. Логично было бы предположить, что в таком случае изменение внутренней энергии будет равным нулю. Получается, что количество теплоты станет равно совершенной работе. Эти положения позволяют сформулировать первый закон термодинамики уже по-другому.

Из него мы можем понять, что в природе не может существовать вечный двигатель первого рода. То есть, устройство, которое совершает работу в большем количестве по сравнению с полученной извне энергией. При этом действия должны совершаться периодически.

Первое начало термодинамики для изопроцессов

Рассмотрим для начала изохорический процесс. При нем объем остается постоянным. А значит, изменение объема будет равно нулю. Следовательно, работа так же будет равна нулю. Выкинем это слагаемое из первого начала термодинамики, после чего получим формулу dQ = dU. Значит, при изохорическом процессе все тепло, подведенное к системе, уходит на увеличение внутренней энергии газа или смеси.

Теперь поговорим об изобарическом процессе. Постоянной величиной в нем остается давление. При этом внутренняя энергия будет изменяться параллельно совершению работы. Вот первоначальная формула: dQ = dU + pdV. Мы можем легко вычислить совершаемую работу. Она будет равна выражению uR(T 2 -T 1). Кстати, это есть физический смысл универсальной газовой постоянной. При наличии одного моля газа и разнице температур, составляющей один Кельвин, универсальная газовая постоянная будет равна работе, совершаемой при изобарическом процессе.

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.