1 Теплообмен теплопроводностью. Уравнение теплопроводности

Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии и их теплового движения. Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах, но механизм переноса теплоты зависит от агрегатного состояния тела. Теплопроводность жидких и в особенности газообразных тел незначительна. Твердые тела обладают различной теплопроводностью. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными. Степень теплопроводности материала характеризуется величиной его коэффициента теплопроводности . Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты в Дж, которое будет проходить за 1 сек через 1 м² плоской стенки толщиной 1 м при разности температур на ее поверхностях, равной 1 ⁰С. Величина коэффициента теплопроводности для одного и того же материала не является величиной постоянной, она может изменяться в зависимости от его плотности, влажности, температуры и направления теплового потока.

, где F – толщина стены ; t – время ;q - тепловой поток ;

t=f(x,y,z) - трехмерное стационарное температурное поле dt/d =0

t=f(x,y, ) – двухмерное нестационарное температурное поле dt/d 0

2 Конвективный теплообмен. Что влияет на величину α_к?

Процесс конвекции 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 обуслов­ливается разностью их плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естествен­ной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднима­ются, охладившиеся — опускаются. Например, отопи­тельный прибор системы центрального отопления сопри­касается с воздухом, который получает от пето теплоту и поднимается, уступая место более холодному воздуху. Таким образом, теплота вместе с воздухом передается от прибора в другие части помещения.

Если жидкость или газ перемещается 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.

Поверхностная плотность теплового потока q, Вт/м² :

q = _к(t_ж-t_c).

_к – коэффициент теплоотдачи конвекции (Вт/ м² град)

На интенсивность конвекции влияют:

- скорость перемещения жидкости или тв.тела - физические свойства омывающей жидкости -температура, форма омываемого тела - расположение омываемого тела в пространстве

Величина _к учитывает следующие факторы:

- характер движения жидкости или газа и природа его возникновения

- скорость движения жидкости или газа

- физические параметры жидкости или газа ( коэффициент теплопроводности, вязкость, плотность, теплоемкость, коэффициент объемного расширения, температура жидкости или газа и поверхности, форма и линейные размеры омываемой жидкостью или газом поверхности)

3 Основные законы теплового излучения

Процесс теплового излучения состоит в переносе теп­лоты от одного тела к другому электромагнитными вол­нами, возникающими в результате сложных молекуляр­ных и атомных возмущений. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным' обра­зом тепловой. Электромагнитные волны распространя­ются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия может ими ча­стично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (по­вышая их температуру).

Если R=1 (т.е. А=0 D=0), то тело полностью отра­жает падающие на него тепловые лучи. Такое тело на­зывается зеркальным (если отражение правильное, не рассеянное) либо абсолютно белым (если отражение рассеянное — диффузное). К числу тел, близких по свой­ствам к абсолютно белому телу, относится ряд металлов (золото, медь и др.). Для полированных металлов R — = 0,95—0,97. Белая оштукатуренная наружная поверх­ность стены хорошо отражает солнечные (видимые) лу­чи, а невидимые тепловые лучи интенсивно ею погло­щаются.

Если А = 1 (т.е. R=D=0), то тело полностью погло­щает все падающие на него тепловые лучи и называется абсолютно черным. Абсолютно черных тел в природе нет. Свойствами, близкими к абсолютно черному телу обладают нефтяная сажа (.1=0,9—0,96), вода и лед (Л = 0,92—0,95), черное сукно (Л=0,98) черный бар­хат (/1 = 0,955).

Если D= 1 (т.е. A = R= 0), то тело пропускает че­рез себя все падающие на пего лучи. Такое тело называ­ется абсолютно проницаемым (прозрачным), или диатермичным. Воздух — практически прозрачная среда, твердые тела и жидкости непрозрачны. Многие тела про­зрачны только для определенных волн. Так, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетового и длинноволнового инфракрас­ного излучения.

Закон Стефана-Больцмана:

В строительной практике иногда возникает необхо­димость уменьшить интенсивность теплообмена излуче­нием. Одним из эффективных средств уменьшения интен­сивности теплообмена служат защитные экраны, выполненные из материалов с малой поглощательной и большой отражательной способностями.

При наличии экрана лучистая теплота последователь­но передается от стенки к экрану, а от экрана — к дру­гой стенке. Если экран и стенки, между которыми он на­ходится, по материалу и качеству поверхности не отли­чаются, то один экран уменьшит поток в 2 раза, два параллельных экрана — в 3 раза и n экранов — в (n+1) раз.

Но если поверхность экрана имеет очень небольшой коэффициент поглощения и хорошо отражает лучистую энергию, например никелированный лист с А=0.05 или полированный тонкий лист алюминия с А=0,26, то один экран может уменьшить тепловой поток в 10—30 раз.

Экраны целесообразно использовать в воздушных прослойках наружных ограждений для уменьшения пе­редачи теплоты излучением, где этот вид теплообмена составляет 70—80 %.

4 Влажный воздух. Основные характеристики влажного воздуха.

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь газов, из которых основными являются азот, кислород, аргон, углекислый газ. Воздух обязательно содержит в себе некоторое количество водяного пара, т. е. он является влажным.Атмосферное давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, содержащегося в воздухе. Парциальным давлением называют давление одной составляющей смеси газов.Предположим, что из герметичного сосуда, содержащего смесь сухого воздуха и водяного пара при атмосферном давлении, каким-то образом удалили сухой воздух. Если объем сосуда при этом не изменился, то, измерив давление, мы обнаружим, что оно стало ниже первоначального. Измеренное давление и будет парциальным давлением водяного пара.Сухой атмосферный воздух отличается постоянством своего состава и его можно рассматривать как однородный газ. Состояние однородного газа обычно определяется двумя параметрами — давлением и температурой, а при постоянном давлении — только температурой. Содержание в воздухе водяного пара непостоянно. Поэтому состояние влажного воздуха определяется еще дополнительным параметром, характеризующим количество и состояние содержащегося в нем водяного пара. Состояние влажного воздуха в сушильной технике можно характеризовать двумя параметрами, поскольку давление остается постоянным.К основным параметрам влажного воздуха относят его температуру, степень насыщения, влагосодержание, теплосодержание, плотность и приведенный удельный объем.Водяной пар в воздухе обладает такими же свойствами, как и в свободном от воздуха пространстве. Как и в чистом виде, пар в воздухе может быть перегретым (ненасыщенным) и насыщенным.

Влажный насыщенный пар – смесь сухого пара и воды ( жидкости), находящихся в термодинамичнском равновесии ( температура и давление жидкости и пара постоянны)

Сухой насыщенный пар – жидкость, превращенная в пар при параметрах насыщения

Перегретый пар - пар с параметрами выше параметров насыщения ( температура и давление выше)

5 I-d диаграмма влажного воздуха.

6.процессы нагревания, охлаждения и осущения воздуха на ИД диарграмме!!!!!!!!!!!!

7 Принцип определения влажности воздуха с помощью психрометра.

Психрометр (производное от греч. ψυχρός — холодный и τό μέτρον — мерило, измерять) — это прибор предназначенный для измерения температуры воздуха и его влажности.

В основном психрометры используются для определения показателей относительной влажности воздуха. Эти показатели весьма важны в различных областях науки и производства. Особенно это важно при использовании весового оборудования для определения точности показателей.

Принцип работы и устройство психрометров

Принцип действия любого психрометра основан на физическом свойстве жидкости (воды) к испарению и возникающей при этом разности температур показываемых сухим и влажным термометрами. Испарение, за счет того, что жидкость покидают наиболее "быстрые" молекулы, приводит к потере жидкостью части энергии и как следствие снижение ее температуры, регистрируемое смоченным термометром.

Простейший психрометр состоит из двух стеклянных термометров (спиртовых или ртутных). Один сухой, другой влажный (смоченного), обернутый влажной хлопчатобумажной тканью. Конец этой ткани опущен в резервуар с жидкостью. При испарении воды происходит охлаждение влажного термометра. Чем ниже влажность окружающего воздуха, тем интенсивнее протекает этот процесс. Следовательно, чем суше воздух, влажность которого определяется, тем ниже будут показания смоченного термометра, тем больше будет разница между показаниями сухого и влажного термометров.

Зафиксировав показания сухого и влажного термометров, с помощью специальных формул или психрометрической таблицы определяется относительная, а затем по психрометрической формуле - абсолютная влажность воздуха.

Психрометрическая формула, позволяющая определить упругость водного пара по показаниям сухого и влажного термометров, выглядит так:

e= E-A*P(t-t_c)

где

е —упругость водного пара находящегося в воздухе;

Е —максимально возможная упругость водного пара при температуре tс смоченного термометра;

t —температура воздуха;

А —коэффициент зависящий от устройства термометра и скорости прохождения воздуха возле резервуара термометра;

P —давление воздуха.

8 Определение температуры по сечению ограждения.

9 Сложный теплообмен у поверхности наружных ограждений зданий. Коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи.

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. Процесс теплообмена между стенкой и омывающим ее газом является типичным примером сложного теплообмена — совместного действия конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим {суммарным) коэффициентом теплоотдачи ₀, представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности _к и излучения _л, т. е:

₀= _к+ _л

В этом случае расчетная формула для определения теплового потока q, Вт/м², имеет вид:

q= ₀(t_ж – t_c)

Если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то

_л=0 и ₀= _к

10.Расчет температуры внутренней поверхности наружного ограждения. (тоже что и выше, только учитывается только альфа внутр)

11. Микроклимат помещений. Нормируемые параметры и каким образом они поддерживаются.(рисунок стр 78?)

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 путем конвекции, излучения, теплопроводности и испарения должна быть передана окружающей среде, поскольку организм человека стремится к сохранению постоянной температуры (36,6°С). Поддержание постоянной темпе­ратуры организма обеспечивает физиологическая систе­ма терморегуляции. Для нормальной жизнедеятельности и хорошего самочувствия человека должен быть тепло­вой баланс между теплотой, вырабатываемой организ­мом, и теплотой, отдаваемой в окружающую среду. При обычных условиях более 90 % вырабатываемой тепло­ты отдается окружающей среде (половина теплоты — излучением, четверть — конвекцией, четверть — испаре­нием) и менее 10 % теплоты теряется в результате об­мена веществ. Интенсивность теплоотдачи человека зависит от мик­роклимата помещения, характеризующегося температурой внутреннего воздуха t_B, радиационной температурой помещения (осредненной температурой его ограждающих поверхностей) t_R, скоростью движения (подвижностью) и относительной влажностью φ_в воздуха. 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 воздуха имеют, как правило, несу­щественные колебания. Зоны комфортных сочетаний t_в и t_R для гражданских зданий в холодный и теплый пе­риоды года приведены на рис.(выше). Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микрокли­мата, при которых человек ощущает небольшой дис­комфорт.

Часть помещения, в которой человек находится ос­новное рабочее время, называют обслуживаемой или ра­бочей зоной. Комфорт должен быть обеспечен прежде всего в этой зоне.

Тепловые условия в помещении зависят главным об­разом от t_B и t_R, т.е. от его температурной обстановки, которую принято характеризовать двумя условиями ком­фортности. Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такую область сочетаний t_B и t_R, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения.

Для спокойного состояния человека t_B=21...23, при легкой работе—19...21, при тяжелой — 14...16 °С.

Для холодного периода года первое условие характе­ризуется формулой

t_R = 1,57t_п-0,57t_в±1,5,

где t_a = (t_B + t_R)/2.

Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных 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 t_нагр^доп≤19,2+8,7/φ или охлаждены до темпера­туры t_охл^доп>23—5/ φ, где φ — коэффициент облученности от поверхности элементарной площадки на голове чело­века в сторону нагретой или охлажденной 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 санитарных нормах СН 245-71, строительных нормах и правилах СНиП 2.04.05—86 и ГОСТ 12.1.005—88.

При определении расчетных метеорологических усло­вий в помещении учитывается способность человеческо­го организма к акклиматизации в разное время года, ин­тенсивность выполняемой работы и характер тепловыде­лений в помещении. v

Расчетные параметры воздуха нормируются в зави­симости от периода года. Различают три периода года: теплый, холодный и переходный. Холодный период года характеризуется среднесуточной температурой наружно­го воздуха t _H ниже +8°С, теплый —при t_H выше +8°С и переходный —при t_H—+8°С.

По интенсивности труда все виды работ делятся на три категории: легкие, средней тяжести и тяжелые с за­тратой энергии соответственно до 172 Вт, 172—193 Вт и более 293 Вт.

В зависимости от интенсивности явных тепловыделе­ний различают три группы помещений: с незначительны­ми теплоизбытками явной теплоты (до 23 Вт/м³); со эна- чительными избытками явной теплоты (более 23 Вт/м³); жилые, общественные помещения и вспомогательные по­мещения производственных зданий при всех значениях явной теплоты. Причем под последней согласно ГОСТ 12.1.005—88 понимают теплоту, поступающую в рабочее помещение от оборудования, отопительных приборов, нагретых материалов, людей и других источников теп­лоты.

Под избытком явной теплоты понимают остаточное количество явной теплоты (за вычетом теплопотерь) по­сле осуществления всех мероприятий по их уменьшению.

Оптимальные и допустимые метеорологические ус­ловия в обслуживаемой зоне жилых, общественных и ад­министративно-бытовых помещений устанавливаются СН 245-71 и СНиП 2.04.05—86 и по ГОСТ 12.1.005—88 в рабочей зоне производственных помещений. В холод­ный период года оптимальная температура воздуха со­ставляет, °С: для легкой работы 20—23, для работы средней тяжести 17—20, для тяжелой работы 16—18; допустимые температуры равны соответственно 19—25, 15—23 и 13—19°С. Для теплого периода года оптималь­ные температуры воздуха для указанных категорий ра­бот составляют соответственно 22—25, 21—23 и 18— 21 °С. Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне равна 28 °С и лишь при расчетной темпе­ратуре наружного воздуха больше 25 °С допускается до 33 °С.

Оптимальные значения относительной влажности воз­духа нормируются в диапазоне 40—60 %. Оптимальные скорости воздуха в помещении для холодного периода года принимаются 0,2—0,3, а для теплого 0,2—0,5 м/с.

В теплый период года метеорологические условия не нормируются в помещениях жилых зданий, а также в общественных, административно-бытовых и производст­венных помещениях в периоды, когда они не использу­ются и в нерабочее время.

Требуемый микроклимат в помещении создается 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. Таким образом, они позволяют раз­решит;, лишь одну из задач по созданию и обеспечению микроклимата и помещении — необходимого теплового режима.

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 пз помещений загрязненного и подачу в них чис­того воздуха. При этом расчетная температура внутрен­него воздуха не должна изменяться. Система вентиляции состоит из устройств для нагревания, увлажнения и осу­шения приточного воздуха.

Системы кондиционирования воздуха являются более совершенными средствами создания и обеспечения в по­мещениях 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.