5709
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
Кочев А.Г.
ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям и практическим занятиям
(включая рекомендации по выполнению расчётно-графической и самостоятельной работы)
для обучающихся по заочной форме по дисциплине «Тепловые балансы в зданиях и сооружениях» по направлению подготовки
08.04.01 Строительство профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий
Нижний Новгород ННГАСУ
2016 г
2
УДК 697.922 (075.8)
Кочев А.Г. / Тепловые балансы в зданиях и сооружениях. [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / А.Г. Кочев; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. –58 с.– 1 электрон. опт. диск (CD-RW).
В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Тепловые балансы в зданиях и сооружениях» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения основного и дополнительного материала дисциплины для достижения целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия - помощь в подготовке к лекциям и практическим занятиям, включая выполнение расчётно-графической работы и освоение требуемого объёма знаний самостоятельной работы студентов.
Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся по заочной форме в ННГАСУ по дисциплине «Тепловые балансы в зданиях и сооружениях» по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий.
Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение по заочной форме в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной профессиональной образовательной программе направления 08.04.01 Строительство, профиль Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий, утверждённым решением научно-технического совета (НТС) ННГАСУ от 9.06.2015г. (протокол № 2).
© Кочев А.Г., 2016 © ННГАСУ, 2016
3 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение |
5 |
1. Свойства влажного воздуха |
6 |
2. Энтальпия и теплоёмкость влажного воздуха |
9 |
3. Изображение процессов обработки воздуха на I-d-диаграмме |
10 |
4. Уравнения тепловых балансов помещений зданий и сооружений |
13 |
4.1. Уравнение баланса теплоты |
13 |
4.2. Уравнение полного теплового баланса в помещении по полной |
|
теплоте |
15 |
4.3. Уравнение полного теплового баланса в помещении по явной теп- |
|
лоте |
15 |
4.4. Уравнение баланса водяных паров в помещении |
16 |
4.5. Уравнение баланса вредных газов и паров |
17 |
4.6. Уравнение воздушного баланса |
18 |
4.7. Уравнение воздушно-теплового баланса в помещении |
18 |
5. Теплопоступления в помещения |
19 |
5.1. Теплопоступления в помещение от людей |
19 |
5.2. Теплопоступления в помещение от источников искусственного |
20 |
освещения |
|
5.3. Теплопоступления в помещение от солнечной радиации |
21 |
5.4. Теплопоступления в помещение от солнечной радиации через |
|
покрытие |
22 |
5.5. Теплопоступления в помещение через остекление |
24 |
5.6. Теплопоступления в помещение от электрооборудования |
27 |
5.7. Теплопоступления в помещение от нагретого оборудования |
28 |
5.8. Теплопоступления в помещение от печей |
30 |
5.8.1. Теплопоступления от стен печей |
30 |
5.8.2. Теплопоступления через свод печей |
31 |
5.8.3. Теплопоступления через под печей |
31 |
5.8.4. Теплопоступления через загрузочное отверстие печей |
32 |
5.9. Теплопоступления в помещение от остывающих материалов |
33 |
5.10. Теплопоступления в помещение от дежурного отопления |
34 |
4 |
|
5.11. Теплопоступления в помещение от открытых поверхностей |
|
жидкостей горячих ванн |
35 |
5.12. Теплопоступления в помещение от боковых поверхностей горя- |
|
чих ванн |
35 |
6. Определение теплопотерь в помещении |
36 |
6.1. Теплопотери через ограждающие конструкции |
36 |
6.2. Расчёт теплопотерь на нагрев инфильтрующегося воздуха |
37 |
6.3. Расчёт теплопотерь на испарение жидкости с открытых поверхно- |
|
стей холодных ванн |
38 |
6.4. Расчёт теплопотерь на нагрев материалов и полуфабрикатов |
39 |
6.5. Расчёт теплопотерь на нагрев транспорта |
39 |
7. Расчёт тепломассообменных процессов воздуха на свободной поверхности |
|
жидкости |
39 |
7.1. Интенсивность тепломассообменных процессов |
42 |
7.2. Основные инженерные зависимости для расчёта |
|
тепломассообмена |
44 |
8. Тепломассообмен в системах кондиционирования воздуха |
45 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК |
48 |
15. Порядок выполнения расчётно-графической работы |
51 |
16. Вопросы для контрольных работ |
54 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Составление тепловых балансов является перспективным направлением прикладной технической науки и базируется на многих разделах физики, математики, химии, механики, гидроаэродинамики и строительной теплофизики.
В процессе составления тепловых балансов изучаются законы передачи теплоты, движения сжимаемых и несжимаемых жидкостей, переноса влаги, движение сред в объёме помещений и в материалах. Для обеспечения допустимых, оптимальных или технологических условий разрабатываются системы с применением современного энергоэффективного климатического оборудования, в котором протекают в автоматическом режиме тепло- и массообменные процессы.
Особенности режимов отпуска теплоты, определение воздухообменов производится по исходным данным и характеристикам, которые задаются в нормативно-справочной документации или в техническом задании.
Для теплообменной техники используются современные методы определения тепловой мощности и расчёта массообменов для помещений различного назначения.
Жилые, административно-бытовые и общественные здания объединяют одним названием – гражданские здания.
Тепловые балансы в гражданских зданиях осуществляется в большинстве случаев системами сравнительно небольшой производительности по теплоте и расходу теплоносителя. Тепловые балансы в промышленных зданиях имеет большие тепловые мощности,, которые создаются современным теплотехническим оборудованием.
Значительное разнообразие по технологическому назначению помещений в жилых, административно-бытовых и общественных зданиях вызывает необходимость применять различные способы расчёта тепловых балансов при использовании теплоносителя с различными параметрами.
6
1. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Свойства влажного воздуха определяются его тепловлажностным состоянием и составом газовой среды [2, 10, 11, 25, 26, 27]. Условно принято считать воздух состоящим из 21% по объему кислорода O2 и около 79% по объему азота N2. Состав других примесей в атмосфере находится в пределах 0,1%. По массе это процентное соотношение составляет 23% – кислорода и 77% – азота.
Основными свойствами влажного воздуха являются:
1. Влажный воздух подчиняется закону Дальтона, согласно которому все компоненты газовой смеси занимают весь объем и находятся под своим парциальным давлением. Алгебраическая сумма этих парциальных давлений равна полному барометрическому давлению смеси РБ, Па:
n
|
РБ = ∑ Р .i |
(4) |
||||
|
i=1 |
|
|
|
|
|
Для удобства расчета влажный воздух представляют как бинарную смесь, |
||||||
состоящую из сухого воздуха и водяного пара: |
|
|||||
|
РБ = Рс.в+ Рп. |
(5) |
||||
2. Влажный воздух подчиняется характеристическому уравнению с опре- |
||||||
деленной точностью. Для 1 кг компонента имеем: |
|
|||||
|
рiυi=RiT, |
(6) |
||||
где Ri – газовая постоянная i-го компонента, Дж/(кг٠К). |
|
|||||
Умножим выражение (6) на массу mi i-того компонента при условии, что |
||||||
|
V = mυ = |
m |
, |
(7) |
||
|
|
|||||
|
|
|
|
ρ |
|
|
получим |
рiV=miRiT |
(8) |
||||
Газовая постоянная i-го компонента определяется из выражения: |
|
|||||
|
R = |
R |
, |
(9) |
||
|
|
|||||
|
i |
μi |
|
|||
|
|
|
||||
где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,314 кДж/(кмоль·К); µ i – молярная масса i-го компонента, кг/кмоль;
Например: Rвозд. = 287 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для воздуха;
7
RО2 = 259,8 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для кислорода; RN2 = 296,8 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для азота.
При условии (9) R = Ri ·µ i, представим выражение (8) в киломолях, умножив его на µ i:
|
рiVμi = mi RT , |
||
или |
рV = |
mi |
RT , |
|
|||
|
i |
μi |
|
|
|
|
|
(10)
(11)
Запишем уравнение (11) с учетом выражения (7) и решим его относительно плотности:
ρi |
= |
piμi |
. |
(12) |
|
||||
|
|
RT |
|
|
При атмосферном давлении Рс.в.=101325 Па и µс.в. = 28,86 кг/кмоль плотность сухого воздуха ρс.в., кг/м3, определяется по зависимости:
ρс.в. |
≈ |
353 |
. |
(13) |
|
||||
|
|
Т |
|
|
Зависимость плотности водяного пара ρп, кг/м3, от температуры Т , К, представлена для прикидочных расчётов следующим уравнением:
ρп |
≈ |
219 |
. |
(14) |
|
||||
|
|
Т |
|
|
Выражение (14) используется для оценочных расчетов, так как водяной пар не подчиняется характеристическому уравнению, а расчёт параметров водяных паров производится по уравнению Ван-дер-Ваальса, уравнению Вукало- вича-Новикова или уравнению Боголюбова.
3. Плотность влажного воздуха всегда меньше плотности сухого. Плотность водяного пара состоит:
ρв = ρс.в. + ρп.
Распишем каждую плотность правой части через уравнение (12), в результате получим следующую зависимость [25]:
ρв |
= |
Рс.в.μс.в. |
+ |
Pпμп |
= |
PБ μс.в. |
− |
Pп |
(μ |
с.в. − μп ). |
RT |
RT |
RT |
|
|||||||
|
|
|
|
|
RT |
|
||||
8
С учетом закона Дальтона парциальное давление сухого воздуха равно Рс.в. = РБ – Рп . Подставим эту разность в первое слагаемое вместо Рс.в. Отноше-
ние PБμс.в. – плотность сухого воздуха при барометрическом давлении, кг/м3.
RT |
|
|
|
|
|
ρв |
= ρс.в. |
− |
Рп |
(μс.в. − μп ). |
(15) |
|
|||||
|
|
|
RT |
|
|
Второе слагаемое в выражении (15) составляет 0,75% от первого, поэтому в инженерных расчетах часто плотность влажного воздуха приравнивают к плотности сухого воздуха.
4. При любых тепловлажностных изменениях сухая часть влажного воздуха остается постоянной, поэтому характеристики влажного воздуха относят к
1 кг сухого воздуха. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Влагосодержание воздуха – |
количество водяного пара, находящегося в 1 |
|||||||||
кг сухого воздуха. Единица измерения d′ , кг/кг сух.возд., [26]: |
|
|||||||||
d ¢ = |
rп |
|
|
Рп μп |
|
Рп |
|
|||
|
|
= |
|
|
|
= 0, 623 |
|
, |
(16) |
|
r |
|
Р |
μ |
с.в. |
Р - Р |
|||||
|
с.в. |
с.в. |
|
|
Б п |
|
||||
где Рс.в. = РБ – Рп.
Выражение (16) неудобно использовать в практических целях из-за малых величин d', поэтому на практике применяют зависимость (17):
d = 623 |
|
Рп |
|
. |
(17) |
|
− |
|
|||
|
РБ |
Рп |
|
||
Единица измерения d , г/кг сух.возд.
5. Влагосодержание воздуха может быть различным, но оно ограниченно пределом насыщенности воздуха водяными парами.
Относительная влажность воздуха – величина, характеризующая сте-
пень насыщенности воздуха водяными парами:
j = |
Рп |
×100% , |
(18) |
|
|||
|
Рп.н. |
|
|
где Рп – парциальное давление пара при рассматриваемых условиях, Па; РБ – парциальное давление пара при полном насыщении при тех же параметрах, Па.
9
2.ЭНТАЛЬПИЯ И ТЕПЛОЁМКОСТЬ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
Винженерной практике теплоёмкость сухого воздуха сс.в. и водяного пара сп
винтервалах температур от 0ºС до 200ºС принимают постоянными величинами [25, 26] и соответственно равными сс.в. = 1,005 кДж/(кг·ºС);
сп = 1,8 кДж/(кг·ºС).
Принято считать, что при 0ºС энтальпия сухого воздуха равна 0, то есть Iс.в.=0, тогда при произвольной температуре t энтальпия Iс.в., кДж/кг, определяется по зависимости:
Iс.в.= сс.в.t. |
(19) |
При 0ºС скрытая теплота парообразования r=2500 кДж/кг, тогда энтальпия пара при этой температуре будет соответствовать скрытой теплоте парообразования:
|
Iп.= r. |
|
|
|
(20) |
|
При произвольной температуре энтальпия пара Iп, кДж/кг, определяется |
||||||
по зависимости: |
|
|
|
|
|
|
|
Iп.= r + сп t. |
|
(21) |
|||
Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпии сухого воздуха и |
||||||
энтальпии пара с учётом влагосодержания воздуха: |
|
|
||||
I |
В = IС.В. + IП |
|
d |
. |
(22) |
|
|
|
|||||
1000 |
||||||
|
|
|
|
|||
В развернутом виде уравнение энтальпии влажного воздуха (22) имеет
вид:
I |
|
= с |
|
t + (r + c |
|
t ) |
d |
. |
(23) |
В |
С.В. |
П |
|
||||||
|
|
|
|
1000 |
|
||||
При подстановке в выражение (23) цифровых значений теплоемкости сухого воздуха, теплоемкости водяного пара и скрытой теплоты парообразования получим:
IВ |
= 1,005t + (2500 +1,8t ) |
d |
. |
(24) |
|
||||
|
1000 |
|
||
Введем понятие теплоемкости влажного воздуха, преобразовав уравнение (23) по аналогии с выражением (19):
10
|
IВ = сВt + |
|
|
rd |
, |
|
(25) |
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
1000 |
|
|
|
|
|||||
где |
сВ = сС.В. + сП |
|
d |
|
|
, |
(26) |
|||
1000 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
или |
сВ = 1,005 + |
1,8d |
. |
(27) |
||||||
|
||||||||||
|
1000 |
|
|
|||||||
По анализу выражений (23)–(27), можно сделать следующие выводы.
1.При увлажнении воздуха изотермически водяным паром теплоёмкость влажного воздуха изменяется за счёт изменения влагосодержания, энтальпия изменяется за счёт изменения теплоёмкости и влагосодержания.
2.При нагреве или охлаждении влажного воздуха в поверхностных теплообменниках энтальпия влажного воздуха изменяется за счёт изменения температуры.
Существенное влияние на свойства влажного воздуха оказывают примеси
ипыль, так как каждый из этих компонентов в зависимости от процентного содержания в смеси имеет свои значения теплотехнических и физико-химических параметров.
3.ИЗОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ВОЗДУХА НА
I-d-ДИАГРАММЕ
Направление основных процессов изменения параметров влажного воздуха можно изобразить следующей розой, приведенной на рис.1