Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего и профессионального образования

«Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра гидравлики и теплотехники

Строительная физика

Методические указания

к контрольной работе для студентов-заочников

по дисциплине «Строительная физика»

Утверждены редакционно-издательским

советом университета 12 января 2008 г.

Самара 2009

УДК 69:53; 721.01

Составители: Вытчиков Юрий Серафимович,

Власова Татьяна Ефимовна,

Зотов Юрий Николаевич,

Паршин Алексей Николаевич

Строительная физика: методические указания к контрольной работе для студентов-заочников по дисциплине «Строительная физика» / сост.: Ю.С. Вытчиков, Т.Е. Власова, Ю.Н. Зотов, А.Н. Паршин, СГАСУ. – Самара, 2009. – 89 с.

Предназначены для студентов 3-го и 4-го курсов заочного отделения специальностей 290300 «ПГС» - 6, 7 семестры; 290700 «ТГВ», 290800 «ВВ» - 7 семестр.

Даются краткие теоретические сведения по всем разделам выполняемой контрольной работы с необходимыми графическими иллюстрациями и примерами расчетов.

Целью данной контрольной работы является закрепление знаний у студентов по важнейшим разделам курса «Строительная физика» - строительной теплотехнике, звукоизоляции, строительной светотехнике.

Редактор Л.Н. Конаныхина

Корректор Е.М. Исаева

Технический редактор А.И. Непогодина

Подписано в печать 20.12.08. Формат 60×84 1/16.

Печать оперативная. Бумага офсетная. Уч.изд. л. Усл.печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ № .

Самарский государственный архитектурно-строительный

университет

443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194

© Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2009

Контрольная работа выполняется в соответствии с выданным заданием и включает в себя выполнение трех задач по следующим разделам курса «Строительная физика»:

1. Строительная теплотехника.

2. Звукоизоляция.

3. Строительная светотехника.

1 Строительная теплотехника

В данном разделе приводятся краткие теоретические сведения из основ строительной теплотехники, методика теплофизического расчета строительных ограждающих конструкций и задание для выполнения контрольной работы.

1.1 Теоретические основы процесса передачи тепла

через строительные ограждающие конструкции

Согласно второму закону термодинамики перемещение тепла через ограждающие конструкции происходит при разности температур воздуха внутри и снаружи здания. При этом зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения от внутреннего к наружному воздуху. В процессе передачи тепла участвуют все три вида теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла теплопроводностью происходит за счет теплового движения элементарных частиц – атомов и молекул. Она происходит в твердых, жидких и газообразных средах. В чистом виде теплопроводность встречается лишь в сплошных твердых телах (металлах, пластмассах и т.д.).

Теплоизоляционные и строительные материалы представляют собой пористые тела, в порах которых протекают все виды теплообмена. При выполнении теплотехнических расчетов с целью упрощения решения задачи рассматривается лишь передача тепла путем теплопроводности. Однако коэффициенты теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов, определяемые экспериментальным путем, учитывают все протекающие в них процессы.

Конвекция происходит как в жидкой, так и в газообразной средах. Конвекция представляет собой перенос тепла движущимися частицами жидкости или газа. При этом различают 2 вида конвекции: естественную и вынужденную.

Естественная конвекция возникает под действием разности плотностей жидкостей или газов, обусловленной разностью температур.

При вынужденной конвекции движение частиц жидкости вызывается посторонним механическим побудителем (насосом, вентилятором, ветром и т.д.).

Тепловое излучение представляет собой перенос энергии в виде электромагнитных волн. Излучательной способностью обладают все твердые тела, а также многоатомные газы и водяные пары.

Перенос тепла из одной среды с более высокой температурой в другую с меньшей температурой через разделяющее ограждение называют теплопередачей, которая включает в себя следующие процессы:

1. теплообмен между внутренней поверхностью ограждающей конструкции с внутренним воздухом;

2. передача тепла путем теплопроводности через ограждающую конструкцию;

3. теплообмен между наружной поверхностью ограждения и окружающим ее воздухом.

Для выполнения теплотехнических расчетов строительных ограждающих конструкций необходимо знать основные положения теории тепломассообмена.

Количество теплоты, переносимое в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Отношение Q к единице площади F, м², называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока q, Вт/м².

. (1.1)

Температурное поле представляет собой совокупность значений температур в изучаемом объеме.

Температура различных точек тела определяется координатами x,y,z и временем τ. Поэтому в общем случае

. (1.2)

Температурное поле, которое изменяется с течением времени, называется нестационарным. Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным.

Стационарное температурное поле характеризуется зависимостью

. (1.3)

Простейшим температурным полем является одномерное стационарное поле, которое характеризуется изменением температуры в направлении одной координатной оси. Примером одномерного температурного поля может служить распределение температуры в наружных строительных конструкциях, толщина которых по сравнению с прочими размерами невелика.

Гипотеза Фурье, являющаяся основным законом теплопроводности, устанавливает зависимость удельного теплового потока от градиента температурного поля:

, (1.4)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(мּК).

Знак минус в формуле (1.4) указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту. Коэффициент теплопроводности численно равен удельному тепловому потоку при температурном градиенте, равном единице.

Коэффициент теплопроводности является важной теплофизической характеристикой вещества. На значение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных и строительных материалов большое влияние оказывают:

средняя плотность материала. Это объясняется изменением характера

пористости и особенностями передачи тепла в порах разной величины;

химико-минералогический состав образующих материала;

влажность материала.

Согласно строительным нормам и правилам, значения коэффициентов теплопроводности для каждого строительного материала регламентируются в соответствии с условиями эксплуатации зданий. Поэтому расчетное значение коэффициента теплопроводности выбирают с учетом температуры наружного воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха и влажностно-климатической характеристики района строительства.

Тепловой поток, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона:

, (1.5)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²ּК); t_ж – температура теплоносителя, ⁰С; t_с – температура поверхности стенки, ⁰С; F – поверхность соприкосновения теплоносителя со стенкой, м².

Формула для удельного теплового потока при конвективном теплообмене имеет вид

. (1.6)

Коэффициент теплоотдачи α представляет собой количество теплоты, проходящей в единицу времени от жидкости к стенке (или наоборот) через 1 м² поверхности при разности температур жидкости и стенки 1 К.

Коэффициент теплоотдачи является сложной величиной, учитывающей различные факторы: характер движения жидкости или газа; скорость движения жидкости или газа; физические параметры жидкости или газа; коэффициент теплопроводности λ, вязкость μ, плотность ρ, теплоемкость с_р, коэффициент объемного расширения β, температуру жидкости или газа и поверхности t_ж, t_с; форму Ф и линейные размеры омываемой жидкостью или газом поверхности l₁,l₂, l₃.

Таким образом,

. (1.7)

Для определения величины коэффициента теплоотдачи для различных случаев конвективного теплообмена следует использовать критериальные уравнения, полученные на основе обработки опытных данных.

Критерии подобия представляют собой безразмерные комплексы, полученные после приведения исходной системы дифференциальных уравнений к безразмерному виду.

Рассмотрим далее основные критерии теплового и гидродинамического подобия, используемые при расчете процессов стационарного конвективного теплообмена.

- критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля;

- критерий Грасгофа.

Здесь l – характерный геометрический размер, м; λ_f – коэффициент теплопроводности жидкости или газа, Вт/(мּК); ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; а – коэффициент температуропроводности жидкости или газа, м²/с; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²; β – коэффициент объемного расширения жидкости или газа, К^-1; Δt – разность температур поверхности стенки и жидкости, между которыми происходит теплообмен, К.

Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплоотдачи с поверхности твердого тела в окружающую среду и всегда является искомой величиной.