53

52

УДК 697 (075; 8)

 Вятский государственный университет, 2002

 И.И. Суханова, 2002

Лекция 1

1 Основы теории теплообмена

Теория теплообмена - это наука о процессах переноса тепла. Целый ряд важных вопросов строительства и проектирования зданий и сооружений решается на основе теории теплообмена. Знание законов теории теплообмена позволяет инженеру-строителю увязать толщину и материал ограждающих конструкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надежно защитить человека от холода, решить другие вопросы, которые возникают в процессе развития строительной техники.

Теплообмен между различными материальными средами - сложный процесс. Его можно разделить на три более простых процесса: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводностью, как известно, называется теплообмен между частицами или элементами структуры материальной cреды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. Передача тепла в ограждающих конструкциях, выполненных из твердых материалов от более теплой поверхности конструкции к более холодной, происходит главным образом путем теплопроводности. Теплопроводность жидких и в особенности газообразных тел незначительна.

Процесс переноса тепла конвекцией происходит лишь в жидкостях и газах в результате перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. При различной плотности жидкости или газа происходит естественное их перемещение - естественная конвекция. Такое явление мы наблюдаем в системах отопления, когда воздух соприкасается с нагревательными приборами. Вынужденная (искусственная) конвекция возникает при работе вентилятора, эжектора и других устройств, когда перемещение воздуха осуществляется искусственным путем. Теплота вместе с воздухом и в том, и в другом случаях передается от приборов отопления в другие помещения. Искусственный теплообмен значительно интенсивнее естественного.

Процесс теплового излучения состоит в переносе тепла электромагнитными волнами. Лучистая энергия возникает в телах главным образом за счет тепловой. Излучение является преобладающим видом общего переноса тепла при действии солнечной радиации, а также при процессах теплообмена в металлургических и других цехах, где происходит плавка и остывание металла.

При изучении отдельных видов теплообмена используют следующие понятия и определения:

1. Перенос тепла от одного тела к другому, а также между частицами данного тела происходит только при наличии разности температур и направлен всегда в сторону более низкой температуры.

2. Количество теплоты, переносимой в единицу времени, называется тепловым потоком Q. Отношение Q к единице площади F, м², называется удельным тепловым потоком q,Вт/м²:

q=Q/F.

3. Температурное состояние тела или системы тел можно охарактеризовать с помощью температурного поля, под которым понимается совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства. Температура различных точек тела t определяется координатами x,y,z и временем . Поэтому в общем случае

t=f(x,y,z,).

Температурное поле, которое изменяется с течением времени, называется нестационарным (неустановившимся). При этом тепловой режим и тепловой поток будут тоже нестационарными. Наглядным примером нестационарного температурного поля может служить температурное состояние стенок отопительной печи. Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным (установившимся). В этом случае тепловой режим и тепловой поток будут также стационарными.

Стационарное температурное поле можно охарактеризовать зависимостью

t=f(x,y,z).

Простейшим температурным полем является одномерное стационарное поле, которое характеризуется изменением температуры в направлении одной координатной оси. Такое температурное поле можно выразить уравнением

t=f(x).

Примером одномерного температурного поля может служить распределение температуры в наружных строительных конструкциях, толщина которых по сравнению с прочими размерами невелика.

В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением лишь стационарных и одномерных температурных полей как наиболее простых, но имеющих большое практическое значение в строительстве зданий.

4.Температурное поле в рассматриваемом теле или системе тел удобно характеризовать с помощью изотермических поверхностей, под которыми понимается геометрическое место точек с одинаковой температурой. Такие поверхности могут быть замкнуты или выходить на границы тела, но между собой никогда не пересекаются.

Если изотермические поверхности пересечь плоскостью, то на плоскости сечения получим изотермические линии, называемые изотермами. Взаимное расположение изотерм наглядно характеризует распределение температур в теле и интенсивность изменения температуры в различных направлениях: чем чаще расположены изотермы, тем интенсивнее изменяется температура.

t₀ t₁ t₂ t₃

Рисунок 1.1

Наибольшее изменение температуры на единицу длинны получается в направлении нормали к изотермическим поверхностям. Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом и обозначается grad, его размерность - град/м.

Рассмотрим более подробно основные виды теплообмена.