Основы теории теплообмена. Термическое сопротивление неоднородных конструкций. Теплоустойчивость и выбор температуры наружного воздуха

Лекция №1. Предметы и задачи курса. Основы теории теплообмена. Закон Фурье. Теплопроводность. Виды теплообмена. Теплопередача.

Для создания нормальных условий жизнедеятельности необходимо поддерживать в помещениях определённый тепловой режим. Тепловой режим, обеспечиваемый системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха определяется теплотехническими и теплофизическими свойствами ограждающих конструкций. Требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям, складываются из условий:

-  резкого переохлаждения или перегрева;

-  увлажнения;

-  промерзания или оттаивания;

-  воздухопроницания;

Принятие решений по теплотехнической оценке ограждений базируется на положениях теории теплообмена и теплопередачи, регламентируемые СНиП II-3-79** "Строительная теплотехника", СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирования воздуха", СНиП "2.01.01-82 "Строительная климатология и геофизика". Ограждения принимаются на основании расчёта экономически целесообразного сопротивления теплопередаче с наименьшими приведенными затратами, в соответствие влажностному и воздушному режиму, теплоустойчивости и теплоусвоения. Ограждения с высокоэффективными теплоизоляционными свойствами обеспечивают выбор экономически обоснованных систем отопления зданий на основе определения оптимальных теплопотерь, следовательно, и тепловой нагрузки отопительных установок.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

В теплообмене рассматриваются процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между непосредственно соприкасающимися телами с различной температурой. Теплопроводность представляет собой, молекулярный процесс передачи теплоты. Перенос теплоты теплопроводностью зависит от физических свойств тела, его геометрических размеров, и разности температур.

Конвективный процесс переноса теплоты происходит только в газах и жидкостях. Этот вид переноса осуществляется при перемещении перемешивании массы неравномерно нагретых сред. Конвекционный перенос теплоты происходит тем интенсивнее, чем больше скорости движения среды, в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией сопровождается теплопроводностью, при этом осуществляется непосредственный контакт частиц с различной температурой.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом. Если движение рабочего тела, вызванное искусственно (вентилятором, насосом, компрессором), то такой конвективный теплообмен называют вынужденным. Если движение рабочего тела возникает под влиянием разности плотностей от нагревания, то такой теплообмен называют свободным или естественным, конвективным теплообменом.

Процесс передачи теплоты излучением между двумя телами, разделенными полностью или частично пропускающей излучение средой, происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом. При сравнительно невысоких температурах перенос энергии осуществляется инфракрасными лучами.

Совокупность всех трех видов переноса теплоты называют сложным теплообменом.

Основной закон теплопроводности

Для распространения теплоты в любом теле или пространстве необходимо наличие разности температур в различных точках тела. Это условие относится и к передаче теплоты теплопроводностью, при которой градиент температуры не должен быть равен нулю.

Связь между количеством теплоты , проходящим через элементарную площадку , расположенную на изотермической поверхности, за промежуток времени , и градиентом температуры устанавливается гипотезой Фурье, согласно которой:

                                                 (1)

Минус показывает, направление теплового потока температура убывает и  является величиной отрицательной. Множитель пропорциональности  называется теплопроводностью. Уравнение (1) называют основным уравнением теплопроводности или закон Фурье.

Теплопроводность  есть физический параметр вещества, характеризующий его способность проводить теплоту. Теплопроводность можно определить из уравнения:

                                                                                                            (2)

где– поверхность плотности теплового потока, Вт/м²; – температурный градиент, К/м.

Единица теплопроводности – Вт/(м´К). Числовое значение теплопроводности определяет количество теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени, при условии, что градиент температуры равен единице . Теплопроводность зависит от давления и температуры. Как показывает опыт, для многих материалов зависимость теплопроводности может быть принята линейной:

                                                                                                     (3)

где - теплопроводность при температуре, оС; - температура, оС; - температурный коэффициент, определяемый опытным путем.

Лучшими проводниками теплоты являются металлы, у которых изменяется от 3 до 458 Вт/(м´К). Теплопроводность чистых металлов за исключением алюминия