Основы теплофизики

Контрольная работа Основы теплофизики Вариант № 3

1. Коэффициент теплопроводности Коэффициент теплопроводности л характеризует степень теплопроводности материалов. Его физический смысл можно зафиксировать следующим образом: л — это количество тепловой энергии, проходящее через 1 м² сечения материала толщиной 1 м за 1 с при разности температур на его краях, равной 1 оС или л — это плотность теплового потока, приходящаяся на единичный градиент температуры. То есть, чем больше л материала, тем он лучше пропускает тепло через свою массу. Единица измерения коэффициента теплопроводности — Вт/моС (или Вт/мК). Величина коэффициента теплопроводности строительных материалов варьируется в пределах от 0,04 (для пенистых материалов) до 3,5 (для гранита, базальта) и не является постоянной даже для одного и того же материала, так как зависит от его объемного веса, влажности, температуры, а также направления теплового потока, проходящего через него.

2. Коэффициент теплоотдачи у наружной поверхности ограждения Воздух обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения. Нагретые потоки воздуха поднимаются вверх, охлажденные опускаются вниз, вызывая общую подвижность и перемешивание воздуха в помещении. Подача и удаление воздуха системами вентиляции усиливает этот процесс. Такое движение воздуха и является основой конвективного теплообмена. В большинстве помещений в результате перемешивания воздуха наблюдается сравнительно равномерное распределение температуры воздуха tв в плане и по высоте, что позволяет принимать одинаковое значение температуры tв при расчете теплообмена на всех поверхностях. Исключения составляют помещения с большими теплоизбытками или струйной подачей воздуха, при которых имеет место неравномерность распределения температуры по высоте или в плане помещения. В результате различных аэродинамических явлений в помещении могут быть разные формы конвективного теплообмена. Во многих случаях обмен теплом воздуха с нагретыми или охлажденными поверхностями происходит в режиме естественной конвекции, при которой движение частиц среды обуславливается разностью температур и, как следствие, неодинаковой плотностью среды. В условиях принудительного движения воздуха вдоль поверхностей, связанного, например, с воздействием ветра, продуванием воздуха вентилятором, теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекции. Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться и естественной конвекцией, но из-за того, что интенсивность вынужденного процесса заметно больше, то при его рассмотрении естественной конвекцией часто пренебрегают. Количество тепла, передаваемого конвекцией, зависит от характера движения среды, ее плотности, вязкости и температуры, состояния поверхности твердого тела, величины температурного перепада между жидкостью или газом и поверхностью. В практических расчетах для определения количества тепла, передаваемого при конвективном теплообмене между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела, можно пользоваться формулой

Дж (или, Вт/м2),

где Дt — разность температур между газом или жидкостью и поверхностью тела; бк — коэффициент теплоотдачи конвекцией, показывающий количество тепла, передаваемое от жидкости или газа к 1 м² поверхности твердого тела за 1 секунду при единичной разности температур между жидкостью и газом и поверхностью. Для определения величины бк для различных случаев конвективного теплообмена можно пользоваться или эмпирическими формулами, имеющими, однако, ограниченную область применения, или «критериями подобия», вытекающими из дифференциальных уравнений теплопередачи. Необходимо отметить, что характер передачи тепла конвекцией различен у внутренней и наружной поверхностей ограждения. У внутренней поверхности — естественная конвекция, вызываемая разностью температур воздуха и поверхности, у наружной поверхности превалирует вынужденная конвекция, вызываемая действием ветра. Поэтому и формулы для определения бк будут разными для внутренней и наружной поверхностей ограждения. То есть, а. На наружных поверхностях ограждающих конструкций конвективный теплообмен в большей степени связан с вынужденным движением воздуха, поэтому для определения коэффициента нужно знать расчетную скорость ветра для зимних условий. Чаще всего этот коэффициент находят по следующей формуле:

(е — основание натуральных логарифмов).

3. Коэффициент излучения

Qизл= 1/Т изл Излучение может происходить в газообразной среде или в пустоте. Тепловое излучение представляет собой перенос энергии в виде электромагнитных волн между двумя взаимно излучающими поверхностями. Вследствие того, что строительные материалы являются в своей основе твердыми телами, передача тепла через ограждающие конструкции зданий осуществляется главным образом теплопроводностью. Аналитическая теория теплопроводности игнорирует молекулярное строение вещества и рассматривает его как сплошную массу. То есть при том, что подавляющее большинство строительных материалов представляет собой пористые тела, в порах которых возможны все виды теплопередачи, при теплотехнических расчетах считается, что распространение тепла в материалах происходит лишь по законам теплопроводности. Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках, а также у поверхностей, отделяющих конструкцию от внутреннего и наружного воздуха. Интенсивность излучения тепла поверхностью тела зависит от ее температуры и излучательной способности тела. Количество тепла, изучаемого нагретой поверхностью тела, определяется формулой

Дж (или, Вт/м2),

где Т — температура поверхности, К, С — коэффициент излучения поверхности, Вт/(м2К4). Коэффициент излучения строительных материалов зависит от химического состава материала. С другой стороны, количество лучистого тепла, проходящего через 1 м² ограждения за 1 секунду, равно, Вт/м2, где бл — коэффициент лучистого теплообмена поверхности стены в помещении, показывающий количество тепла, передаваемое от одной поверхности единичной площади к другой за 1 секунду при разности температур этих поверхностей 1 К. Этот коэффициент учитывает излучательные способности поверхностей, их температуру и взаиморасположение; его можно определить по формуле:

C0 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67; епр — приведенный относительный коэффициент излучения при теплообмене между двумя серыми поверхностями. Он зависит от взаимного расположения двух взаимно облучаемых поверхностей и от значений их относительных коэффициентов излучения е (степени черноты,; b — температурный коэффициент, корректирующий расхождение между разностью температур двух поверхностей. Его значение можно определить исходя из средней температуры теплообменивающихся поверхностей; ц1−2 — коэффициент облученности с одной поверхности на другую, показывает долю лучистого потока, падающую на поверхность 2, от всего потока, излучаемого поверхностью 1. Он зависит от расположения облучаемых поверхностей относительно друг друга.

4. Удельная теплоёмкость материала, её зависимость от влажности Теплоемкость-это свойство материалов поглощать тепло при повышении температуры. Показателем теплоемкости является удельная теплоемкость материала «с». Удельная теплоемкость показывает количество тепла в ккал, которое необходимо сообщить 1 кг данного материала, чтобы повысить температуру всей его массы на 1градус. Удельная теплоемкость имеет размерность ккал/кг*град. Удельная теплоемкость материала зависит от его влажности. С повышением влажности материала повышается и его теплоемкость, что объясняется присутствием воды, имеющей теплоемкость, значительно превышающую теплоемкость строительных материалов. Зависимость удельной теплоемкости материала от его влажности выражается формулой: теплопроводность теплоотдача излучение С=С0 +0.01wв/1+0.01wв Где судельная теплоемкость материала при влажности wв, С0- удельная теплоемкость этого же материала в сухом состоянии Wввесовая влажность материала в % Если строительный материал состоит из нескольких различных материалов, то его удельная теплоемкость определяется по формуле:

С= с1Р1 + с2Р2+ с3Р3+…/Р1+Р2+Р3+…

Где с1, с2.-удельные теплоемкости составляющих материалов Р1, Р2,.- весовые части составляющих материалов

5. Зависимость коэффициента теплопроводности от плотности материала Плотность материала дает возможность приблизительно оценить теплопроводность материала. Коэффициент теплопроводности воздуха, содержащегося в порах материала, имеет очень незначительную теплопроводность по сравнению с основным веществом материала (л воздуха зависит главным образом от размера и формы пор и имеет значения примерно 0,025−0,03 Вт/моС). Таким образом, чем меньше пор в материале, а, следовательно, чем больше его объемный вес, тем больше и его коэффициент теплопроводности, и наоборот.