Обеспечивает небольшую воздушную прослойку имитирующую. Ограждения с воздушными прослойками. Системы отопления: виды, устройство, выбор

Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек , расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением Rв.п, м². ºС/Вт.
Схема передачи теплоты через воздушную прослойку представлена на рис.5.

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке.

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку qв.п, Вт/м², складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) qт, Вт/м², конвекцией (1) qк, Вт/м², и излучением (3) qл, Вт/м².

24. Условное и приведенное сопротивление теплопередаче. Каоффицент теплотехнической однородности ограждающих конструкций.

25. Нормирование сопротивления теплопередаче исходя из санитарно-гигиенич.условий

, R 0 = *

Нормируем Δ t н, тогда R 0 тр = * , т.е. для того, чтобы Δ t≤ Δ t н Необходимо

R 0 ≥ R 0 тр

СНиП распространяет это требование на приведенное сопротивл. теплопередаче.

R 0 пр ≥ R 0 тр

t в - расчетная температура внутреннего воздуха, °С;

приним. по нормам для проектир. здания

t н - - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92

A в (альфа)- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по СНиП

Δt н - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемых по CНиП

Требуемое сопротивление теплопередаче R тр о дверей и ворот должно быть не менее 0,6R тр о стен зданий и сооружений, определяемого по формуле (1) при расчетной зимней температуре наружного воздуха, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

При определении требуемого сопротивления теплопередаче внутренних ограждаюших конструкций в формуле (1) следует принимать вместо t н -расчетную температуру воздуха более холодного помещения.

26. Теплотехнический расчет необходимой толщины материала ограждения исходя из условий достижения требуемого сопротивления теплопередаче.

27. Влажность материала. Причины увлажнения конструкции

Влажность – физическая величина равная кол-ву воды, содержащейся в порах материала.

Бывает по массе и объемная

1)Строительная влага. (при возведении здания). Зависит от конструкции и способа возведения работ. Сплошная кирпичная кладка хуже керамических блоков. Наиболее благоприятна древесина(сборные стены). ж/б не всегда. Должна исчезнуть за 2=-3 года эксплуатации.Меры: просушка стен

Грунтовая влага. (капиллярное всасывание). Доходит до уровня 2-2,5 м. водоизолирующие слои, при правильном устройстве не влияет.

2)Грунтовая влага, проникает в ограждение из грунта вследствие капиллярного всасывания

3)Атмосферная влага . (косой дождь,снег). Особенно важно у крыш и карнизов.. сплошные кирпичные стены не требуют защиты при правильно сделанной расшивке.ж/б, легкобетонные панели внимание на стыки и оконные блоки, фактурный слой из водонепроницаемых материалов. Защита=защитная стенка на откосе

4)Эксплуатационная влага . (в цехах промышленных зданий, в основном в полах и ниж части стен)решение: водонепроницаемые полы, устройство водоотвода, облицовка нижней части керамической плиткой, водонепроницаемая штукатурка. Защита=защитная облицовка с внутр. стороны

5)Гигроскопическая влага . Обусловлена повышенной гигроскопичностью мат.-лов(свойство поглощать водяные пары из влажн.воздуха)

6)Конденсация влаги из воздуха :а)на поверхность ограждения.б)в толще ограждения

28. Влияние влажности на свойства конструкций

1)С повышением влажности повышается теплопроводность конструкции.

2)Влажностные деформации. Влажность гораздо хуже, чем тепловое расширение. Отслаивание штукатурки в рез-те скопившейся влаги под ней, затем влага замерзает, расширяется в объеме и отрывает штукатурку. Невлагостойкие мат-лы при увлажнении деформируются. Например гипс при повыш влажности приобретает ползучесть., фанера набухание, расслаивание.

3)Снижение долговечности-кол-ва лет безотказной работы конструкции

4)Биологические повреждения (грибок, плесень)из-за выпадения росы

5)Потеря эстетического вида

Следовательно при выборе материалов учитывают их влажностный режим и выбирают материалы с наим влажностью. Также чрезмерная влажность в помещении может вызвать распространение заболеваний и инфекций.

С технической точки зрения, приводит к потерям долговечности и конструкции и ее морозостойких св-в. Некоторые материалы при повышенной влажности теряют механическую прочность, меняют форму. Например гипс при повыш влажности приобретает ползучесть., фанера набухание, расслаивание. Коррозия металла. ухудшение внешнего вида.

29. Сорбция водяного пара строит. матер. Механизмы сорбции. Гистерезис сорбции.

Сорбция - процесс поглощения водяного пара, который приводит к равновесному влажностному состоянию материала с воздухом. 2 явления. 1. Поглощение в результате соударения молекулы пар с поверхностью пор и прилипание к этой поверхности(адсорбция)2. Прямое растворение влаги в объеме тела(абсорбция). Влажность увеличивается с увеличением относительной упругости и понижением температуры. «десорбция» если влаж.образец поместить в эксикаторы (раствор серной кислоты), то он отдает влагу.

Механизмы сорбции:

1.Адсорбция

2.Капиллярная конденсация

3.Объемное заполнение микропор

4.Заполнение межслоевого пространства

1 стадия. Адсорбция-это явление, при котором поверхность пор покрывается одним или несколькими слоями молекул воды.(в мезопорах и макропорах).

2 стадия. Полимолекулярная адсорбция - образуется многослойный адсорбированный слой.

3 стадия. Капиллярная конденсация.

ПРИЧИНА. Давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью меньше, чем над плоской поверхностью жидкости. В капиллярах малого радиуса влага образует вогнутые миниски, поэтому появляется возможность капиллярной конденсации. Если D>2*10 -5 см, то капиллярной конденсации не будет.

Десорбция – процесс естественного высушивания материала.

Гистерезис («различие») сорбции заключается в различии изотермы сорбции, полученной при увлажнении материала от изотермы десорбции, полученной от высушенного материала. показывает % разницу между весовой влажностью при сорбции и вес влажностью десорбции (десорбция 4.3%,сорбция 2,1%, гистерезис 2,2%)при увлажнении изотермы сорбции. При высыхании десорбции.

30. Механизмы влагопереноса в материалах стройконструкций. Паропроницаемость, капиллярное всасыванье воды.

1.В зимнее время из-за разности температур и при разных парциальных давлениях через ограждение проходит поток водяного пара (от внутренней поверхности к наружной)-диффузия водяного пара. Летом наоборот.

2. Конвективный перенос водяного пара (с потоком воздуха)

3. Капилярный перенос воды (просачивание) сквозь пористые матер.

4. Гравитационный протечки воды сквозь трещины , отверстия, макропоры.

Паропроницаемость – сво-во материала или конструкции, выполненой из них, пропускать сквозь себя водяной пар.

Коэф.поропроницаемости - Физич. величина численно равная кол-ву пара, прошедшего через пластину при единичной площади, при единичном перепаде давления, при единичной толщине пластины, при единичном времени при перепаде парциального давления на сторонах пластины е 1 Па.. При уменьш. Температуры, мю уменьшается, при повыш.влажности мю увелич.

Сопротивление паропроницанию: R=толщина/мю

Мю -коэф паропроницаемости (определяется по СНИПу 2379 теплотехника)

Капиллярное всасывание воды стройматериалами – обеспечивает постоянный перенос жидкой влаги сквозь пористые материалы из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Чем тоньше капилляры, тем больше сила капилярного всасывания, но в целом скорость переноса уменьшается.

Капилярный перенос может быть уменьшен или устранен путем устройства соответствующего барьера (небольш. воздушные прослойка или капилярно-неактивный слой(непористый)).

31. Закон Фика. Коэффициент паропроницаемости

P(количество пара, г) = (eв-eн)F*z*(мю/толщину),

Мю – коэф. паропроницаемости (определяется по СНИПу 2379 теплотехника)

Физич. величина численно равная кол-ву пара, прошедшего через пластину при единичной площади, при единичном перепаде давления, при единичной толщине пластины, при единичном времени при перепаде парциального давления на сторонах пластины е 1 Па.[мг/(м 2 *Па)].Наименьшее мю имеет руберойд 0.00018, наибольшее мин.вата=0,065г/м*ч*мм.рт.ст., оконное стекло и металлы паронепроницаемы, воздух наибольшая паропрониц-ть. При уменьш. Температуры, мю уменьшается, при повыш.влажности мю увелич. Зависит от физич свойства материала и отражает его способность проводить диффундирующий через него водяной пар. Анизотропные материалы имеют разные мю(у дерева вдоль волокон=0,32,поперек=0,6).

Эквивалентное сопротивление паропроницанию ограждения при последовательном расположении слоев. Закон Фика.

Q=(e 1 -e 2)/R n qR n1n =(e n1n-1 -e 2)

32 Расчет распределения парциального давления водяного пара по толщине конструкции.

Тепловлагопередача через наружные ограждения

Основы теплопередачи в здании

Перемещение теплоты всегда происходит от более теплой среды к более холодной. Процесс переноса теплоты из одной точки пространства в другую за счет разности температуры называется теплопередачей и является собирательным, так как включает в себя три элементарных вида теплообмена: теплопроводность (кондукцию), конвекцию и излучение . Таким образом, потенциалом переноса теплоты является разность температуры .

Теплопроводность

Теплопроводность - вид передачи теплоты между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразными вещества. Таким образом, теплопроводность - это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом. При изучении теплопроводности вещество рассматривается как сплошная масса, его молекулярное строение игнорируется. В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.

Большинство строительных материалов являются пористыми телами . В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, то есть переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости. Внутри поры между поверхностями ее стенок происходит лучистый теплообмен. Передача теплоты излучением в порах материалов определяется главным образом размером пор, потому что чем больше поры, тем больше разность температуры на ее стенках. При рассмотрении теплопроводности характеристики этого процесса относят к общей массе вещества: скелету и порам совместно.

Ограждающие конструкции здания, как правило, является плоско-параллельными стенками , теплоперенос в которых осуществляется в одном направлении. Кроме того, обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит при стационарных тепловых условиях , то есть при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов. Поэтому важно рассмотреть процесс одномерной стационарной теплопроводности в однородном материале , который описывается уравнением Фурье:

где q T - поверхностная плотность теплового потока , проходящего через плоскость, перпендикулярную тепловому потоку , Вт/м 2 ;

λ - теплопроводность материала , Вт/м. о С;

t - температура, изменяющаяся вдоль оси x, оС;

Отношение , носит название градиента температуры , о С/м, и обозначается grad t . Градиент температуры направлен в сторону возрастания температуры, которое связано с поглощением теплоты и уменьшением теплового потока. Знак минус, стоящий в правой части уравнения (2.1), показывает, что увеличение теплового потока не совпадает с увеличением температуры.

Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения (2.1) теплопроводность материала - это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м 2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 о С/м (рис.1). Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м. о С.

Изотермы; - ------ - линии тока теплоты.

Изменение теплопроводности строительных материалов с изменением их плотности происходит из-за того, что практически любой строительный материал состоит из скелета - основного строительного вещества и воздуха. К.Ф. Фокин для примера приводит такие данные: теплопроводность абсолютно плотного веществе (без пор) в зависимости от природы имеет теплопроводность от 0,1 Вт/м о С (у пластмассы) до 14 Вт/м о С (у кристаллических веществ при потоке теплоты вдоль кристаллической поверхности), в то время как воздух имеет теплопроводность около 0,026 Вт/м о С. Чем выше плотность материала (меньше пористость), тем больше значение его теплопроводности. Понятно, что легкие теплоизоляционные материалы имеют сравнительно небольшую плотность.

Различия в пористости и в теплопроводности скелета приводит к различию в теплопроводности материалов, даже при одинаковой их плотности. Например, следующие материалы (табл.1) при одной и той же плотности, ρ 0 =1800 кг/м 3 , имеют различные значения теплопроводности:

Таблица 1.

Теплопроводность материалов с одинаковой плотностью 1800 кг/м 3 .

С уменьшением плотности материала его теплопроводность l уменьшается, так как снижается влияние кондуктивной составляющей теплопроводности скелета материала, но, однако при этом возрастает влияние радиационной составляющей. Поэтому, уменьшение плотности ниже некоторого значения приводит к росту теплопроводности. То есть существует некоторое значение плотности, при котором теплопроводность имеет минимальное значение. Существуют оценки того, что при 20 о С в порах диаметром 1мм теплопроводность излучением составляет 0,0007 Вт/ (м°С), диаметром 2 мм - 0,0014 Вт/ (м°С) и т.д. Таким образом, теплопроводность излучением становится значимой у теплоизоляционных материалов с малой плотностью и значительными размерами пор.

Теплопроводность материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Увеличение теплопроводности материалов объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением. В строительной практике зависимость теплопроводности от температуры большого значения не имеет.д.ля пересчета значений теплопроводности материалов, полученных при температуре до 100 о С, на значения их при 0 о С служит эмпирическая формула О.Е. Власова:

λ о = λ t / (1+β . t), (2.2)

где λ о - теплопроводность материала при 0 о С;

λ t - теплопроводность материала при t о С;

β - температурный коэффициент изменения теплопроводности, 1/ о С, для различных материалов, равный около 0,0025 1/ о С;

t - температура материала, при которой его коэффициент теплопроводности равен λ t .

Для плоской однородной стенки толщиной δ (рис.2) тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однородную стенку, может быть выражен уравнением:

где τ 1 ,τ 2 - значения температуры на поверхностях стенки, о С.

Из выражения (2.3) следует, что распределение температуры по толщине стенки линейное. Величина δ/λ названа термическим сопротивлением материального слоя и обозначена R Т , м 2. о С/Вт:

Рис.2. Распределение температуры в плоской однородной стенке

Следовательно, тепловой поток q Т , Вт/м 2 , через однородную плоскопараллельную стенку толщиной δ , м, из материала с теплопроводностью λ, Вт/м. о С, можно записать в виде

Термическое сопротивление слоя - это сопротивление теплопроводности, равное разности температуры на противоположных поверхностях слоя при прохождении через него теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

Теплообмен теплопроводностью имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.

Конвекция

Конвекция - перенос теплоты движущимися частицами вещества. Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называют конвективным теплообменом.

Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существенную роль. При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.

Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором - за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов, ветра).

Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться процессом естественной конвекции, но так как интенсивность вынужденной конвекции заметно превосходит интенсивность естественной, то при рассмотрении вынужденной конвекции естественной часто пренебрегают.

В дальнейшем будут рассматриваться только стационарные процессы конвективного теплообмена, предполагающие постоянство во времени скорости и температуры в любой точке воздуха. Но так как температура элементов помещения изменяется довольно медленно, полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на процесс нестационарного теплового режима помещения , при котором в каждый рассматриваемый момент процесс конвективного теплообмена на внутренних поверхностях ограждений считается стационарным. Полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на случай внезапной смены природы конвекции от естественной к вынужденной, например, при включении в помещении рециркуляционного аппарата нагрева помещения (фанкойла или сплит-системы в режиме теплового насоса). Во-первых, новый режим движения воздуха устанавливается быстро и, во-вторых, требуемая точность инженерной оценки процесса теплообмена ниже возможных неточностей от отсутствия коррекции теплового потока в течение переходного состояния.

Для инженерной практики расчетов для отопления и вентиляции важен конвективный теплообмен между поверхностью ограждающей конструкции или трубы и воздухом (или жидкостью). В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока (рис.3) применяют уравнения Ньютона:

, (2.6)

где q к - тепловой поток, Вт, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот;

t a - температура воздуха, омывающего поверхность стенки, о С;

τ - температура поверхности стенки, о С;

α к - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Рис.3 Конвективный теплообмен стенки с воздухом

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, a к - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, равной 1 о С.

При таком подходе вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи, a к . Естественно, что величина этого коэффициента является функцией многих аргументов. Для практического использования принимаются весьма приближенные значения a к .

Уравнение (2.5) удобно переписать в виде:

где R к - сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление R к является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи a к :

Излучение

Излучение (лучистый теплообмен) - перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту (рис.4).

Рис.4. Лучистый теплообмен между двумя поверхностями

Любое физическое тело, имеющее температуру отличную от абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию в виде электромагнитных волн. Свойства электромагнитного излучения характеризуются длиной волны. Излучение, которое воспринимается как тепловое и имеющее длины волн в диапазоне 0,76 - 50 мкм, называется инфракрасным.

Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, между наружными поверхностями различных зданий, поверхностями земли и неба. Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора. Во всех этих случаях лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, является воздух.

В практике расчетов теплового потока при лучистом теплообмене используют упрощенную формулу. Интенсивность передачи теплоты излучением q л, Вт/м 2 , определяется разностью температуры поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене:

, (2.9)

где τ 1 и τ 2 - значения температуры поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой, о С;

α л - коэффициент лучистой теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Коэффициент теплоотдачи излучением, a л - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от одной поверхности к другой путем излучения при разности между температурой поверхностей, равной 1 о С.

Введем понятие сопротивления лучистой теплоотдачеR л на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхностях ограждений, обменивающихся лучистой теплотой, при прохождении с поверхности на поверхность теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 .

Тогда уравнение (2.8) можно переписать в виде:

Сопротивление R л является величиной обратной коэффициенту лучистой теплоотдачи a л :

Термическое сопротивление воздушной прослойки

Для внесения единообразия сопротивление теплопередаче замкнутых воздушных прослоек , расположенных между слоями ограждающей конструкции, называют термическим сопротивлением R в. п, м 2. о С/Вт.

Схема передачи теплоты через воздушную прослойку представлена на рис.5.

Рис.5. Теплообмен в воздушной прослойке

Тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку q в. п , Вт/м 2 , складывается из потоков, передаваемых теплопроводностью (2) q т , Вт/м 2 , конвекцией (1) q к , Вт/м 2 , и излучением (3) q л, Вт/м 2 .

q в. п =q т +q к +q л . (2.12)

При этом доля потока, передаваемого излучением самая большая. Рассмотрим замкнутую вертикальную воздушную прослойку, на поверхностях которой разность температуры составляет 5 о С. С увеличением толщины прослойки от 10 мм до 200 мм доля теплового потока за счет излучения возрастает с 60% до 80%. При этом доля теплоты, передаваемой путем теплопроводности, падает от 38% до 2%, а доля конвективного теплового потока возрастает с 2% до 20% .

Прямой расчет этих составляющих достаточно громоздок. Поэтому в нормативных документах приводятся данные о термических сопротивлениях замкнутых воздушных прослоек, которые в 50-х годах ХХ века была составлена К.Ф. Фокиным по результатам экспериментов М.А. Михеева. При наличии на одной или обеих поверхностях воздушной прослойки теплоотражающей алюминиевой фольги, затрудняющей лучистый теплообмен между поверхностями, обрамляющими воздушную прослойку, термическое сопротивление следует увеличить в два раза. Для увеличения термического сопротивления замкнутыми воздушными прослойками рекомендуется иметь в виду следующие выводы из исследований:

1) эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины;

2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну большой;

3) воздушные прослойки желательно располагать ближе к наружной поверхности ограждения, так как при этом в зимнее время уменьшается тепловой поток излучением;

4) вертикальные прослойки в наружных стенах необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий;

5) для сокращения теплового потока, передаваемого излучением, можно одну из поверхностей прослойки покрывать алюминиевой фольгой, имеющей коэффициент излучения около ε=0,05. Покрытие фольгой обеих поверхностей воздушной прослойки практически не уменьшает передачу теплоты по сравнению с покрытием одной поверхности.

Вопросы для самоконтроля

1. Что является потенциалом переноса теплоты?

2. Перечислите элементарные виды теплообмена.

3. Что такое теплопередача?

4. Что такое теплопроводность?

5. Что такое коэффициент теплопроводности материала?

6. Напишите формулу теплового потока, передаваемого теплопроводностью в многослойной стенке при известных температурах внутренней t в и наружной t н поверхностей.

7. Что такое термическое сопротивление?

8. Что такое конвекция?

9. Напишите формулу теплового потока, передаваемого конвекцией от воздуха к поверхности.

10. Физический смысл коэффициента конвективной теплоотдачи.

11. Что такое излучение?

12. Напишите формулу теплового потока, передаваемого излучением от одной поверхности к другой.

13. Физический смысл коэффициента лучистой теплоотдачи.

14. Как называется сопротивление теплопередаче замкнутой воздушной прослойки в ограждающей конструкции?

15. Из тепловых потоков какой природы состоит общий тепловой поток через воздушную прослойку?

16. Какой природы тепловой поток превалирует в тепловом потоке через воздушную прослойку?

17. Как влияет толщина воздушной прослойки на распределение потоков в ней.

18. Как уменьшить тепловой поток через воздушную прослойку?

Передача тепла через воздушную прослойку при разности температур на ее противоположных поверхностях происходит путем конвекции, излучения и теплопроводности (рис. 1.12).

Теплопроводность неподвижного воздуха очень мала и если бы в воздушных прослойках воздух находился в состоянии покоя, их термическое сопротивление было бы очень высоким. В действительности, в воздушных прослойках ограждающих конструкций воздух всегда движется, например, у более теплой поверхности вертикальных прослоек он перемещается вверх, а у холодной - вниз. В прослойках с движущимся воздухом количество тепла, передаваемого путем теплопроводности, очень мало по сравнению с теплопередачей путем конвекции.

По мере увеличения толщины воздушной прослойки количество тепла, передаваемого путем конвекции, возрастает, поскольку влияние трения воздушных струек о стенки уменьшается. Ввиду этого для воздушных прослоек не существует характерной для твердых материалов прямой пропорциональности между увеличением толщины слоя и значением его термического сопротивления.

При передаче тепла конвекцией от более теплой поверхности воздушной прослойки к более холодной, преодолевается сопротивление двух пограничных слоев воздуха, прилегающих к этим поверхностям, поэтому значение коэффициента, который можно было бы принять для свободной конвекции у какой-либо поверхности, уменьшается вдвое.

Количество лучистого тепла, передаваемого от более теплой поверхности к более холодной, не зависит от толщины воздушной прослойки; как говорилось ранее, оно определяется коэффициентом излучения поверхностей и разностью, пропорциональной четвертым степеням их абсолютных температур (1.3).

В общем виде поток тепла Q, передаваемый через воздушную прослойку, может быть выражен таким образом:

где α к - коэффициент теплообмена при свободной конвекции; δ - толщина прослойки, м; λ - коэффициент теплопроводности воздуха в прослойке, ккал·м·ч/град; α л - коэффициент теплообмена за счет излучения.

На основании экспериментальных исследований обычно трактуют величину коэффициента теплопередачи воздушной прослойки как вызванную теплообменом, происходящим путем конвекции и теплопроводности:

но зависящую преимущественно от конвекции (здесь λ экв - условная эквивалентная теплопроводное™ воздуха в прослойке); тогда при постоянном значении Δt термическое сопротивление воздушной прослойки R в.п будет:
Явления конвективного теплообмена в воздушных прослойках зависят от их геометрической формы, размеров и направления потока тепла; особенности этого теплообмена могут быть выражены величиной безразмерного коэффициента конвекции ε, представляющего отношение эквивалентной теплопроводности к теплопроводности неподвижного воздуха ε=λ экв /λ.

Путем обобщения с помощью теории подобия большого количества экспериментальных данных М. А. Михеевым установлена зависимость коэффициента конвекции от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, т. е.:

Коэффициенты теплопередачи α к ", полученные из выражения

установленного на основе этой зависимости при t ср =+10°, приведены для температурного перепада на поверхностях прослойки, Δt=10° в табл. 1.6.

Относительно небольшие величины коэффициентов передачи тепла через горизонтальные прослойки при потоке тепла сверху вниз (например, в цокольных перекрытиях отапливаемых зданий) объясняются малой подвижностью воздуха в таких прослойках; наиболее теплый воздух сосредоточивается у более нагретой верхней поверхности прослойки, затрудняя конвективный теплообмен.

Величина передачи тепла излучением α л, определяемая на основе формулы (1.12), зависит от коэффициентов излучения и температуры; для получения α л в плоских протяженных прослойках достаточно умножить приведенный коэффициент взаимооблучения С" на соответствующий температурный коэффициент принятый по табл. 1.7.

Так, например, при С"=4,2 и средней температуре прослойки, равной 0°, получим α л =4,2·0,81=3,4 ккал/м 2 ·ч·град.

В летних условиях величина α л увеличивается, а термическое сопротивление прослоек уменьшается. Зимой, для прослоек, расположенных в наружной части конструкций, отмечается обратное явление.

Для применения в практических расчетах нормы строительной теплотехники ограждающих конструкций СНиП приводят значения термических сопротивлений замкнутых воздушных прослоек

указанные в табл. 1.8.

Величины R в.пр, приведенные в таблице, соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°. При разности температур 8°, величина R в.пр умножается на коэффициент 1,05, а при разности 6° - на 1,10.

Приведенные данные о термическом сопротивлении относятся к замкнутым плоским воздушным прослойкам. Под замкнутыми понимаются воздушные прослойки, ограниченные непроницаемыми материалами, изолированные от проницания воздуха извне.

Поскольку пористые строительные материалы воздухопроницаемы, к замкнутым могут быть отнесены, например, воздушные прослойки в конструктивных элементах из плотного бетона или других плотных материалов, практически не пропускающих воздуха при тех величинах разности давлений, которые типичны для эксплуатируемых зданий.

Экспериментальные исследования показывают, что термическое сопротивление воздушных прослоек в кирпичной кладке снижается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8. При недостаточном заполнении швов между кирпичами раствором (например, при выполнении работ в зимних условиях) воздухопроницаемость кладки может возрасти, а термическое сопротивление воздушных прослоек приблизиться к нулю. Достаточная защита конструкций с воздушными прослойками от воздухопроницания является совершенно необходимой для обеспечения требуемых теплофизических свойств ограждающих конструкций.

Иногда в бетонных или керамических блоках предусматривают прямоугольные пустоты небольшой длины, часто приближающиеся к квадратной форме. В таких пустотах передача лучистого тепла возрастает за счет дополнительного излучения боковых стенок. Прирост величины α л незначителен при отношении длины прослойки к ее толщине, равной 3:1 или более; в пустотах квадратной или круглой формы этот прирост достигает 20%. Эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий передачу тепла конвекцией и излучением в квадратных и круглых пустотах значительных размеров (70-100 мм) существенно возрастает, в связи с чем использование таких пустот в материалах с ограниченной теплопроводностью (0,50 ккал/м·ч·град и менее) не имеет смысла с точки зрения теплофизики. Применение квадратных или круглых пустот указанного размера в изделиях из тяжелых бетонов имеет главным образом экономическое значение (уменьшение веса); это значение утрачивается для изделий из легких и ячеистых бетонов, поскольку использование таких пустот может привести к понижению термического сопротивления ограждающих конструкций.

В противоположность этому, применение плоских тонких воздушных прослоек, особенно при многорядном их расположении в шахматном порядке (рис. 1.13), целесообразно. При однорядном размещении воздушных прослоек более эффективно их расположение в наружной части конструкции (если обеспечена ее воздухонепроницаемость), поскольку термическое сопротивление таких прослоек в холодный период года возрастает.

Применение воздушных прослоек в утепленных цокольных перекрытиях над холодными подпольями более рационально, чем в наружных стенах, поскольку передача тепла конвекцией в горизонтальных прослойках этих конструкций существенно уменьшается.

Теплофизическая эффективность воздушных прослоек в летних условиях (защита от перегрева помещений) снижается по сравнению с холодным периодом года; однако эта эффективность возрастает за счет использования прослоек, вентилируемых в ночное время наружным воздухом.

При проектировании полезно иметь в виду, что ограждающие конструкции с воздушными прослойками обладают меньшей влажностной инерцией по сравнению со сплошными. В сухих условиях конструкции с воздушными прослойками (вентилируемыми и замкнутыми) быстро подвергаются естественной сушке и приобретают дополнительные теплозащитные свойства за счет малой влажности материала; во влажных помещениях наоборот - конструкции с замкнутыми прослойками могут сильно переувлажняться, что связано с потерей теплофизических качеств и вероятностью преждевременного их разрушения.

Из предыдущего изложения было видно, что передача тепла через воздушные прослойки в большой мере зависит рт излучения. Однако применение отражательной изоляции с ограниченной долговечностью (алюминиевой фольги, окраски и т. д.) для повышения термического сопротивления воздушных прослоек может быть целесообразным только в конструкциях сухих зданий с ограниченным сроком службы; в сухих капитальных зданиях дополнительный эффект отражательной изоляции также полезен, но следует учитывать, что даже при утрате ее отражательных качеств теплофизические свойства конструкций должны быть не менее требуемых с тем, чтобы обеспечить нормальную эксплуатацию конструкций.

В каменных и бетонных конструкциях с большой начальной влажностью (а также во влажных помещениях) использование алюминиевой фольги, утрачивает смысл, так как ее отражательные свойства могут быть быстро нарушены из-за коррозии алюминия во влажной щелочной среде. Применение отражательной изоляции наиболее эффективно в горизонтальных замкнутых воздушных прослойках при направлении потока тепла сверху вниз (цокольные перекрытия и т. д.), т. е. в том случае, когда конвекция почти отсутствует и передача тепла происходит в основном путем излучения.

Отражательной изоляцией достаточно покрыть только одну из поверхностей воздушной прослойки (более теплую, сравнительно гарантированную от эпизодического появления конденсата, быстро ухудшающего отражательные свойства изоляции).

Возникающие иногда предложения о теплофизической целесообразности разделения воздушных прослоек по толщине экранами из тонкой алюминиевой фольги в целях резкого уменьшения потока лучистого тепла не могут быть использованы для ограждающих конструкций капитальных зданий, поскольку малая эксплуатационная надежность такой теплозащиты не соответствует необходимой долговечности конструкций указанных зданий.

Расчетное значение термического сопротивления воздушной прослойки с отражательной изоляцией на более теплой поверхности повышается примерно вдвое по сравнению с величинами, указанными в табл. 1.8.

В южных районах конструкции с воздушными прослойками обладают достаточной эффективностью в отношении защиты помещений от перегрева; применение отражательной изоляции приобретает в этих условиях особенно большой смысл, поскольку превалирующая часть тепла передается в жаркое время года излучением. Целесообразно в целях повышения теплозащитных свойств ограждений и снижения их веса, экранировать наружные стены многоэтажных зданий лучеотражающими долговечными отделками (например, полированными алюминиевыми листами) с тем, чтобы под экранами была расположена воздушная прослойка, другая поверхность которой покрыта окрасочной или иной экономичной отражательной изоляцией.

Усиление конвекции в воздушных прослойках (например, за счет активного вентилирования их наружным воздухом, поступающим с затененных, озелененных и обводненных участков прилегающей территории) превращается для летнего периода в положительный теплофизический процесс, в противоположность зимним условиям, когда этот вид переноса тепла, в большинстве случаев, совершенно нежелателен.

ВОЗДУШНАЯ ПРОСЛОЙКА , один из видов изолирующих слоев, уменьшающих теплопроводность среды. В последнее время значение воздушной прослойки особенно возросло в связи с применением в строительном деле пустотелых материалов. В среде, разделенной воздушной прослойкой, тепло передается: 1) путем лучеиспускания поверхностей, прилегающих к воздушной прослойке, и путем теплоотдачи между поверхностью и воздухом и 2) путем переноса тепла воздухом, если он подвижен, или путем передачи тепла одними частицами воздуха другим вследствие теплопроводности его, если он неподвижен, причем опыты Нуссельта доказывают, что более тонкие прослойки, в которых воздух может считаться почти неподвижным, обладают меньшим коэффициентом теплопроводности k, чем более толстые прослойки, но с возникающими в них конвекционными течениями. Нуссельт дает следующее выражение для определения количества тепла, передаваемого в час воздушной прослойкой:

где F - одна из поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку; λ 0 - условный коэффициент, числовые значения которого, зависящие от ширины воздушной прослойки (е), выраженной в м, даются в прилагаемой табличке:

s 1 и s 2 - коэффициенты лучеиспускания обеих поверхностей воздушной прослойки; s - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 4,61; θ 1 и θ 2 - температуры поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку. Подставляя в формулу соответствующие значения, можно получить нужные для расчетов величины k (коэффициент теплопроводности) и 1/k (изолирующей способности) воздушных прослоек различной толщины. С. Л. Прохоров составил по данным Нуссельта диаграммы (см. фиг.), показывающие изменение величин k и 1/k воздушных прослоек в зависимости от их толщины, причем наивыгоднейшим участком является участок от 15 до 45 мм.

Меньшие воздушные прослойки практически трудноосуществимы, а большие дают уже значительный коэффициент теплопроводности (около 0,07). Следующая таблица дает величины k и 1/k для различных материалов, причем для воздуха дано несколько значений этих величин в зависимости от толщины слоя.

Т. о. видно, что часто бывает выгоднее делать несколько более тонких воздушных прослоек, чем применять те или другие изолирующие слои. Воздушная прослойка толщиной до 15 мм может считаться изолятором с неподвижным слоем воздуха, при толщине 15-45 мм - с почти неподвижным и, наконец, воздушные прослойки толщиной свыше 45-50 мм должны признаваться прослойками с возникающими в них конвекционными течениями и потому подлежащими расчету на общем основании.

Контрольная работа

по теплофизике № 11

Термическое сопротивление воздушной прослойки

1. Доказать, что линия снижения температуры в толще многослойного ограждения в координатах «температура - термическое сопротивление» является прямой

2. От чего зависит термическое сопротивление воздушной прослойки и почему

3. Причины, вызывающие возникновение разности давления с одной и другой стороны ограждения

температура сопротивление воздух прослойка ограждение

1. Доказать, что линия снижения температуры в толще многослойного ограждения в координатах «температура - термическое сопротивление» является прямой

Пользуясь уравнением сопротивления теплопередаче ограждения можно определить толщину одного из его слоев (чаще всего утеплителя - материала с наименьшим коэффициентом теплопроводности), при котором ограждение будет иметь заданную (требуемую) величину сопротивления теплопередаче. Тогда требуемое сопротивление утеплителя можно вычислить как, где - сумма термических сопротивлений слоев с известными толщинами, а минимальную толщину утеплителя - так: . Для дальнейших расчетов толщину утеплителя необходимо округлять в большую сторону кратно унифицированным (заводским) значениям толщины того или иного материала. Например, толщину кирпича - кратно половине его длины (60 мм), толщину бетонных слоев - кратно 50 мм, а толщину слоев из иных материалов - кратно 20 или 50 мм в зависимости от шага, с которым они изготавливаются на заводах. При ведении расчетов сопротивлениями удобно пользоваться из-за того, что распределение температур по сопротивлениям будет являться линейным, а значит расчеты удобно вести графическим способом. В этом случае угол наклона изотермы к горизонту в каждом слое одинаков и зависит только от соотношения разности расчетных температур и сопротивления теплопередачи конструкции. А тангенс угла наклона есть не что иное как плотность теплового потока, проходящего через данное ограждение: .

При стационарных условиях плотность теплового потока постоянна во времени, и значит, где R х - сопротивление части конструкции, включающее сопротивление теплообмену внутренней поверхности и термические сопротивления слоев конструкции от внутреннего слоя до плоскости, на которой ищется температура.

Тогда. Например, температура между вторым и третьим слоем конструкции может быть найдена так: .

Приведенные сопротивления теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций или их участков (фрагментов) следует определять по справ очнику, приведенные сопротивления плоских ограждающих конструкций с теплопроводными включениями также следует определять по справ очнику.

2. От чего зависит термическое сопротивление воздушной прослойки и почему

Происходит помимо передачи тепла теплопроводностью и конвекцией в воздушной прослойке еще и непосредственное излучение между поверхностями, ограничивающими воздушную прослойку.

Уравнение теплообмена излучением: , где б л - коэффициент передачи тепла излучением, в большей степени зависящий от материалов поверхностей прослойки (чем ниже коэффициенты излучения материалов, тем меньше и б л) и средней температуры воздуха в прослойке (с увеличением температуры растет коэффициент теплопередачи излучением).

Таким образом, где л экв - эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки. Зная л экв, можно определить термическое сопротивление воздушной прослойки. Впрочем, сопротивления R вп можно определить и по справ очнику. Они зависят от толщины воздушной прослойки, температуры воздуха в ней (положительной или отрицательной) и вида прослойки (вертикальной или горизонтальной). О количестве тепла, передаваемого теплопроводностью, конвекцией и излучением через вертикальные воздушные прослойки, можно судить по следующей таблице.

Толщина прослойки, мм	Плотность теплового потока, Вт/м 2	Количество тепла в %, передаваемого	Эквивалентный коэффициент теплопроводности, м о С/Вт	Термическое сопротивление прослойки, Вт/м 2о С
		теплопроводностью	конвекцией	излучением
Примечание: приведенные в таблице величины соответствуют температуре воздуха в прослойке, равной 0 о С, разности температур на ее поверхностях 5 о С и коэффициенту излучения поверхностей С=4,4.

Таким образом, при проектировании наружных ограждений с воздушными прослойками необходимо учитывать следующее:

1) увеличение толщины воздушной прослойки мало влияет на уменьшение количества тепла, проходящего через нее, и эффективными в теплотехническом отношении являются прослойки небольшой толщины (3-5 см);

2) рациональнее делать в ограждении несколько прослоек малой толщины, чем одну прослойку большой толщины;

3) толстые прослойки целесообразно заполнять малотеплопроводными материалами для увеличения термического сопротивления ограждения;

4) воздушная прослойка должна быть замкнутой и не сообщаться с наружным воздухом, то есть вертикальные прослойки необходимо перегораживать горизонтальными диафрагмами на уровне междуэтажных перекрытий (более частое перегораживание прослоек по высоте практического значения не имеет). Если есть необходимость устройства прослоек, вентилируемых наружным воздухом, то они подлежат особому расчету;

5) вследствие того, что основная доля тепла, проходящего через воздушную прослойку, передается излучением, прослойки желательно располагать ближе к наружной стороне ограждения, что повышает их термическое сопротивление;

6) кроме того, более теплую поверхность прослойки рекомендуется покрывать материалом с малым коэффициентом излучения (например, алюминиевой фольгой), что значительно уменьшает лучистый поток. Покрытие же таким материалом обеих поверхностей практически не уменьшает передачу тепла.

3. Причины, вызывающие возникновение разности давления с одной и другой стороны ограждения

В зимнее время воздух в отапливаемых помещениях имеет температуру более высокую, чем наружный воздух, и, следовательно, наружный воздух обладает большим объемным весом (плотностью) по сравнению с внутренним воздухом. Эта разность объемных весов воздуха и создает разности его давлений с двух сторон ограждения (тепловой напор). Воздух попадает в помещение через нижнюю часть наружных его стен, а уходит из него через верхнюю часть. В случае воздухонепроницаемости верхнего и нижнего ограждений и при закрытых проемах разность давлений воздуха достигает максимальных значений у пола и под потолком, а на середине высоты помещения равна нулю (нейтральная зона).

Подобные документы

Тепловой поток, проходящий через ограждение. Сопротивления тепловосприятию и теплоотдаче. Плотность теплового потока. Термическое сопротивление ограждения. Распределение температур по сопротивлениям. Нормирование сопротивления теплопередаче ограждений.

контрольная работа , добавлен 23.01.2012


Передача тепла через воздушную прослойку. Малый коэффициент теплопроводности воздуха в порах строительных материалов. Основные принципы проектирования замкнутых воздушных прослоек. Меры по повышению температуры внутренней поверхности ограждения.

реферат , добавлен 23.01.2012


Сопротивление от трения в буксах или подшипниках полуосей троллейбусов. Нарушение симметрии распределения деформаций по поверхности колеса и рельса. Сопротивление движению от воздействия воздушной среды. Формулы для определения удельного сопротивления.

лекция , добавлен 14.08.2013


Изучение возможных мер по повышению температуры внутренней поверхности ограждения. Определение формулы по расчету сопротивления теплопередаче. Расчетная температура наружного воздуха и теплопередача через ограждение. Координаты "температура-толщина".

контрольная работа , добавлен 24.01.2012


Проект релейной защиты линии электропередачи. Расчет параметров ЛЭП. Удельное индуктивное сопротивление. Реактивная и удельная емкостная проводимость воздушной лини. Определение аварийного максимального режима при однофазном токе короткого замыкания.

курсовая работа , добавлен 04.02.2016


Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Удельный тепловой поток Термическое сопротивление теплопроводности трехслойной плоской стенки. Графический метод определения температур между слоями. Определение констант интегрирования.

презентация , добавлен 18.10.2013


Влияние числа Био на распределение температуры в пластине. Внутреннее, внешнее термическое сопротивление тела. Изменение энергии (энтальпии) пластины за период полного ее нагревания, остывания. Количество теплоты, отданное пластиной в процессе охлаждения.

презентация , добавлен 15.03.2014


Потери напора на трение в горизонтальных трубопроводах. Полная потеря напора как сумма сопротивления на трение и местные сопротивления. Потери давления при движении жидкости в аппаратах. Сила сопротивления среды при движении шарообразной частицы.

презентация , добавлен 29.09.2013


Проверка теплозащитных свойств наружных ограждений. Проверка на отсутствие конденсации на внутренней поверхности наружных стен. Расчет тепла на нагрев воздуха, поступающего инфильтрацией. Определение диаметров трубопроводов. Термическое сопротивление.

курсовая работа , добавлен 22.01.2014


Электрическое сопротивление - основная электрическая характеристика проводника. Рассмотрение измерения сопротивления при постоянном и переменном токе. Изучение метода амперметра-вольтметра. Выбор метода, при котором погрешность будет минимальна.