Виды теплообмена: коэффициент теплопередачи. Теплопередача - это что такое? Виды, способы, расчет теплопередачи

Тепловая энергия является термином, который мы используем для описания уровня активности молекул в объекте. Повышенная возбужденность, так или иначе, связана с увеличением температуры, в то время как в холодных объектах атомы перемещаются намного медленней.

Примеры теплопередачи можно встретить повсюду - в природе, технике и повседневной жизни.

Примеры передачи тепловой энергии

Самым большим примером передачи тепла является солнце, которое согревает планету Земля и все, что на ней находится. В повседневной жизни можно встретить массу подобных вариантов, только в гораздо менее глобальном смысле. Итак, какие же примеры теплопередачи можно наблюдать в быту?

Вот некоторые из них:

Тепло - это движение

Тепловые потоки находятся в постоянном движении. Основными способами их передачи можно назвать конвенцию, излучение и проводимость. Давайте рассмотрим эти понятия более подробно.

Что такое проводимость?

Возможно, многие не раз замечали, что в одном и том же помещении ощущения от прикосновения с полом могут быть совершенно разные. Приятно и тепло ходить по ковру, но если зайти в ванную комнату босыми ногами, ощутимая прохлада сразу дает чувство бодрости. Только не в том случае, где есть подогрев полов.

Так почему же плиточная поверхность мерзнет? Это все из-за теплопроводности. Это один из трех типов передачи тепла. Всякий раз, когда два объекта различных температур находятся в контакте друг с другом, тепловая энергия будет проходить между ними. Примеры теплопередачи в этом случае можно привести следующие: держась за металлическую пластину, другой конец которой будет помещен над пламенем свечи, со временем можно почувствовать жжение и боль, а в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

Факторы проводимости

Хорошая или плохая проводимость зависит от нескольких факторов:

• Вид и качество материала, из которого сделаны предметы.
• Площадь поверхности двух объектов, находящихся в контакте.
• Разница температур между двумя объектами.
• Толщина и размер предметов.

В форме уравнения это выглядит следующим образом: скорость передачи тепла к объекту равна теплопроводности материала, из которого изготовлен объект, умноженной на площадь поверхности в контакте, умноженной на разность температур между двумя объектами и деленной на толщину материала. Все просто.

Примеры проводимости

Прямая передача тепла от одного объекта к другому называются проводимостью, а вещества, которые хорошо проводят тепло, называются проводниками. Некоторые материалы и вещества плохо справляются с этой задачей, их называют изоляторами. К ним относят древесину, пластмассу, стекловолокно и даже воздух. Как известно, изоляторы фактически не останавливают поток тепла, а просто его замедляют в той или иной степени.

Конвекция

Такой как конвекция, происходит во всех жидкостях и газах. Можно встретить такие примеры теплопередачи в природе и в быту. Когда жидкость нагревается, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности. Теплые молекулы текучей среды начинают двигаться вверх, в то время как охладитель (более плотная жидкость) начинает тонуть. После того как прохладные молекулы достигают дна, они опять получают свою долю энергии и снова стремятся к вершине. Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

Примеры теплопередачи в природе можно привести следующие: при помощи специального оборудованной горелки теплый воздух, наполняя пространство воздушного шара, может поднять всю конструкцию на достаточно большую высоту, все дело в том, что теплый воздух легче холодного.

Излучение

Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем.

Излучение - это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. Примеры теплопередачи в быту можно рассмотреть при помощи обычной антенны. Как правило, то, что хорошо излучает, также хорошо и поглощает. Что касается Земли, то она принимает энергию от солнца, а затем отдает ее обратно в космос. Эта энергия излучения называется земной радиацией, и это то, что делает возможной саму жизнь на планете.

Примеры теплопередачи в природе, быту, технике

Передача энергии, в частности тепловой, является фундаментальной областью исследования для всех инженеров. Излучение делает Землю пригодной для обитания и дает возобновляемую солнечную энергию. Конвекция является основой механики, отвечает за потоки воздуха в зданиях и воздухообмен в домах. Проводимость позволяет нагревать кастрюлю, всего лишь поставив ее на огонь.

Многочисленные примеры теплопередачи в технике и природе очевидны и встречаются повсюду в нашем мире. Практически все из них играют большую роль, особенно в области машиностроения. Например, при проектировании системы вентиляции здания инженеры высчитывают теплоотдачу здания в его окрестностях, а также внутреннюю передачу тепла. Кроме того, они выбирают материалы, которые сводят к минимуму или максимизируют передачу тепла через отдельные компоненты для оптимизации эффективности.

Испарение

Когда атомы или молекулы жидкости (например, воды) подвергаются воздействию значительного объема газа, они имеют тенденцию самопроизвольно войти в газообразное состояние или испариться. Это происходит потому, что молекулы постоянно движутся в разных направлениях при случайных скоростях и сталкиваются друг с другом. В ходе этих процессов некоторые из них получают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы отталкиваться от источника нагревания.

Однако не все молекулы успевают испариться и стать водяным паром. Все зависит от температуры. Так, вода в стакане будет испаряться медленнее, чем в нагреваемой на плите кастрюле. Кипение воды значительно увеличивает энергию молекул, что, в свою очередь, ускоряет процесс испарения.

Основные понятия

• Проводимость - это передача тепла через вещество при непосредственном контакте атомов или молекул.
• Конвекция - это передача тепла за счет циркуляции газа (например, воздуха) или жидкости (например, воды).
• Излучение - это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.
• Испарение - это процесс, при котором атомы или молекулы в жидком состоянии получают достаточно энергии, чтобы стать газом или паром.
• - это газы, которые задерживают тепло солнца в атмосфере Земли, производя парниковый эффект. Выделяют две основные категории - это водяной пар и углекислый газ.
• - это безграничные ресурсы, которые быстро и естественно пополняются. Сюда можно отнести следующие примеры теплопередачи в природе и технике: ветры и энергию солнца.
• Теплопроводность - это скорость, с которой материал передает тепловую энергию через себя.
• Тепловое равновесие - это состояние, в котором все части системы находятся в одинаковом температурном режиме.

Применение на практике

Многочисленные примеры теплопередачи в природе и технике (картинки выше) указывают на то, что эти процессы должны быть хорошо изучены и служили во благо. Инженеры применяют свои знания о принципах передачи тепла, исследуют новые технологии, которые связаны с использованием возобновляемых ресурсов и являются менее разрушительными для окружающей среды. Ключевым моментом является понимание того, что перенос энергии открывает бесконечные возможности для инженерных решений и не только.

В1 виды передачи тепла

Теория теплообмена – это наука о процессах переноса теплоты. Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно расчленить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – происходит при непосредственном соприкосновении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов, свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии. Теплопроводность в газах и жидкостях незначительна. Значительно интенсивнее протекают процессы теплопроводности в твёрдых телах. Тела с малой теплопроводностью называют теплоизоляционными.

Конвекция – происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос теплоты в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью.

Если перемещение частиц жидкости или газа обуславливается разностью их плотностей (из-за разности температур), то такое перемещение называют естественной конвекцией.

Если жидкость или газ перемещаются с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции.

Тепловое излучение состоит в переносе теплоты от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающих в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своём пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (повышая их температуру).

В2 Закон фурье и коэффициент теплопроводности

Изучая процессы распространения тепла в твёрдых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданного тепла пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространению тепла .

Если количество переданного тепла отнести к единице сечения и единице времени, то можно записать:

Уравнение (1.6) является математическим выражением основного закона теплопроводности – закона Фурье . Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности. Знак минус указывает, что вектор теплового потока направлен в сторону, противоположную температурному градиенту.

Коэффициент теплопроводности

Множитель пропорциональности  в уравнении (1.6) является коэффициентом теплопроводности. Он характеризует физические свойства тела и способность его проводить тепло:

(1.7)

Величина  представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте равном единице.

Для различных веществ коэффициент теплопроводности различный и зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других факторов. В практических расчётах коэффициент теплопроводности строительных материалов надлежит принимать п СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника».

Для примера:

для газов -  = 0,0050,5 [Вт/мС]

для жидкостей -  = 0,080,7 [Вт/мС]

строительные материалы и теплоизоляторы -  = 0,023,0 [Вт/мС]

для металлов -  = 20400 [Вт/мС]

В3 Теплопроводность

Теплопрово́дность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.

Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог проводимости.

Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности (удельной теплопроводностью) . Численно эта характеристика равна количеству теплоты, проходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м 2 , за единицу времени (секунду) при единичном температурном градиенте.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием теплорода от одного тела к другому. Однако более поздние опыты, в частности нагрев пушечных стволов при сверлении, опровергли реальность существования теплорода как самостоятельного вида материи. Соответственно, в настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов занять состояние более близкое к термодинамическому равновесию, что выражается в выравнивании их температуры.

На практике нужно также учитывать проводимость тепла за счет конвекции молекул и проникаемости излучений. Например, при полной нетеплопроводности вакуума, тепло может передаваться за счет излучения (пример - Солнце, установки инфракрасного излучения). А газ или жидкость могут обмениваться нагретыми или охлажденными слоями самостоятельно или искусственно (пример - фен, греющие вентиляторы). Так же в конденсированных средах возможно «перепрыгивание» фононов из одного твердого тела в другое через субмикронные зазоры, что способствует распространению звуковых волн и тепла, даже если зазоры представляют собой идеальный вакуум.

В4Конвективный теплообмен конвективный теплообмен может происходить только в подвижных средах – капельных жидкостях и газах. Обычно подвижную среду условно называют жидкостью независимо от агрегатного состояния вещества.

Тепловой поток Q , Вт, передаваемый при конвективном теплообмене, определяется по формуле Ньютона-Рихмана:

Q =  F ( t ж - t ) , (2.1)

где:  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2 С;

F – площадь поверхности теплообмена, м 2 ;

t ж и t – соответственно температуры жидкости и поверхности стенки, С.

Разность температур ( t ж - t ) иногда называют температурным напором .

Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты, которое передаётся конвекцией через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре в 1С и имеет размерность [Дж/см 2 С] или [Вт/м 2 С].

или кинематического ( =  /  ), коэффициента объёмного расширения  ;

Скорости движения жидкости w ;

Температур жидкости и стенки t ж и t ;

Формы и линейных размеров омываемой стенки (Ф , l 1 Величина коэффициента теплоотдачи зависит от множества факторов, а именно:

Характера (режима) движения жидкости (ламинарный или турбулентный);

Природы возникновения движения (естественное или вынужденное);

Физических свойств движущейся среды – коэффициента теплопроводности  , плотности  , теплоёмкости с , коэффициента вязкости динамического ( ), l 2 ,...).

Таким образом, в общем виде можно записать: = f (w,  ,с,  ,  ,  , t ж , t ,Ф ,l 1 ,l 2 ,...). (2.2)

Критерий Нуссельта . Устанавливает соотношение интенсивности переноса теплоты конвекцией ( ) и теплопроводностью ( ) на границе твёрдое тело – жидкость:Nu =  l /  . (2.3)

Критерий Прандтля . Характеризует механизмы переноса теплоты в жидкости (зависит от физических свойств жидкости):Pr =  / a =  c  /  . (2.4)

Величина a =  / c  носит название коэффициента температуропроводности .

Критерий Рейнольдса . Устанавливает соотношение инерционных и вязких сил в жидкости и характеризует гидродинамический режим движения жидкости. R=V*l/ню Re = wl /  .

При Re <2300 режим движения ламинарный, при Re >10 4 - турбулентный, при 2300<Re <10 4 режим движения переходной от ламинарного к турбулентному.

Критерий Грасгофа . Характеризует соотношение подъёмных сил, возникающих вследствие разности плотностей жидкости и сил вязкости. Разность плотностей обусловлена различием температур жидкости в её объёме:Gr = gl 3  t  /  2 .

Во всех уравнениях, приведенных выше, величина l – характерный размер, м.

Уравнения, связывающие числа подобия, называются критериальными и в общем виде записываются следующим образом:Nu = f ( Re , Gr , Pr ) . (2.7)

Критериальное уравнение конвективного теплообмена при вынужденном движении жидкости имеет вид:Nu = cRe m Gr n Pr p . (2.8)

А при свободном движении среды:Nu = dGr k Pr r . (2.9)

В этих уравнениях коэффициенты пропорциональности c и d , а также показатели степени при критериях подобия m , n , p , k и r устанавливаются экспериментальным путём.

В5 теплообмен излучением

Носителями лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различной длиной волн. Излучать электромагнитные волны способны все тела, имеющие температуру, отличную от абсолютного нуля. Излучение – это результат внутриатомных процессов. При попадании на другие тела энергия излучения частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Доли энергии поглощённой, отражённой и проходящей от количества её падающей на тело обозначаются соответственно A , R и D .

Очевидно, что A +R +D =1.

Если R =D =0, то такое тело называют абсолютно чёрным .

Если отражательная способность тела R =1 и отражение подчиняется законам геометрической оптики (т.е. угол падения луча равен углу отражения), то такие тела называются зеркальными . Если же отражённая энергия рассеивается по всем возможным направлениям, то такие тела называются абсолютно белыми .

Тела, для которых D =1 называют абсолютно прозрачными (диатермичными).

Законы теплового излучения

Закон Планка устанавливает зависимость поверхностной плотности потока монохроматического излучения абсолютно чёрного тела E 0  от длины волны  и абсолютной температуры T .

Закон Стефана-Больцмана . Экспериментально (И.Стефан в 1879 г.) и теоретически (Л.Больцман в 1881 г.) установили, что плотность потока собственного интегрального излучения абсолютно чёрного тела E 0 прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвёртой степени, т.е.:

где  0 – постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710 -8 Вт/м 2 К 4 ;

С 0 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,67 Вт/м 2 К 4 .

Индекс «0» во всех приведенных уравнениях означает, что рассматривается абсолютно чёрное тело. Реальные тела всегда серые. Отношение  =С/С 0 называют степенью черноты тела, оно изменяется в диапазоне от 0 до 1.

Применительно к серым телам закон Стефана-Больцмана приобретает вид: (2.11)

Величина степени черноты  зависит главным образом от природы тела, температуры и состояния его поверхности (гладкая или шероховатая).

Закон Ламберта . Максимальное излучение единицей поверхности происходит по направлению нормали к ней. Если Q n - количество энергии, излучаемое по нормали к поверхности, а Q  - по направлению, образующему угол  с нормалью, то, по закону Ламберта:Q  = Q n  cos  . (2.12)

Закон Кирхгофа . Отношение излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А для всех тел одинаковое и равно излучательной способности абсолютно чёрного тела Е 0 при той же температуре:Е/А=Е 0 = f ( T ) .

В6Сложный теплообмен и теплопередача

Рассмотренные элементарные виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) на практике, как правило, протекают одновременно. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью, излучение часто сопровождается конвекцией. Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен .

В теплотехнических расчётах при сложном теплообмене часто используют общий (суммарный) коэффициент теплоотдачи  0 , представляющим собой сумму коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, учитывающим действие конвекции, теплопроводности  к , и излучения  л , т.е  0 = к + л .

В этом случае расчётная формула для определения теплового потока имеет вид:

Q =(  к + л )( t ж - t с )=  0 ( t ж - t с ) . (2.14)

Но если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то

 л =0 и  0 = к . (2.15)

Теплопередача

В теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передаётся через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей .

Примерами такого сложного теплообмена могут быть: теплообмен между водой (или паром) в отопительном приборе и воздухом в помещении; между воздухом в помещении и наружным воздухом.

В7 термическое сопротивление одно и многослойных конструкций

Рассмотрим этот вид сложного теплообмена

Теплопередача через плоскую однослойную стенку.

Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды t ж1 , температура холодной среды t ж2 . Температура поверхностей стенки неизвестны: обозначим их как t с1 и t с2 (рис. 2.1).

Передача теплоты в рассматриваемом примере представляет собой процесс сложного теплообмена и состоит как бы из трёх этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости или газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде (жидкости или газу). При этом полагается, что поверхностные плотности тепловых потоков в трёх указанных этапах одни и те же, если стенка плоская и режим теплообмена стационарный.

Величина k называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м 2 поверхности при разнице температур между средами 1К. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R , м 2 К/Вт:

Эта формула показывает, что общее термическое сопротивление равно сумме частных сопротивлений.

В8 Теплотехнический расчет огр конструкций

Цель расчета:подобрать такие нар ограж конструк которые соответ ли бы требов снип тепловая защита зданий 23.02.2003

Определить толщину теплоизоляции

Требования сопротивления теплопередачи исходя из санит гигеиниче-х условий

Где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху по табл. 3* , см. также табл.4 настоящего пособия;

t в - расчетная температура внутреннего воздуха, о С, принимаемая согласно ГОСТ 12.1.005-88 и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений (см. также прил. 2);

t н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, о С, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 по СНиП 23-01-99 (см. прил. 1);

Δ t н - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, о С, принимаемый по табл. 2*, см. также табл. 3 настоящего пособия;

α в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемый по табл. 4*, см. также табл. 5.

Из условий энергосбережения R о тр принимается для всех остальных видов зданий по табл. 2 в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) , определяемых по формуле

ГСОП= (t в - t от.пер. ) z от.пер. , (5а)

где t в - то же, что в формуле (5);

t от.пер. -средняя температура, о С, отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8 о С по СНиП 23-01-99 (см. также прил. 1);

z от.пер. - продолжительность, сут, отопительного периода со средней суточной температурой воздуха ниже Общее (приведенное) термическое сопротивление однослойной ограждающей конструкции R o , м 2 · о С/Вт, равно сумме всех отдельных сопротивлений, т. е.

где α в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 · о С), определяемый по табл. 4* , см. также табл. 5 настоящего пособия;

α н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м 2 · о С), определяемый по табл. 6* , см. также табл. 6 настоящего пособия;

R к - термическое сопротивление однослойной конструкции, определяемое по формуле (2).

Термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче) R , м 2 · о С /Вт, - важнейшее теплотехническое свойство ограждения. Оно характеризуется разностью температур внутренней и наружной поверхности ограждения, через 1 м 2 которого проходит 1 ватт тепловой энергии (1 килокалория в час).

где δ - толщина ограждения, м;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м· о С.

Чем больше термическое сопротивление ограждающей конструкции, тем лучше её теплозащитные свойства. Из формулы (2) видно, что для увеличения термического сопротивления R необходимо либо увеличить толщину ограждения δ , либо уменьшить коэффициент теплопроводности λ , то есть использовать более эффективные материалы. Последнее более выгодно из экономических соображений.

В9 Понятие микроклимата. Теплообмен чел и условия комфорт.нормат требо

Под микроклиматом помещения понимается совокупность теплового, воздушного и влажностного режимов в их взаимосвязи. Основное требование к микроклимату – поддержание благоприятных условий для людей, находящихся в помещении. В результате протекающих в организме человека процессов обмена веществ освобождается энергия в виде теплоты. Эта теплота (с целью поддержания постоянной температуры тела человека) должна быть передана окружающей среде. При обычных условиях более 90% вырабатываемой теплоты отдаётся окружающей среде (50% - излучением, 25% - конвекцией, 25% - испарением) и менее 10% теплоты теряется в результате обмена веществ.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от микроклимата помещения, характеризующегося:

Температурой внутреннего воздуха t в ;

Радиационной температурой помещения (осреднённой температурой его ограждающих поверхностей) t R ;

Скоростью движения (подвижностью) воздуха v ;

Относительной влажностью воздуха  в .

Сочетания этих параметров микроклимата, при которых сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции называют комфортными или оптимальными .

Наиболее важно поддерживать в помещении в первую очередь благоприятные температурные условия, так как подвижность и относительная влажность имеют, как правило, несущественные колебания.

Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микроклимата, при которых человек может ощущать небольшой дискомфорт.

Часть помещения, в которой человек находится основное рабочее время, называют обслуживаемой или рабочей зоной . Тепловые условия в помещении завися главным образом от т.е. от его температурной обстановки, которую принято характеризовать условиями комфортности .

Первое условие комфортности – определяет такую область сочетаний t в и t R , при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Для спокойного состояния человека t в =21…23, при лёгкой работе – 19..21, при тяжёлой – 14…16С.

Для холодного периода года первое условие характеризуется формулой:

t R =1,57 t п -0,57 t в  1,5 где: t п =( t в + t R )/ 2.

Второе условие комфортности – определяет допустимые температуры нагретых и охлаждённых поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.

Во избежание недопустимого радиационного перегрева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой температуры:

Или охлаждены до температуры:, (3.3)

где:  - коэффициент облучённости от поверхности элементарной площадки на голове человека в сторону нагретой или охлаждённой поверхности.

Температура поверхности холодного пола зимой может быть лишь на 2-2,5С ниже температуры воздуха помещения вследствие большой чувствительности ног человека к переохлаждению, но и не выше 22-34С в зависимости от назначения помещений.

Основные нормативные требования к микроклимату помещений содержатся в нормативных документах: СНиП 2.04.05-91 (с изменениями и дополнениями), ГОСТ 12.1.005-88.

При определении расчетных метеорологических условий в помещении учитывается способность человеческого организма к акклиматизации в разное время года, интенсивности выполняемой работы и характер тепловыделений в помещении. Расчётные параметры воздуха нормируются в зависимости от периода года. Различают три периода года:

Холодный (среднесуточная температура наружного воздуха t н <+8С);

Переходный (-"– t н =8С);

Тёплый (-"– t н >8С);

Оптимальные и допустимые метеорологические условия (температура внутреннего воздуха t в ) в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне - 28С (если расчётная температура наружного воздуха больше 25С – допускается до 33С).

Оптимальные значения относительной влажности воздуха – 40-60%.

Оптимальные скорости воздуха в помещении для холодного периода – 0,2-0,3 м/с, для тёплого периода – 0,2-0,5 м/с.

В10Системы инженерного оборуд зданий для создания и обес зад микроклим

Требуемый микроклимат в помещениях создаётся следующими системами инженерного оборудования зданий: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Системы отопления служат для создания и поддержания в помещениях в холодный период года необходимых температур воздуха, регламентируемых соответствующими нормами. Т.е. они обеспечивают необходимый тепловой режим помещений.

В тесной связи с тепловым режимом помещений находится воздушный режим, под которым понимают процесс обмена воздухом между помещениями и наружным воздухом.

Системы вентиляции предназначены для удаления из помещений загрязнённого и подачу в них чистого воздуха. При этом расчётная температура внутреннего воздуха не должна меняться. Системы вентиляции состоят из устройств для нагревания, увлажнения и осушения приточного воздуха.

Системы кондиционирования воздуха являются более совершенными средствами создания и обеспечения в помещении улучшенного микроклимата, т.е. заданных параметров воздуха: температуры, влажности и чистоты при допустимой скорости движения воздуха в помещении независимо от наружных метеорологических условий и переменных по времени вредных выделений в помещениях. Системы кондиционирования воздуха состоят из устройств термовлажностной обработки воздуха, очистки его от пыли, биологических загрязнений и запахов, перемещения и распределения воздуха в помещении, автоматического управления оборудованием и аппаратурой.

В11 основная формула для расчета теплопотерь чз огр конструкции

Q t = F/R* (tв - tн)* (1+b)* n , где

Qt - количество тепловой энергии, передаваемое от внутреннего воздуха в помещении к

наружному воздуху, Вт

F - площадь ограждающей конструкции, м кВ

R - общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м 2 С/Вт

tв - tн - расчётная температура, соответственно внутреннего и наружного воздуха, C o

b - добавочные потери теплоты, определяемые по Приложению 9 СНиП 2.04.05-91*

n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности по отношению к наружному воздуху

В12 Обмер поверхностей ограждающих конструкций выполняется согласно:

Высота стен первого этажа при наличии пола, расположенного:

на грунте - Между уровнями полов первого и второго этажей

на лагах - От верхнего уровня подготовки пола первого этажа до уровня пола второго этажа

при наличии не отапливаемого подвала - От уровня нижней поверхности конструкции пола первого этажа до уровня пола второго этажа

Высота стен промежуточного этажа:

между уровнями полов данного и вышележащего этажей

Высота стен верхнего этажа:

от уровня пола до верха утепляющего слоя чердачного перекрытия

Длина наружных стен по внешнему периметру здания:

в угловых помещениях – от линии пересечения наружных поверхностей стен до осей внутренних стен

в не угловых помещения - между осями внутренних стен

Длина и ширина потолков и полов над подвалами и подпольями:

между осями внутренних стен и от внутренней поверхности наружной стены, до оси внутренней стены в не угловых и угловых помещениях

Ширина и высота окон, дверей:

по наименьшим размерам в свету

В13Расчетные температуры наруж и внутре воздуха

За расчетную температуру наружного воздуха t н, °С, принимается не самая низкая средняя температура наиболее холодной пятидневки t 5 , °С, а ее значение с обеспеченностью 0,92.

Для получения этой величины выбирается наиболее холодная пятидневка в каждый год рассматриваемого отрезка п , лет (в СНиП 23-01-99* период с 1925-го по 1980-е годы). Выделенные значения температуры наиболее холодной пятидневки t 5 ранжируются в порядке убывания. Каждому значению присваивается номерт. Обеспеченность К об в общем случае вычисляется по формуле

В14Потери тепла с инфильтрующимся воздухом. Добавочные потери тепла. Удельная тепловая характеристика. n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху и определяемый по СНиП II-3-79**;

 – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь, учитываемые:

а) для наружных вертикальных и наклонных ограждений, ориентированных на направления, откуда в январе дует ветер со скоростью, превышающей 4,5 м/с с повторяемостью не менее 15% (согласно СНиП 2.01.01.-82) в размере 0,05 при скорости ветра до 5 м/с и в размере 0,10 при скорости 5 м/с и более; при типовом проектировании добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа;

б) для наружных вертикальных и наклонных ограждений многоэтажных зданий в размере 0,20 для первого и второго этажей; 0,15 – для третьего; 0,10 – для четвёртого этажа зданий с числом этажей 16 и более; для 10-15-этажных зданий добавочные потери следует учитывать в размере 0,10 для первого и второго этажей и 0,05 – для третьего этажа.

Теплопотери на нагрев инфильтрующегося воздуха

Потери тепла на нагрев инфильтрующегося воздуха Q в , кВт, рассчитываются для каждого отапливаемого помещения, имеющего одно или большее количество окон или балконных дверей в наружных стенах, исходя из необходимости обеспечения подогрева отопительными приборами наружного воздуха в объёме однократного воздухообмена в час по формуле

Q в =0,28 L инф*р*с( t в - t н )

удельная тепловая характеристика здания - это максимальный тепловой поток на отопление здания при разности температур внутренней и наружной среды в один градус Цельсия, отнесенный к 1 куб. м отапливаемого объема здания. Фактические удельные тепловые характеристики определяют по результатам испытаний или по результатам замеров фактического расхода тепловой энергии и т.д. Фактическая удельная тепловая характеристика при известных теплопотерях здания равна: q = (Qзд / (Vнар(tв - tн.p)), где Qзд - расчётные теплопотери всеми помещениями здания, Вт; Vнар - объём отапливаемого здания по внешнему обмеру, куб.м. ; tв - температура воздуха в помещении, С; tн.p - температура наружного воздуха, С."

В15Вредные выделения от людей солнечной радиации и др. быт источников

Определение тепловыделений. К основным видам тепловыделений относятся теплопоступления от людей, в результате перехода механической энергии в тепловую, от нагретого оборудования, от остывающих материалов и других предметов, ввозимых в производственное помещение, от источников освещения, от продуктов сгорания, от солнечной радиации и т. д.

Выделение теплоты людьми зависит от затрачиваемой ими энергии и температуры воздуха в помещении. Данные для мужчин приведены в табл. 2.3. Тепловыделения женщин составляют 85%, а детей - в среднем 75% от тепловыделений мужчин.

В16классификация систем отопления. Теплоносители

Система отопления (СО) представляет собой комплекс элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты в обогреваемые помещения. Каждая СО включает в себя три основных элемента (рис. 6.1): теплогенератор 1, служащий для получения теплоты и передачи её теплоносителю; система теплопроводов 2 для транспортировки по ним теплоносителя от теплогенератора к отопительным приборам; отопительные приборы 3, передающие теплоту от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения 4.

В качестве теплогенератора для СО может служить отопительный котельный агрегат, в котором сжигается топливо, а выделяющаяся теплота передаётся теплоносителю, или любой другой теплообменный аппарат, использующий иной, чем в СО теплоноситель.

Требования к СО:

- санитарно-гигиенические – обеспечение требуемых соответствующими нормами температур воздуха в помещении и поверхностей наружных ограждений;

- экономические – обеспечение минимума приведенных затрат по сооружению и эксплуатации, минимальный расход металла;

- строительные – обеспечение соответствия архитектурно-планировочным и инструктивным решениям здания;

- монтажные – обеспечение монтажа индустриальными методами с максимальным использованием унифицированных узлов заводского изготовления при минимальном количестве типоразмеров;

- эксплуатационные – простота и удобство обслуживания, управления и ремонта, надёжность, безопасность и бесшумность действия;

- эстетические – хорошая сочетаемость с внутренней архитектурной отделкой помещения, минимальная площадь, занимаемая СО.

В естественных условиях передача внутренней энергии тем теплообмена всегда происходит в строго определенном направлении: от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Когда же температуры тел становятся одинаковыми, наступает состояние теплового равновесия: тела обмениваются энергией в равных количествах.

Совокупность явлений, связанных с переходом тепловой энергии из одних частей пространства в другие, который обусловлен различием температур этих частей, называют в общем случае теплообменом. В природе существует несколько видов теплообмена. Существуют три способа передачи количества теплоты от одного тела к другому: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность.

Поместим в пламя спиртовки конец металлического стержня. К стержню на равных расстояниях друг от друга прикрепим с помощью воска несколько спичек. При нагревании одного конца стержня восковые шарики плавятся, и спички одна за другой падают. Это свидетельствует о том, что, внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Рисунок 1 Демонстрация процесса теплопроводности

Выясним причину этого явления.

При нагревании конца стержня интенсивность движения частиц, из которых состоит металл, возрастает, их кинетическая энергия увеличивается. Вследствие хаотичности теплового движения они сталкиваются с более медленными частицами соседнего холодного слоя металла и передают им часть своей энергии. В результате этого внутренняя энергия передается от одного конца стержня к другому.

Передача внутренней энергии от одной части тела к другой в результате теплового движения его частиц называется теплопроводностью.

Конвекция

Передача внутренней энергии путем теплопроводности происходит главным образом в твердых телах. В жидких и газообразных телах передача внутренней энергии осуществляется и другими способами. Так, при нагревании воды плотность ее нижних, более горячих, слоев уменьшается, а верхние слои остаются холодными и плотность их не изменяется. Под действием сил тяжести более плотные холодные слои воды опускаются вниз, а нагретые поднимаются вверх: происходит механическое перемешивание холодных и нагретых слоев жидкости. Вся вода прогревается. Аналогичные процессы происходят и в газах.

Передача внутренней энергии вследствие механического перемешивания нагретых и холодных слоев жидкости или газа называется конвекцией.

Явление конвекции играет большую роль в природе и технике. Конвекционные потоки вызывают постоянное перемешивание воздуха в атмосфере, благодаря чему состав воздуха во всех местах Земли практически одинаков. Конвекционные течения обеспечивают непрерывное поступление свежих порций кислорода к пламени в процессах горения. Вследствие конвекции происходит выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении, а также воздушное охлаждение приборов при работе различной радиоэлектронной аппаратуры.

Рисунок 2 Обогрев и выравнивание температуры воздуха в жилых помещениях при отоплении вследствие конвекции

Излучение

Передача внутренней энергии может происходить и путем электромагнитного излучения. Это легко обнаружить на опыте. Включим в сеть электронагревательную печь. Она хорошо обогревает руку, когда мы подносим ее не только сверху, но и сбоку печи. Теплопроводность воздуха очень мала, а конвекционные потоки поднимаются вверх. В этом случае энергия от раскаленной электрическим током спирали в основном передается способом излучения.

Передача внутренней энергии путем излучения осуществляется не частицами вещества, а частицами электромагнитного поля - фотонами. Они не существуют внутри атомов «в готовом виде», подобно электронам или протонам. Фотоны возникают при переходе электронов из одного электронного слоя в другой, расположенный ближе к ядру, и при этом уносят с собой определенную порцию энергии. Достигая другого тела, фотоны поглощаются его атомами и целиком передают им свою энергию.

Передача внутренней энергии от одного тела к другому вследствие ее переноса частицами электромагнитного поля - фотонами, называется электромагнитным излучением. Любое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, излучает свою внутреннюю энергию в окружающее пространство. Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, резко возрастает с повышением его температуры.

Рисунок 3 Опыт, иллюстрирующий передачу внутренней энергии горячего чайника через излучение

Рисунок 4 Излучение от Солнца

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах. Теплопроводность

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы, количества движения. К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом количества движения). Для этих явлений перенос энергии, массы и количества движения всегда происходит в направлении, обратном их градиенту, т. е. система приближается к состоянию термодинамического равновесия.

Если в одной области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем в другой, то с течением времени вследствие постоянных столкновений молекул происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., иными словами, выравнивание температур.

Процесс передачи энергии в форме теплоты подчиняется закону теплопроводности Фурье: количество теплоты q, которое переносится за единицу времени через единицу площади, прямо пропорционально - градиенту температуры, равному скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площади:

, (1)

где λ - коэффициент теплопроводности или теплопроводность. Знак минус показывает, что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. Теплопроводность λ равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.

Очевидно, что теплота Q, прошедшая посредством теплопроводности через площадь S за время t, пропорциональна площади S, времени t и градиенту температуры :

Можно показать, что

(2)

где с V - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ - плотность газа, <υ> - средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, <l > - средняя длина свободного пробега.

Т.е. видно от каких причин зависит количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, например, из комнаты через стенку на улицу. Очевидно, что из комнаты на улицу передается энергии тем больше, чем больше площадь стенки S, чем больше разность температур Δt в комнате и на улице, чем больше времени t происходит теплообмен между комнатой и улицей и чем меньше толщина стенки (толщина слоя вещества) d: ~.

Кроме того, количество энергии, передаваемое путем теплопроводности, зависит от материала, из которого изготовлена стенка. Различные вещества при одинаковых условиях передают путем теплопроводности разное количество энергии. Количество энергии, которое передается путем теплопроводности через каждую единицу площади слоя вещества за единицу времени при разности температур между его поверхностями в 1°С и при его толщине в 1 м (единицу длины), может служить мерой способности вещества передавать энергию путем теплопроводности. Эту величину называют коэффициентом теплопроводности. Чем больше коэффициент теплопроводности λ, тем больше энергии передается слоем вещества. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы, несколько меньшей – жидкости. Наименьшей теплопроводностью обладает сухой воздух и шерсть. Этим и объясняются теплоизолирующие свойства одежды у человека, перьев у птицы и шерсти у животных.

Определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже). Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 градусов Цельсия. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией , полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

Теплопередача - это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

где, как и ранее, q - тепловой поток (в джоулях в секунду, т.е. в Вт), A - площадь поверхности излучающего тела (в м 2), а T 1 и T 2 - температуры (в кельвинах) излучающего тела иокружения, поглощающего это излучение. Коэффициент s называетсяпостоянной Стефана - Больцмана и равен (5,66961 х 0,00096)х10 -8 Вт/(м 2 DК 4).

Представленный закон теплового излучения справедлив лишь для идеального излучателя - так называемого абсолютно черного тела. Ни одно реальное тело таковым не является, хотя плоская черная поверхность по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу. Светлые же поверхности излучают сравнительно слабо. Чтобы учесть отклонение от идеальности многочисленных «серых» тел, в правую часть выражения, описывающего закон Стефана - Больцмана, вводят коэффициент, меньший единицы, называемый излучательной способностью. Для плоской черной поверхности этот коэффициент может достигать 0,98, а для полированного металлического зеркала не превышает 0,05. Соответственно лучепоглощательная способность высока для черного тела и низка для зеркального.

Жилые и офисные помещения часто обогревают небольшими электрическими теплоизлучателями; красноватое свечение их спиралей - это видимое тепловое излучение, близкое к границе инфракрасной части спектра. Помещение же обогревается теплотой, которую несет в основном невидимая, инфракрасная часть излучения. В приборах ночного видения применяются источник теплового излучения и приемник, чувствительный к ИК-излучению, позволяющий видеть в темноте.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце ; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения, регистрируемая год за годом станциями, расположенными во многих точках земного шара, составляет примерно 1,37 Вт/м 2 . Солнечная энергия - источник жизни на Земле. Ведутся поиски способов наиболее эффективного ее использования. Созданы солнечные батареи, позволяющие обогревать дома и получать электроэнергию для бытовых нужд.

Теплопередача - это важный физический процесс. Он предполагает перенос теплоты и является сложным процессом, который состоит из совокупности простых превращений.

Существуют определенные виды теплопередачи: конвекция, теплопроводность, тепловое излучение.

Особенности процесса

Теория теплообмена является наукой об особенностях передачи теплоты. Теплопередача - это перенос энергии в газообразных, жидких, твердых средах.

Теория о теплоте появилась в середине XVIII века. Ее автором стал М. В. Ломоносов, который сформулировал механическую теорию теплоты, воспользовавшись законом сохранения и превращения энергии.

Варианты теплообмена

Теплопередача - это составная часть теплотехники. Разные тела могут обмениваться своей внутренней энергией в форме теплоты. Вариант теплообмена является самопроизвольным процессом передачи теплоты в свободном пространстве, который наблюдается при неравномерном распределении температур.

Разность в значениях температур является обязательным условием проведения теплообмена. Распространение тепла происходит от тел, имеющих более высокую температуру, к телам, обладающим меньшим ее показателем.

Результаты исследований

Теплопередача - это процесс переноса тепла и внутри твердого тела, но при условии, что есть разность температур.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что теплопередача ограждающих конструкций является сложным процессом. Для того чтобы упростить изучение сути явлений, связанных с передачей тепла, выделяют элементарные операции: кондукцию, излучение, конвекцию.

Теплопроводность: общая информация

Чаще всего используется какой вид теплопередачи? Переносом вещества внутри тела можно изменить температуру, например, нагревая металлический стержень, увеличить скорость теплового движения атомов, молекул, повысить показатель внутренней энергии, увеличить теплопроводность материала. По мере соударения частиц происходит постепенная передача энергии, в результате чего весь стержень меняет свою температуру.

Если рассматривать газообразные и жидкие вещества, то передача энергии путем теплопроводности в них имеет незначительные показатели.

Конвекция

Такие способы теплопередачи связаны с переносом теплоты при движении в газах или жидкостях из области с одним температурным значением в область с другим ее показателем. Существует подразделение конвекции на два вида: вынужденную и свободную.

Во втором случае происходит перемещение жидкости под воздействием разности в плотностях ее отдельных частей из-за нагревания. К примеру, в помещении от горячей поверхности радиатора холодный воздух поднимается вверх, получая от батареи дополнительное тепло.

В тех случаях, когда для перемещения тепла необходимо применение насоса, вентилятора, мешалки, ведут речь о вынужденной конвекции. Прогревание по всему объему жидкости в этом случае происходит существенно быстрее, нежели при свободной конвекции.

Излучение

Какой вид теплопередачи характеризует изменение температурного показателя в газообразной среде? Речь идет о тепловом излучении.

Именно оно предполагает перенос тепла в виде электромагнитных волн, подразумевающий двойной переход тепловой энергии в излучение, затем обратно.

Особенности передачи тепла

Для того чтобы проводить расчет теплопередачи, необходимо иметь представление о том, что для теплопроводности и конвекции нужна материальная среда, а для излучения в этом нет необходимости. В процессе теплообмена между телами наблюдается уменьшение температуры у того тела, у которого этот показатель имел большую величину.

На такую же точно величину повышается температура холодного тела, что подтверждает полноценный процесс обмена энергией.

Интенсивность теплообмена зависит от разности в температурах между телами, которые обмениваются энергией. Если она практически отсутствует, процесс завершается, устанавливается тепловое равновесие.

Характеристика процесса теплопроводности

Коэффициент теплопередачи связан со степенью нагретости тела. Температурным полем называют сумму показателей температур для разных точек пространства в определенный момент времени. При изменении значения температуры в единицу времени поле является нестационарным, для неизменной величины – стационарным видом.

Изотермическая поверхность

Независимо от температурного поля, всегда можно выявить точки, имеющие одинаковое температурное значение. Геометрическое расположение их образует определенную изотермическую поверхность.

В одной точке пространства не допускается одновременного нахождения двух разных температур, поэтому изотермические поверхности не могут пересекаться между собой. Можно сделать вывод о том, что изменение в теле значения температуры проявляется лишь в тех направлениях, которые пересекают изотермические поверхности.

Максимальный скачок отмечается в направлении нормали к поверхности. Температурный градиент представляет собой отношение наибольшего показателя температур к промежутку между изотермами и является векторной величиной.

Он показывает интенсивность изменения температуры внутри тела, определяет коэффициент теплопередачи. То количество теплоты, которое будет переноситься через любую изотермическую поверхность, называют тепловым потоком.

Под его плотностью подразумевают отношение к единице площади самой изотермической поверхности. Эти величины являются векторами, противоположными по направлению.

Закон Фурье

Он является основным законом теплопроводности. Суть его заключается в пропорциональности плотности теплового потока градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел пропускать теплоту, он зависит от физических свойств вещества и его химического состава, влажности, температуры, пористости. Влага при заполнении пор стимулирует повышение теплопроводности. При высокой пористости внутри тела содержится повышенное количество воздуха, что сказывается на уменьшении показателя теплопроводности.

Определенный коэффициент сопротивления теплопередаче есть у всех материалов, найти его можно в справочниках.

Теплопроводность в твердой стенке

В качестве обязательного условия для данного процесса считается разность температур поверхностей стенки. В такой ситуации образуется поток теплоты, который направлен от стенки с большим значением температуры к поверхности стенки с небольшой температурой.

По закону Фурье тепловой поток будет пропорционален площади стенки, а также температурному напору, и обратно пропорционален толщине этой стенки.

Приведенное сопротивление теплопередаче зависит от теплопроводности материала, из которого изготовлены стенки. Если они включают в себя несколько разных слоев, их считают многослойными поверхностями.

В качестве примера подобных материалов можно назвать стены домов, где на кирпичный слой наносят внутреннюю штукатурку, а также внешнюю облицовку. В случае загрязнения наружной поверхности передающей тепловую энергию, к примеру, радиаторов либо двигателей, грязь можно рассмотреть как наложение нового слоя, имеющего незначительный коэффициент теплопроводности.

Именно из-за этого снижается теплообмен, возникает угроза перегревания работающего двигателя. Аналогичный эффект вызывает нагар и накипь. При увеличении количества слоев стенки растет ее максимальное термическое сопротивление, уменьшается величина теплового потока.

Для многослойных стенок распределение температуры является ломаной линией. Во многих теплообменных аппаратах осуществляется прохождение теплового потока через стенки круглых трубок. Если нагревающее тело движется внутри таких трубок, то в таком случае тепловой поток направлен к наружным стенкам от внутренних частей. При наружном варианте наблюдается обратный процесс.

Теплопередача: особенности процесса

Существует взаимодействие между тепловым излучением, конвекцией, теплопроводностью. Например, в процессе конвекции происходит тепловое излучение. Теплопроводность в пористых материалах невозможна без излучения и конвекции.

При проведении практических вычислений деление сложных процессов на отдельные явления не всегда целесообразно и возможно. В основном результат суммарного воздействия нескольких простейших явлений приписывают тому процессу, который считается основным в конкретном случае.

Второстепенные процессы при таком подходе учитывают только для количественных вычислений.

В современных теплообменных аппаратах происходит передача теплоты от одного вида жидкости к другой жидкости через стенку, которая их разделяет. Важным фактором, который влияет на коэффициент теплообмена, является форма стенки. Если она плоская, в таком случае можно выделить три этапа теплопередачи:

к поверхности стенки от нагревающей жидкости;теплопроводностью через стенку;к нагреваемой жидкости к поверхности стенки.

Полное термическое сопротивление теплопередачи является величиной, которая обратна коэффициенту теплопередачи.

Заключение

Теплопроводность является процессом передачи внутренней энергии от нагретых участков тела к его холодным частям. Подобный процесс осуществляется с помощью беспорядочно движущихся атомов, молекул, электронов. Такой процесс может происходить в телах, которые имеют неоднородное распределение значений температур, но будет отличаться в зависимости от агрегатного состояния рассматриваемого вещества.

Можно рассматривать данную величину в качестве количественной характеристики способности тела к провождению тепла. Удельной теплопроводностью называют количество тепла, которое может проходить через материал, имеющий толщину 1м, площадь 1 м²/сек.

Долгое время считали, что существует взаимосвязь между передачей тепловой энергии и перетеканием от тела к телу теплорода. Но после проведения многочисленных экспериментов была выявлена зависимость подобных процессов от температуры.

В реальности при проведении математических расчетов, касающихся определения количества теплоты, передаваемой разными способами, учитывают проводимость путем конвекции, а также проникающее излучение. Коэффициент теплопередачи связан со скоростью передвижения жидкости, характером движения, его природой, а также с физическими параметрами движущейся среды.

В качестве носителей лучистой энергии выступают электромагнитные колебания, имеющие разную длину волн. Излучать их могут любые тела, температура которых превышает нулевое значение.

Излучение является результатом процессов, происходящих внутри тела. При попадании его на другие тела наблюдается частичное ее поглощение и частичное поглощение телом.

Закон Планка определяет зависимость плотности поверхностного потока излучения черного тела от абсолютной температуры и длины волны.

Простейшие виды теплообмена, которые были рассмотрены выше, не существуют по отдельности, они взаимосвязаны друг с другом. Сочетание их является сложным теплообменом, который предполагает серьезное изучение и детальное рассмотрение.

В теплотехнических расчетах используют суммарный коэффициент передачи тепла, который представляет собой совокупность коэффициентов теплоотдачи соприкосновением, которое учитывает теплопроводность, конвекцию, излучение.

При правильном подходе и учете отдельных тепловых явлений можно с высокой достоверностью рассчитать количество теплоты, переданное телу.