Теплофизические характеристики ограждающих конструкций. Тепловосприятие пола. Теплоустойчивость помещения.

Ограждающие конструкции изготавливают из раз­ных материалов, которые должны отвечать ряду требований. Основное из них — надежность теплозащиты, что означает свойство тела (объекта) выполнять заданные функции и сохра­нять во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах в соответствии с условиями и режимами эксплуатации. Надежность включает в себя такие элементы, как безотказность, т. е. свойство сохранять работо­способность, долговечность и ремонтоспособность. Кроме того, строительные материалы должны быть огнеустойчивыми, деше­выми, а также соответствовать теплотехническим нормам.

Среди неорганических теплоизоляционных материалов на­ходят применение: минеральная вата; базальтовое волокно; стеклянная вата; асбест хризотиловый; песок и щебень перли­товые вспученные; диатомит комовой. К органическим тепло­изоляционным материалам относят плиты древесно-волокнис-тые, фибролитовые, камышитовые, соломитовые (изготавлива­ются из соломы и стеблей растений), торфяные, пробковые, а также костру и другие отходы сельскохозяйственной продук­ции. Органическими теплоизоляционными материалами явля­ются различные пенопласты.

В сельскохозяйственных производственных сооружениях пол чаще всего расположен непосредственно на грунте, поэтому тепловой режим последнего играет немалую роль в тепловом балансе помещения. Температурные условия в почве, призем­ном слое воздуха, в сооружениях защищенного грунта сущест­венно влияют на темпы развития растений. Поэтому условия формирования температурного поля в почве и, следовательно, в зоне нахождения корней растений имеют большой практиче­ский интерес.

ТЕПЛОВОСПРИЯТИЕ ПОЛА

Температура пола примерно равна температуре омывающего его воздуха и, следовательно, ниже температуры тела животного. В течение суток свиньи лежат 70...90% вре­мени, коровы — до 50%. При непосредственном контакте тела животного с полом теплопотери могут быть весьма существен­ны. Это приводит к уменьшению продуктивности и простудным заболеваниям животных.

В животноводческих помещениях применяют сплошные (бе­тонные, асфальтовые, деревянные, кирпичные) или щелевые полы с решетками из железобетона, чугуна, стали или дерева; в птицеводстве — сетчатые металлические полы. При промыш­ленной технологии содержания животных основной тип пола щелевой, при котором облегчается уборка навоза.

ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ ПОМЕЩЕНИЯ.

Параметры воздуха внутри помещения должны быть устойчивыми по отношению к возможным колебаниям температуры наружного воздуха.

Тепловые потери через ограждающие конструкции и тепло-поступления могут изменить тепловой режим помещения. Интенеивность и колебательный характер стоков и источников теп­лоты, а также телофизические характеристики ограждения определяют теплоустойчивость помещения, под которым пони­мают свойство поддерживать относительно постоянное значение температуры воздуха в помещении при колебаниях тепловых потоков.

ЗАКОН ТЕПЛООТДАЧИ (ЗАКОН НЬЮТОНА-РИХМАНА).

Для количественного описания теплоотдачи широ­ко используется закон теплоотдачи, согласно которому плот­ность теплового потока, переносимого путем конвекции от по­верхности теплообмена в среду (или, наоборот, из среды к по­верхности теплообмена), пропорциональна разности температур поверхности теплообмена** (t_c) и среды, (t _ж), взятой по абсо­лютной величине:

где q — плотность теплового потока, Вт/м².

Коэффициент пропорциональности а в уравнении (10.1), имеющий размерность Вт/(м²-К), называется коэффициентом теплообмена***. Коэффициент теплообмена характеризует ин­тенсивность теплоотдачи между поверхностью теплообмена и теплоносителем. Он равен плотности теплового потока¹ (у по­верхности теплообмена), отнесенной к температурному напору Дперепаду) между средой и поверхностью.

* В теплотехнике жидкостью обычно называют как собственно капельную жидкость, так и газ.

** Поверхности стенки. *** Широко используется также термин «коэффициент теплоотдачи»,

Различают местный (локальный) коэффициент теплообмена, который относится к рассматриваемой точке поверхности теп­лообмена, и средний коэффициент теплообмена а, равный всему тепловому потоку Ф (Вт) через поверхность теплообмена А (м²). деленному на средний температурный напор Δ t _ср и площадь по­верхности теплообмена:

Коэффициент теплообмена — важный теплофизический пара­метр, необходимый для расчета теплообмен'ного аппарата. В об­щем случае он зависит от физических свойств жидкости, кон­фигурации и размеров поверхности теплообмена и от условий обтекания ее жидкостью. Коэффициент теплообмена — это рас­четная величина, находимая обычно из уравнений, полученных экспериментально.

ЗАКОН СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА.

Из закона Планка путем интег­рирования I _{λ 0} (λ) по длинам волн следует, что для абсолютно черного тела

где — постоянная Стефана — Больцмана (константа излучения абсолютно черного тела).

В технических расчетах закон Стефана — Больцмана обычно записывают в виде

где — коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для серых тел интенсивность излуче­ния меньше, чем для абсолютно черного тела и, следовательно, Е<Е_о. Отношение поверхностной плотности потока собст­венного интегрального излучения Е дан­ного тела к поверхностной плотности по­тока интегрального излучения Е_о абсо­лютно черного тела при той же темпера­туре соответственно называют степенью черноты тела

где ε <1 Плотность потока излучения Е находят по уравнению

где С= ε Со — коэффициент излучения серого тела.

2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

В подразделе 8.5 дан вывод дифференциального уравнения теплопроводности в неподвижной среде, аналогичным образом можно вывести дифференциальное уравнение в движу­щейся среде, называемое уравнением энергии, которое в декар­товых координатах имеет вид

или в более краткой записи:

где τ — время, с; V_x, V_y, V_z — проекции вектора скорости на оси х, у, z, м/с; а — температуропроворности, м²/с;

полная производная температура по времени т, которую в связи с тем, что она связана с движущейся материей или субстанцией, называют субстанциаль­ной производной и обозначают особым символом Dt / d τ;

— оператор Лапласа.

Уравнение (10.3) описывает изменение температуры в точке х, у, z в неподвижной системе координат, при этом первый член левой части уравнения характеризует изменение температуры во времени, последующие члены левой части — изменение темпера­туры вследствие движения жидкости через рассматриваемую точку пространства; правая часть уравнения выражает измене­ние температуры вследствие теплопроводности.

При v_x = v_y = v_z = 0 уравнение энергии переходит в дифферен­циальное уравнение теплопроводности (8.12).

Для интегрирования уравнения (10.3) и расчета по нему температурного поля необходимо знать компоненты скорости v_x, v_y, v_z. Это приводит в общем случае к необходимости дополни­тельного рассмотрения уравнений движения (уравнений Навье — Стокса) и уравнения неразрывности потока.

Уравнения движения для несжимаемой жидкости (р = const) в проекциях на оси декартовых координат имеют вид:

где р — плотность жидкости, кг/м³; g_x, g_y, g_z — проекции ускорения поля внешних массовых сил на оси х, у. z. м/с²; р — давление. Па; р, — динамиче­ская вязкость, Па-с; β — коэффициент объемного расширения, 1/К; t_x — тем­пература среды (температура жидкости в ядре потока);

— — субстанциальная производная;

 - оператор Лапласа.

С физической точки зрения уравнения (10.5) выражают ра­венство проекций равнодействующей всех сил, действующих на элемент объема жидкости (правые части уравнений), проекци­ям сил инерции (левые части уравнений). При этом первые сла­гаемые правых частей системы уравнений (10.5) выражают про­екции подъемной силы, вторые слагаемые — проекции сил дав­ления, третьи слагаемые — проекции сил внутреннего трения.

Уравнение неразрывности для несжимаемых жидкостей за­писывается в виде

Интегрирование системы уравнений (10.3), (10,5), (10.6) позволяет получить неизвестные функции t (x, у, z, τ), v { x, у, z, τ), р (x, y, z, τ). Для получения конкретного (частного) реше­ния указанную систему уравнений необходимо дополнить усло­виями однозначности, которые, как и в случае интегрирования дифференциального уравнения теплопроводности (8.12), вклю­чают в себя геометрические, физические, начальные и гранич­ные условия.

БИЛЕТ – 4

1. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ. ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ λ

На теплообменные поверхности с целью уменьшения тепло­вых потерь часто накладывается тепловая изоляция из материа­лов с низким значением теплопроводности λ.Материал считает­ся теплоизоляционным, если его теплопроводность меньше0,2... 0,25 Вт/(м-К). Примерами теплоизоляционных материалов являются асбест, минеральная вата, диатомовый кирпич, пено­пласт, пенобетон. Большинство теплоизоляционных материалов имеет пористое строение, поскольку воздух, заполняющий поры, сам по себе обладает малой теплопроводностью. Изготавлива­ются также вакуумно-многослойные и вакуумно-порошковые теплоизоляционные материалы, содержащие замкнутые вакуу-мированные поры, за счет чего создается низкая теплопровод­ность (эффективная теплоизоляция) порядка 10^-4 Вт/(м-К).

Наложение теплоизоляции на цилиндрическую поверхность имеет свою особенность: при увеличении толщины изоляции теп­ловой поток в одних случаях может уменьшаться, а в других — увеличиваться. Это происходит в силу того, что при утолщении изоляции наряду со снижением внутреннего термического сопро­тивления возрастает наружная поверхность теплообмена, что способствует увеличению теплопотерь. Анализ общего термиче­ского сопротивления двухслойной цилиндрической оболочки при­водит к следующему выражению для так называемого критиче­ского диаметра изоляции d _кр = 2 λ _из / α ₂, при котором имеют место максимальные теплапотери.

При d _из < d _кр увеличение толщины изоляции приводит к уве­личению теплопотерь, а при d _из > d _кр к их уменьшению. По­этому при проектировании необходимо выбирать такой тепло­изоляционный материал, для которого значение d _кр меньше или равно наружному диаметру изолируемой трубы: d_KP ≤ d ₂. Решая это уравнение относительно искомого значения теплопроводно­сти теплоизоляции, получим

БИЛЕТ - 5