Строительная теплофизика
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Отопление
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 262
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-019184-3
ISBN-онлайн: 978-5-16-103379-1
Артикул: 406050.09.01
Доступ онлайн
В корзину
Рассмотрены основы теории переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и радиацией, а также тепло- и массообмена при фазовых превращениях. Изложена теория подобия процессов конвективного теплообмена и теплопередачи, теплового и гидромеханического расчетов теплообменных аппаратов рекуперативного типа. Представлены инженерные методы расчета процессов передачи теплоты, диффузии водяного пара и воздухопроницаемости через ограждения, теплового режима помещений, теплоустойчивости и теплозащиты ограждающих конструкций здания.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- Среднее профессиональное образование
- 08.02.13: Монтаж и эксплуатация внутренних сантехнических устройств, кондиционирования воздуха и вентиляции
- ВО - Бакалавриат
- 08.03.01: Строительство
- ВО - Магистратура
- 08.04.01: Строительство
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕПЛОФИЗИКА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ А.А. КУДИНОВ Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» Москва ИНФРА-М 202
УДК 69:53:721.01 ББК 31.31 К88 Кудинов А.А. Строительная теплофизика : учебное пособие / А.А. Кудинов. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 262 с. — (Высшее образование). ISBN 978-5-16-019184-3 (print) ISBN 978-5-16-103379-1 (online) Рассмотрены основы теории переноса теплоты теплопроводно- стью, конвекцией и радиацией, а также тепло- и массообмена при фазовых превращениях. Изложена теория подобия процессов конвективного теплообмена и теплопередачи, теплового и гидромеханического расчетов теплообменных аппаратов рекуперативного типа. Представлены инженерные методы расчета процессов передачи теплоты, диффузии водяного пара и воздухопроницаемости через ограждения, теплового режима помещений, теплоустойчивости и теплозащиты ограждающих конструкций здания. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазо- снабжение и вентиляция». УДК 69:53:721.01 ББК 31.31 К88 © Кудинов А.А., 2013 ISBN 978-5-16-019184-3 (print) ISBN 978-5-16-103379-1 (online) Р е ц е н з е н т ы: зав. кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Са- ратовского государственного технического университета, д-р техн. наук, профессор Ю.Я. Печенегов; зав. кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» Самарского государственного архитектурно-строительного университета, канд. техн. наук, доцент Н.П. Тюрин
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее учебное пособие предназначено для студентов строи- тельных вузов и факультетов, обучающихся по специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (направление 653500 «Строительство») в соответствии с содержанием дисциплины «Строительная теплофизика» (60 ч занятий, включая лекции, практические занятия и курсовое проектирование). Курс «Строительная теплофизика» является базовым в системе подготовки специалистов указанного профиля. Содержание учебного пособия изложено в 12 главах и включает в себя следующие основные разделы теории тепло- и массообмена применительно к ограждающим конструкциям и помещениям зданий: теплопроводность при стационарном и нестационарном режимах; конвективный теплообмен; тепловое излучение; теплоотдача при конденсации пара и кипении жидкости; теория и расчет теплообменных аппаратов; теплопередача через наружные ограждающие конструкции зданий; влажностный режим наружных ограждений; воздушный и тепловой режимы помещений здания. Предлагаемое читателю учебное пособие написано в соответст- вии с курсом «Строительная теплофизика» и может быть использовано студентами также при изучении курса «Тепломассообмен» и ряда специальных дисциплин, таких как «Теплогенерирующие установки», « Отопление», «Вентиляция», «Теплоснабжение». Особое внимание уделено влажностному режиму наружных ог- раждений и тепловому режиму помещений здания. Эти задачи имеют в настоящее время непосредственные инженерные приложения, что обусловлено массовым строительством современных энергоэффективных зданий с повышенными теплозащитными свойствами наружных ограждений на основе высокоэффективных теплоизоляционных материалов и изделий. Отдельная глава посвящена теплотехническому расчету ограж- дающих конструкций зданий, где изложен материал для определения состава, объема и последовательности выполнения курсовой работы по дисциплине «Строительная теплофизика». Приводятся подробные указания по выполнению расчетов, содержатся основные рекомендации по оформлению расчетно-пояснительной записки и графической части курсовой работы. В приложениях представлены необходимые для выполнения расчетов справочные материалы. Для достижения компактности изложения материала книги при 3
выводе уравнений тепло- и массообмена и доказательстве законов и теорем статики и динамики жидкостей используются общие формы законов и теорем механики, математики и технической термодинамики. Предполагается, что студент изучил курсы физики, теоретиче- ской механики и математики, знаком с основами математического анализа, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и термодинамики. Настоящее издание разработано на кафедре «Гидравлика и теп- лотехника» Самарского государственного архитектурно- строительного университета и, по мнению автора, дополняет фундаментальные учебники В.Н. Богословского «Строительная теплофизика» ( 1982), К.Ф. Фокина «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий» (1973), В.М. Ильинского «Строительная теплофизика» ( 1974). Автор будет весьма благодарен за критические замечания и по- желания, которые возникнут у читателя. Отзывы и пожелания просим направлять по адресу: 127282, Москва, Полярная ул., 31В, стр.1, ООО «Издательство ИНФРА-М». 4
ВВЕДЕНИЕ В строительной теплофизике изучаются процессы теплопередачи и воздухопроницания через ограждающие конструкции зданий, а также влажностного режима ограждающих конструкций, связанного с процессами теплопередачи. Знание строительной теплофизики необходимо инженерам- строителям для рационального проектирования наружных ограждающих конструкций зданий. Особенно большое значение имеет знание процессов теплопередачи и влажностного режима для современного строительства, когда широко применяются сборные облегченные многослойные конструкции из новых эффективных материалов. С переходом к новому виду высотной, многоэтажной застройки создаются и совершенствуются конструкции элементов сборных зданий, используются новые теплоизоляционные, облицовочные и конструктивные материалы с разнообразными физическими свойствами. Здания и строительные сооружения подвержены наиболее слож- ным физическим воздействиям. Процессы тепло- и массообмена в помещениях зданий и ограждающих конструкциях связаны с действием наружных климатических условий, а также с работой систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Поэтому ясное представление о процессах, происходящих в ог- раждениях при теплопередаче, и умение пользоваться соответствующими расчетами дают возможность проектировщику обеспечить требуемые теплотехнические качества наружных ограждающих конструкций. Климат нашей планеты и Российской Федерации исключительно разнообразен. В Якутии расположен полюс обжитых районов Земли, где температура понижается до –71 °С при среднегодовой температуре – 17 °С. (Полюс абсолютного холода Земли расположен в районе станции Восток в Российском секторе Антарктиды. Здесь температура понижается до –87,6 °С при среднегодовом ее значении около –50 °С). В Узбекистане (г. Термез) температура повышается до +48 °С при среднегодовой температуре +18 °С. Во многих пунктах побережья Ледовитого океана отопительный период продолжается весь год, в то время как в отдельных районах Средней Азии и Кавказа он продолжается менее трех месяцев, например в Батуми, Гагре –75 дней. Но в жарких районах необходимо защищать здания от перегрева солнечной радиацией и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в 5
течение продолжительного жаркого периода года. Теплоснабжение является одной из основных отраслей энергети- ки Российской Федерации. На теплоснабжение промышленных и коммунально-бытовых объектов расходуется 3 /1 всех используемых в стране первичных топливно-энергетических ресурсов. Отмечается постоянное повышение стоимости топлива, возрастает дальность его транспортировки. Поэтому в настоящее время основной задачей в области строительства является проектирование зданий и сооружений с эффективным использованием тепловой энергии, а также модернизация существующего фонда зданий в целях ее экономии. 6
Глава 1. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. ЗАКОН ФУРЬЕ Понятие теплопроводности охватывает процесс распространения теплоты путем непосредственного соприкосновения между частицами тела. При этом в газах перенос энергии (теплоты) осуществляется путем диффузии молекул и атомов, а в жидкостях и твердых телах – диэлектриках – путем упругих волн, в металлах – в основном путем диффузии свободных электронов. Процесс распространения теплоты вообще и процесс теплопро- водности в частности неразрывно связаны с распределением температуры. Введем определения. Температурное поле – это совокупность значений температуры во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно описывается уравнением t= f(x, y, z, τ). (1.1) При этом если температура зависит от времени, то поле называ- ется неустановившимся, в противном случае – установившимся. Температура может изменяться по одной, двум или трем пространственным координатам; в соответствии с этим температурное поле называют одно-, двух или трехмерным. Уравнение одномерного стационарного температурного поля имеет вид t = f(x); 0 ∂ / ∂ = t ; 0 ∂ / ∂ y t ; 0 ∂ / ∂ = z t . Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру. Изотермические поверхности разных температур друг с другом не пересекаются, так как одна и та же точка тела не может одновременно иметь различные температуры. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (рис. 1.1). При этом наиболее резкое изменение температуры происходит в направлении нормали n к изотермическим поверхностям. Температурный градиент. Предел от- ношения изменения температуры ∆t к нормали ∆ n называется температурным градиентом qrad t, ○С/м: n Рис. 1.1. Изотермы 7
qrad t = n t n lim 0 → = n t n ∂ ∂ 0 , (1.2) где 0n – единичный вектор, нормальный к изотермической поверхно- сти и направленный в сторону возрастания температуры; n t ∂ / ∂ – производная от температуры по нормали n. Градиент температуры qrad t является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности. Его положительным направлением считается направление в сторону возрастания температуры. Значение qrad t, взятое с обратным знаком, называется падением температуры. Тепловой поток. Тепловая энергия распространяется всегда толь- ко в сторону убывания температуры. Количество переносимой теплоты называется тепловым потоком Q, Дж. Обычно эту величину относят к единице времени, с. Тепловой поток в единицу времени Q, Дж/с (Вт), отнесенный к единице поверхности, называется удельным тепловым потоком или плотностью теплового потока q, Вт/м2. Величина Q (q) является вектором, направленным в сторону убывания температуры, т.е. противоположную qrad t. Необходимым условием распространения теплоты является не- равномерность распределения температуры в теле (среде). Таким образом, передача теплоты теплопроводностью возможна только тогда, когда градиент температуры не равен нулю в различных точках тела. Изучая явление теплопроводности в твердых телах, Фурье (1822) установил, что вектор плотности теплового потока q, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры: q = λ qrad t, q = – n t n ∂ ∂ λ 0 , (1.3) где λ – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м∙К). Знак минус в уравнении (1.3) указывает, что вектор q направлен противоположно вектору qrad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры. Тепловой поток dQ через произвольно ориентированную эле- ментарную площадку dF равен скалярному произведению вектора q на вектор элементарной площадки dQ F d : =q∙dF, а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F: Q = F q∙ dF= – dF F n t , (1.4) 8
где dF – элемент изотермической поверхности, м2. Значение Q измеряется в ваттах. Из уравнений (1.3) и (1.4) следует, что для определения количества теплоты, проходящего через какую-либо поверхность твердого тела, необходимо знать температурное поле внутри рассматриваемого тела. Нахождение температурного поля и является главной задачей теории теплопроводности. 1.2. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Коэффициент теплопроводности λ является физическим парамет- ром вещества и характеризует способность вещества проводить теплоту: x t F Q q Δ / Δ t qrad λ . Единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе СИ является Вт/(м∙К). Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности при падении температуры в 1 ○С на единицу длины. Для различных веществ λ различен и для каждого из них зависит от структуры, объемного веса, влажности, давления и температуры, так как при распространении теплоты температура в различных частях тела изменяется. На практике важно знать зависимость λ от температуры. Многочисленные опытные данные показывают, что для большинства материалов коэффициент теплопроводности λ возрастает при повышении температуры: λ = λ0(1+b∙t), где λ0 – значение коэффициента теплопроводности при t = 0 ○C; b – постоянная, определяемая опытным путем. В практических расчетах значение λ обычно определяется по среднеарифметической из граничных значений температуры тела и это значение принимается постоянным. При стационарной теплопроводности такая замена законна и единственно правильна для любой формы тела. Рассмотрим зависимость коэффициента теплопроводности λ от температуры и других параметров для различных сред (тел). 1. Газы. Коэффициент теплопроводности λ газов зависит от скоро- сти движения молекул, которая возрастает с увеличением температуры и уменьшением массы молекул. С повышением температуры λ возрас- 9
тает. От давления λ практически не зависит, за исключением очень высоких ( более 2∙103 ата) и очень низких (менее 20∙10–2 ата). Наибольшей теплопроводностью обладает легкий газ – водород Н2. При стандартных условиях (t = 20 °С, р = 101325 Па) λ водорода ≈ 0,2 Вт/(м∙К). У более тяжелых газов λ меньше: у воздуха λ ≈ 0,025, у диоксида углерода СО2 λ ≈ 0,02 Вт/(м∙К). 2. Жидкости. Коэффициент теплопроводности λ капельных жидкостей изменяется в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м∙К). С повышением температуры для большинства жидкостей λ убывает, исключение составляют вода и глицерин. Для воды λ сначала возрастает (при t = 0 ○С λ = 0,5536 Вт/(м∙К); при t =120 ○С λ= 0,59 Вт/(м∙К)), а затем убывает (при t = 370 ○С λ = 0,3387 Вт/(м∙К)). 3. Твердые тела. В металлах теплопроводность обеспечивается в основном за счет теплового движения электронов, которые более чем в 3000 раз легче молекул самого легкого газа водорода Н2; соответственно, и теплопроводность металлов много выше, чем газов. Наибольшим коэффициентом теплопроводности λ обладают чистые металлы: серебро – 420,5 Вт/(м∙К); медь – 397,12 Вт/(м∙К); золото – 327,04 Вт/(м∙К); алюминий – 210,24 Вт/(м∙К). Для большинства металлов с повышением температуры λ убывает. При наличии примесей λ чистых металлов резко убывает. Например, для меди со следами мышьяка λ =142,5 Вт/(м∙К). 4. Коэффициент теплопроводности λ строительных и теплоизоля- ционных материалов находится в пределах 2,8 – 0,02 Вт/(м∙К). Материалы со значением λ ≤ 0,23 Вт/(м∙К) называют теплоизоляционными. С повышением температуры λ возрастает. Коэффициент теплопроводности строительных материалов с бόльшей плотностью (ρ, кг/м3) выше. Он зависит также от структуры материала, его пористости и влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности λ зна- чительно выше, чем для сухого и воды в отдельности. Так, например, для сухого кирпича λ ≈ 0,3 Вт/(м∙К), для воды λ ≈ 0,55 Вт/(м∙К), а для влажного кирпича λ ≈ 0,911 Вт/(м∙К). Это явление требует особого внимания при определении λ и при расчете теплопередачи ограждающих конструкций зданий. Для сыпучих материалов коэффициент теплопроводности умень- шается с уменьшением объемного веса (плотности ρ, кг/м3) и величины их зерен, так как по мере измельчения частиц уменьшается ρ. Коэффициент теплопроводности мерзлого материала выше тало- го, но при малых содержаниях льда может образоваться рыхлый 10
Доступ онлайн
В корзину