Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция
Теория теплообмена, физическая суть теплопроводности, закон Фурье. Теплопроводность строительных материалов, конвективный теплообмен, закон Ньютона-Рихмана. Отопления и вентиляция помещений. Газоснабжение, котельные, наружные и внутренние газопроводы.
| Рубрика | Строительство и архитектура |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.12.2010 |
| Размер файла | 1,6 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Донбаська державна академія будівництва і архітектури
Кафедра
«ТЕПЛОТЕХНІКА, ТЕПЛОГАЗОПОСТАЧАННЯ І ВЕНТИЛЯЦІЯ»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
«Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»
(для специальностей ТСК и АДА)
СКЛАВ: доцент кафедри ТТГВ Маркін А.М.
Затверджено на засіданні кафедри:
«ТЕПЛОТЕХНІКА, ТЕПЛОГАЗОПОСТАЧАННЯ І ВЕНТИЛЯЦІЯ»
Протокол № ________ від ____________________ 200___р.
Зав.кафедрою _____________________________Губар В.Ф.
Макіївка 2002
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1. Вступление. Основы теории теплообмена, физическая суть теплопроводности, закон Фурье. Теплопроводность строительных материалов, понятие термического сопротивления переносу теплоты через одно- и многослойные стенки
Лекция 2. Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Методы решения задач конвективного теплообмена. Теплообмен излучением, основные законы. Теплопередача
Лекция 3. Микроклимат помещений. Условия комфортности. Теплостойкость и теплозащитные свойства ограждающих конструкций
Лекция 4. Тепловой баланс помещений. Расчёт баланса тепла помещений и определение тепловой мощности системы отопления
Лекция 5. Теплообменные аппараты. Классификация, методы расчёта их размеров. Отопительные приборы, их характеристики, размещение в помещениях
Лекция 6. Системы отопления. Классификация и характеристики различных систем отопления. Теплопроводы систем отопления, их размещение
Лекция 7. Гидравлический расчёт систем отопления
Лекция 8. Вентиляция помещений. Элементы систем вентиляции. Расчёт размеров вентиляционных каналов. Кондиционирование воздуха
Лекция 9. Теплоснабжение. Котельные. Тепловые сети. Классификация тепловых сетей, подключение потребителей к тепловым сетям. Газоснабжение. Наружные и внутренние газопроводы. Газораспределительные и газорегулирующие станции. Безопасность при строительстве и эксплуатации газовых сетей
Литература
Размещено на http://www.allbest.ru/
Лекция 1
Вступление. Основы теории теплообмена, физическая суть теплопроводности, закон Фурье. Теплопроводность строительных материалов, понятие термического сопротивления переносу теплоты через одно- и многослойные стенки
Вступление [1, с.5-7]
Теплотехника - область науки и техники, занимающаяся вопросами получения и использования теплоты.
Различают два вида использования теплоты - энергетическое и технологическое. Энергетическое использование теплоты основывается на процессах, преобразующих теплоту в механическую работу. Технологическое использование теплоты основывается на реализации теплоты для целенаправленного изменения физико-химических свойств при осуществлении различных технологических процессов. К устройствам, в которых непосредственный подвод теплоты используется для технологических целей, относятся различные печи, сушилки, отопительные приборы, калориферы и т.д.
Наука, изучающая закономерности теплообмена между телами, называется теорией теплопередачи.
Основные понятия и определения [1, с.8-12]
Давление. Давлением вообще называется сила, действующая на единицу площади поверхности тела перпендикулярно последней. Давление жидкости (газа) есть средний результат силового воздействия молекул жидкости на внутреннюю поверхность сосуда, в котором находится жидкость. Молекулы, находясь в постоянном движении, ударяются о поверхность сосуда и тем самым «давят» на его стенки.
В технике различают:
- абсолютное давление - полное давление, под которым находится жидкость (газ). Отсчитывается от абсолютного нуля давлений - вакуума;
- атмосферное давление - давление атмосферного воздуха в данной точке. Его величина зависит, главным образом, от высоты над уровнем моря;
- избыточное давление - разность между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным давлением;
- разрежение (ваккумметрическое давление) - разность между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное.
Для измерения давления в системе СИ используется Паскаль. 1 Па = 1 Н/м2.
Температура. Температура - параметр, характеризующий тепловое состояние тела. Температура тела, являясь мерой хаотического движения его молекул, определяет направление возможного самопроизвольного перехода теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
В системе СИ температура измеряется в градусах Кельвина - Т [К]. Один градус Кельвина равен 1/273,15 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Также допускается применять температуру Цельсия (обозначается t, выражается в градусах Цельсия - С). По величине градус Цельсия равен Кельвину: 1С=К. Связь между температурой Цельсия и термодинамической температурой определяется:
t=T-273,15; T=t+273,15. (1.1)
Теплота. Теплота представляет собой такую форму передачи энергии, которая определяется либо непосредственным контактом между телами (теплопроводность, конвекция), либо лучистым переносом энергии.
Особенность перехода теплоты состоит в том, что этот процесс носит односторонний характер - теплота переходит самопроизвольно только от тела с более высокой температурой к телу с меньшей температурой. Обратный переход теплоты может быть лишь принудительным (с использованием тепловых машин).
Работа. Работа, в отличие от теплоты, представляет собой макрофизически упорядоченную форму передачи энергии путём взаимного механического воздействия тел.
И теплота и работа измеряются (в системе СИ) в Джоулях - Дж. 1Дж=1кгм/с2.
Основы теории теплообмена [1, с.57-68]
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).
Основные понятия и определения [1, с.54-57]
1. Перенос теплоты от одного тела к другому, а также между частицами данного тела происходит только при наличии разности температур и направлен всегда в сторону более низкой температуры.
2. Количество теплоты, переносимой в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт. Отношение Q к единице площади F, м2, называется поверхностной плотностью теплового потока q, Вт/м2:
q=Q/F. (1.2)
3. Температурное состояние тела или системы тел можно охарактеризовать с помощью температурного поля, под которым понимается совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства. Температура различных точек тела есть функция координат x, y, z и времени :
t=f(x,y,z,) (1.3)
Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называется нестационарным.
Если температура в любой точке тела с течением времени не изменяется, то температурное поле называется стационарным (установившемся), и описывается выражением:
t=f(x,y,z). (1.4)
4. Температурное поле в рассматриваемом теле или системе тел удобно характеризовать с помощью изотермических поверхностей, под которыми понимается геометрическое место точек с одинаковой температурой. Такие поверхности могут быть замкнутыми или выходить на границы тела, но между собой никогда не пересекаются.
Если изотермические поверхности пересечь плоскостью, то на плоскости сечения получим изотермические линии, называемые изотермами.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, см. рис. 1.1). При этом наиболее резкое изменение температуры получается в направлении нормали n к изотермической поверхности. Производная температуры по нормали к изотермической поверхности называется температурным градиентом:
[град/м]. (1.5)
Если тепловой поток отнесён к единице изотермической поверхности, то величина q является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения тепла в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента.
Закон Фурье [1, с.57-61]
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:
(1.6)
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 [1, с.57-58]
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 - =0,0050,5 [Вт/мС]
- для жидкостей - =0,080,7 [Вт/мС]
- строительные материалы и теплоизоляторы - =0,023,0 [Вт/мС]
- для металлов - =20400 [Вт/мС]
Теплопроводность плоской стенки [1, с.57-61]
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной , с коэффициентом теплопроводности . На наружных поверхностях поддерживаются постоянные температуры t1 и t2, причём t1>t2. Теплота распространяется только вдоль оси x. При этих условиях температурное поле в стенке будет одномерным, и изотермическими поверхностями будут плоскости, параллельные поверхностям стенки.
Выделим внутри стенки слой dx, ограниченный двумя изотермическими поверхностями.
На основании закона Фурье можно записать:
или (1.8)
Проинтегрировав данное уравнение, получим:
(1.9)
Из последнего выражения следует, что температура изменяется по толщине стенки по линейному закону. Константа С определяется из условий на границах стенки. В результате получим:
или , Вт/м. (1.10)
Обозначив t=t1-t2, выражение (1.10) можно переписать в виде:
, где , м2С/Вт.
Величина R называется термическим сопротивлением стенки. Соответственно, тепловой поток Q через стенку площадью F можно определить по формуле:
, Вт.
Теплопроводность плоской многослойной стенки [1, с.60-61]
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рассмотрим плоскую многослойную стенку, состоящую из n слоёв, плотно прилегающих один к другому (рис. 1.3). Каждый слой имеет заданную толщину i и коэффициент теплопроводности i. Многослойными являются, например, стены и перекрытия крупнопанельных и кирпичных зданий.
При стационарном тепловом режиме тепловые потоки, проходящие через каждый из слоёв стенки, одинаковы. Поэтому, пользуясь формулой (1.10) для каждого слоя, можно записать:
(1.11)
Откуда:
(1.12)
Просуммировав правые и левые части этих равенств и выполнив преобразования, получим:
(1.13)
откуда находим q, Вт/м2:
(1.14.0)
где: t - температурный перепад, т.е. разность температур наружных поверхностей стенки;
R=R1+R2+...+Rn - общее термическое сопротивление многослойной стенки, равное сумме термических сопротивлений отдельных слоёв.
Температурное поле многослойной стенки представляет собой ломаную линию (см. рис. 1.3).
Лекция 2
Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Методы решения задач конвективного теплообмена. Теплообмен излучением, основные законы. Теплопередача
Закон Ньютона-Рихмана [1, с.61-62]
Как уже было сказано выше, 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(tж-t), (2.1)
где: - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2С;
F - площадь поверхности теплообмена, м2;
tж и t - соответственно температуры жидкости и поверхности стенки, С.
Разность температур (tж-t) иногда называют температурным напором.
Коэффициент теплоотдачи характеризует количество теплоты, которое передаётся конвекцией через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре в 1С и имеет размерность [Дж/см2С] или [Вт/м2С].
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 () или кинематического (=/), коэффициента объёмного расширения ;
- скорости движения жидкости w;
- температур жидкости и стенки tж и t;
- формы и линейных размеров омываемой стенки (Ф, l1, l2,...).
Таким образом, в общем виде можно записать:
=f(w,,с,,,,tж,t,Ф,l1,l2,...). (2.2)
При движении жидкости возможны два основных режима: ламинарный и турбулентный.
При ламинарном режиме отдельные струйки не смешиваются, и каждая частичка жидкости движется параллельно стенки тела.
При турбулентном режиме каждая частица жидкости помимо поступательного движения совершает поперечное движение в виде вихрей. Чем больше вихрей, тем сильнее перемешивание жидкости и турбулентность потока. Так как процесс переноса теплоты связан с переносом самой подвижной среды, то, очевидно, что интенсивность теплообмена зависит от характера её движения.
При движении жидкости вдоль стенки частицы её, взаимодействуя с поверхностью стенки, а также вследствие шероховатости поверхности стенки, испытывают тормозящее действие со стороны стенки. Непосредственно в слое жидкости, прилегающем к стенке, скорость её изменяется от нуля до её значения в ядре потока ?. Этот слой называют пограничным слоем. Перенос теплоты в этом слое от жидкости к стенке (или наоборот) осуществляется в основном теплопроводностью, т.е. зависит от величины , которая для жидкостей невысокая, а для газов очень низкая (см. лекцию 1).
Толщина этого пограничного слоя тем меньше, чем выше скорость жидкости. Поэтому интенсивность теплообмена между подвижной жидкостью и стенкой существенно зависит от скорости её движения (а также от физических свойств). Очевидно, что при вынужденном движении жидкости могут быть достигнуты скорости намного более высокие, чем при движении вследствие действия сил тяжести на неравномерно нагретые объёмы среды (т.е. при естественной конвекции). Следует иметь в виду, что в реальных условиях оба механизма побуждения движения жидкости могут иметь место одновременно. При интенсивном турбулентном режиме жидкости влиянием свободной конвекции на интенсивность переноса теплоты можно пренебречь.
Методы решения задач конвективного теплообмена [1, с.62-63]
Для определения коэффициента теплоотдачи при решении практических задач могут быть использованы два метода: аналитический и эмпирический (экспериментальный). Первый из них предполагает совместное решение системы дифференциальных уравнений, а именно: уравнений энергии, движения, сплошности, дополненные условиями однозначности, характеризующие конкретные особенности рассматриваемой задачи. Вследствие сложности аналитического решения, применение этого метода ограничено.
Практические расчёты конвективного теплообмена основаны в большой степени на использовании эмпирических соотношений между искомой величиной и параметрами, её определяющими. Так как число параметров, которые определяют величину , очень большое, то предпочтение отдают эмпирическим соотношениям между комплексами, составленными из этих параметров и именуемых числами подобия. Базой для составления безразмерных чисел подобия является теория подобия. И теория подобия, и аналитические методы решения задач конвективного теплообмена изложены в специальной литературе.
Ниже приводятся некоторые критерии подобия, которые используются для определения и их краткая характеристика.
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.
Re=wl/. (2.5)
При Re<2300 режим движения ламинарный, при Re>104 - турбулентный, при 2300<Re<104 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=gl3t/2. (2.6)
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=cRemGrnPrp. (2.8)
А при свободном движении среды:
Nu=dGrkPrr. (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.
Теплообмен излучением [1, с.63-65]
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. Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Примером может служить обмен энергией между Солнцем и Землёй и другими планетами. Твёрдые тела излучают энергию всех длин волн, а газы только в определённых интервалах длин волн.
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 [1, с.65-68]
Закон Планка устанавливает зависимость поверхностной плотности потока монохроматического излучения абсолютно чёрного тела E0 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 E0 прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвёртой степени, т.е.:
или (2.10)
где 0 - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,6710-8 Вт/м2К4;
С0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,67 Вт/м2К4.
Индекс «0» во всех приведенных уравнениях означает, что рассматривается абсолютно чёрное тело. Реальные тела всегда серые. Отношение =С/С0 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 Qn - количество энергии, излучаемое по нормали к поверхности, а Q - по направлению, образующему угол с нормалью, то, по закону Ламберта:
Q =Qncos. (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 Е0 при той же температуре:
Е/А=Е0=f(T). (2.13)
Сложный теплообмен [1, с.68-69]
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)(tж-tс)=0(tж-tс). (2.14)
Но если стенка омывается капельной жидкостью, например водой, то
л=0 и 0=к. (2.15)
Теплопередача [1, с.69-72]
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.
Рассмотрим этот вид сложного теплообмена на конкретном примере, имеющем прямое отношение к изучаемой дисциплине.
Теплопередача через плоскую однослойную стенку.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рассмотрим теплопередачу через плоскую однослойную стенку. Примем, что тепловой поток направлен слева направо, температура нагретой среды tж1, температура холодной среды tж2. Температура поверхностей стенки неизвестны: обозначим их как tс1 и tс2 (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.
Напишем уравнения теплового потока:
Этап 1. Уравнение теплоотдачи от нагретой среды (жидкости или газа) к поверхности стенки:
. (2.16)
Этап 2. Уравнение теплопроводности через стенку:
. (2.17)
Этап 3. Уравнение теплоотдачи от правой поверхности стенки к холодной среде:
. (2.18)
Решив эти уравнения относительно частных температурных напоров, получим:
(2.19)
Сложив почленно эти уравнения, получим полный температурный напор:
, (2.20)
откуда поверхностная плотность теплового потока:
. (2.21)
Величина k называется коэффициентом теплопередачи и представляет собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м2 поверхности при разнице температур между средами 1К. Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, называется термическим сопротивлением теплопередаче и обозначается R, м2К/Вт:
. (2.22)
Эта формула показывает, что общее термическое сопротивление равно сумме частных сопротивлений.
Лекция 3
Микроклимат помещений. Условия комфортности. Теплостойкость и теплозащитные свойства ограждающих конструкций
Микроклимат помещений [1, с.77-80]
Около 80% своей жизни человек проводит в помещении: жилых, общественных, производственных зданиях, транспорте. Здоровье и работоспособность человека в значительной степени зависят от того, насколько помещение в санитарно-гигиеническом отношении удовлетворяет его физиологическим требованиям.
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 tв;
- радиационной температурой помещения (осреднённой температурой его ограждающих поверхностей) tR;
- 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 tв и tR, при которых человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Для спокойного состояния человека tв=21…23, при лёгкой работе - 19..21, при тяжёлой - 14…16С.
Для холодного периода года первое условие характеризуется формулой:
tR=1,57tп-0,57tв1,5, (3.1)
где: tп=(tв+tR)/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:
, (3.2)
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 2-2,5С ниже температуры воздуха помещения вследствие большой чувствительности ног человека к переохлаждению, но и не выше 22-34С 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 tн<+8С);
- переходный ( -"- tн=8С);
- тёплый ( -"- tн>8С);
Оптимальные и допустимые метеорологические условия (температура внутреннего воздуха tв) в обслуживаемой зоне жилых, общественных и административно-бытовых помещений приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
|
Период года |
Условия |
Категория работ |
|||
|
Лёгкая (<172 Вт) |
Средней тяжести (172-293 Вт) |
Тяжёлая (>293 Вт) |
|||
|
Холодный |
Оптимальные |
20-23 |
17-20 |
16-18 |
|
|
Допустимые |
19-25 |
15-23 |
13-19 |
||
|
Тёплый |
Оптимальные |
22-25 |
21-23 |
18-21 |
|
|
Допустимые |
Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне - 28С (если расчётная температура наружного воздуха больше 25С - допускается до 33С).
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.
Системы инженерного оборудования зданий [1, с.80-81]
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.
Теплозащитные свойства ограждений [1, с.85-98]
Теплозащитные свойства ограждений принято характеризовать величиной сопротивления теплопередаче R0, которая численно равна падению температуры в градусах при прохождении теплового потока, равного 1 Вт, через 1 м2 площади ограждения.
Уравнение (2.22) применительно к наружным ограждениям зданий можно записать так:
R0=Rв+Rк+Rн, (3.4)
где: Rв=1/в - сопротивление теплоотдаче внутренней поверхности, м2К/Вт;
Rн=1/н - сопротивление теплоотдаче наружной поверхности, м2К/Вт;
Rк - термическое сопротивление ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями, м2К/Вт;
в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2К);
н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2К).
Величина Rк определяется как сумма термических сопротивлений отдельных слоёв:
Rк=R1+R2+…+Rп+Rв.п., (3.5)
где: R1, R2,… Rп, - термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, м2К/Вт;
Rв.п. - термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м2К/Вт.
Термическое сопротивление каждого слоя однородной ограждающей конструкции Ri определяют по формуле:
Ri = i/i, (3.6)
где: i - толщина отдельного слоя, м;
i - расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м2К), принимаемый по СНиП II-3-79**.
Для определения термического сопротивления ограждений, в которых материал неоднороден как в параллельном, так и в перпендикулярном тепловому потоку направлениях (разного рода пустотелые блоки и т.п.) используются специальные методики расчёта.
Сопротивление теплопередаче наружных ограждений отапливаемых зданий должно определяться в соответствии с требованиями «Изменений №1 к СНиП II-3-79**» и быть не менее нормативного сопротивления теплопередаче Rнорм (или, в оговоренных случаях, не менее требуемого сопротивления теплопередаче R0тр, определяемого по формуле 3.8).
R0 Rнорм, или R0 R0тр, (3.7)
(3.8)
Для наружных дверей и ворот (кроме балконных) R0дверь 0,6R0стены.
Однако выполнение условий (3.7) недостаточно, необходимо также учитывать технико-экономические показатели. Стоимость здания или сооружения складывается из капитальных затрат К (затраты на строительство) и эксплуатационных расходов ЭТ (в том числе и на отопление), причём эти показатели связаны с сопротивлением теплопередаче ограждений. При этом величина экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждения R0эк соответствует минимуму приведенных затрат, равных сумме капитальных затрат К и эксплуатационных расходов ЭТ:
П=К+ЭТ. (3.9)
Если R0эк R0тр, то расчётное сопротивление должно определяться по условию:
R0 R0эк. (3.10)
Определение R0эк из нескольких типов конструкций выполняется в соответствии с п. 2.15 (СНиП II-3-79**). Экономически целесообразной будет та конструкция наружного ограждения, для которой величина приведенных затрат П будет наименьшей.
Тепловая инерция D ограждающей конструкции определяется по формуле:
D=R1s1+R2s2+…+Rnsn, (3.11)
где: R1, R2,… Rп, - термические сопротивления отдельных слоёв ограждения, м2К/Вт;
s1, s2,… sп, - коэффициенты теплоусвоения материала слоёв ограждения, Вт/(м2К), значения s приведены в приложении 3* (СНиП II-3-79**).
Коэффициент теплоусвоения материала s показывает способность поверхности стенки площадью 1 м2 усваивать тепловой поток мощность 1 Вт при температурном перепаде 1К. Он зависит от продолжительности отопления и физических свойств материала - теплопроводности, теплоёмкости, плотности.
Воздухопроницаемость - свойство ограждения или материала пропускать воздух при наличии разности давлений воздуха с разных сторон стенки (фильтрация). Если фильтрация происходит в направлении от наружного воздуха в помещение, то она называется инфильтрацией, при обратном направлении - эксфильтрацией.
Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждений возникает вследствие разности плотностей наружного и внутреннего воздуха (гравитационное давление) и под влиянием ветра (ветровое давление).
Гравитационное давление: перепад давлений в некоторой плоскости, отстоящей от нейтральной на расстояние h, определяется по формуле:
p=h(н-в), (3.12)
где: н, в - плотности наружного и внутреннего воздуха соответственно, кг/м3.
Ветровое давление: под действием ветра на наветренных поверхностях здания возникает избыточное давление, а на заветренных поверхностях - разряжение.
Величина избыточного статического давления pст (ветрового давления) равна:
, (3.13)
где: k1, k2 - аэродинамические коэффициенты соответственно с наветренной и заветренной сторон здания;
vн - скорость набегающего на здание потока воздуха.
Воздухопроницаемость ограждающей конструкции оценивается по величине сопротивления воздухопроницанию Rи, которое для сплошных слоёв материалов определяется так:
Rи = /i, (3.14)
где: - толщина слоя, м;
i - коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м2чПа), характеризующий количество воздуха в кг, которое проходит через 1 м2 ограждения за 1 ч при разности давлений 1 Па.
Сопротивление воздухопроницанию Rи должно быть не менее требуемого по СНиП II-3-79**, п. 5.1, Rитр, (м2чПа)/кг:
RиRитр=р/Gн, (3.15)
где: Gн - нормативная воздухопроницаемость ограждающей конструкции, кг/(м2ч).
Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции Rи, (м2чПа)/кг, определяют по формуле:
Rи=Rи1+Rи2+…+Rип, (3.16)
где: Rи1, Rи2,… Rип, - сопротивления воздухопроницанию отдельных слоёв ограждающей конструкции, (м2чПа)/кг.
Влажность. Повышение влажности строительных материалов увеличивает их теплопроводность, что существенно снижает теплозащитные качества ограждений. Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения (появляются плесень, грибки, повышается влажность воздуха в помещении). Кроме того, повышенная влажность материала ограждения оказывает соответствующее влияние и на её долговечность.
Пути попадания влаги:
- строительная влага - вносится при возведении зданий или при изготовлении ж/б конструкций;
- грунтовая влага - проникает в ограждение вследствие капиллярного всасывания;
- атмосферная влага - попадает при косом дожде или неисправной кровле;
- эксплуатационная влага - в процессе эксплуатации зданий;
- гигроскопическая влага - вследствие гигроскопичности материала ограждения;
- конденсационная влага - влага из воздуха может конденсироваться как на внутренней поверхности ограждения, так и в его толще.
Разность величин упругости водяного пара с одной и с другой стороны ограждения вызывает диффузионный поток водяного пара через ограждение от внутренней поверхности к наружной. Количество водяного пара, диффундирующего в стационарных условиях через плоскую однородную стенку, можно определить из выражения:
G=(eв-eн)(/), (3.17)
где: G - количество диффундирующего пара, кг;
eв и eн - упругости водяного пара у внутренней и наружной поверхностей, Па;
- коэффициент паропроницаемости материала стенки, кг/(мчПа);
- толщина стенки, м.
Коэффициент паропроницаемости материала зависит от физических свойств данного материала и представляет собой количество водяного пара, которое диффундирует в течение 1 ч через 1 м2 плоской стенки толщиной 1 м при разности упругостей водяного пара с одной и другой стороны, равной 1 Па.
Подобные документы
Строительная теплотехника, микроклимат искусственной среды обитания. Параметры внутреннего микроклимата здания. Проверка возможности конденсации водяных паров на внутренней поверхности и в толще наружного ограждения. Конструирование системы отопления.
курсовая работа [312,6 K], добавлен 10.11.2017Тепловой режим здания, параметры наружного и внутреннего воздуха. Теплотехнический расчет ограждающих конструкций, тепловой баланс помещений. Выбор систем отопления и вентиляции, типа нагревательных приборов. Гидравлический расчет системы отопления.
курсовая работа [354,1 K], добавлен 15.10.2013Технология механизированных производственных процессов ООО "Стройдело". Монтаж пластиковых окон. Проверка заведения углов на здании при помощи нивелира. Реконструкция инженерного оборудования (отопление, вентиляция, газоснабжение, водоснабжение).
отчет по практике [1,1 M], добавлен 15.09.2014Общие требования к системам кондиционирования и обеспечения микроклимата в помещениях. Основы строительной теплотехники, классификация котельных установок и отопительных приборов. Теплогенераторы малой мощности и нетрадиционные источники тепловой энергии.
курс лекций [9,5 M], добавлен 12.07.2011Проектирование систем отопления и вентиляции жилых помещений; санитарно-гигиенические, экономические, строительные, эксплуатационные требования. Теплотехнический расчёт ограждающих конструкций; определение теплопотерь, подбор нагревательных приборов.
курсовая работа [202,3 K], добавлен 14.01.2013Описание объемно-планировочных и строительных решений цеха. Экспликация вспомогательных помещений. Характеристика существующих систем отопления и вентиляции. Составление поверочного теплового баланса для проведения реконструкции цеха. Расчет теплопотерь.
дипломная работа [343,8 K], добавлен 17.03.2013Расчет мощности отопительных приборов системы отопления и теплопотерь через наружные стены. Воздухообмен и влагопоступление в помещении промышленного здания. Расчетные параметры внутреннего воздуха вентилируемых помещений. Вредные выделения в помещении.
курсовая работа [139,0 K], добавлен 12.11.2013Теплотехнический расчет перекрытия пола первого этажа, наружных стен и утепленного чердачного перекрытия. Описание проектируемой системы отопления. Расчет теплопотерь через наружные ограждения. Гидравлический расчет системы отопления и вентиляции.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 20.02.2015Выбор расчетных условий и характеристик микроклимата в помещениях, теплотехнических показателей строительных материалов. Определение тепловой мощности системы отопления, расчет теплопотерь через ограждающие конструкции. Расчет воздухообмена в помещениях.
курсовая работа [100,7 K], добавлен 18.12.2009Расчет системы отопления для квартиры, выбор приборов, числа секций в выбранном радиаторе, теплотехнический расчет ограждающих конструкций, расчет теплопотерь помещений. Вентиляция квартиры с определением воздухообмена, аэродинамический расчет каналов.
курсовая работа [30,6 K], добавлен 08.06.2011
