Виды перехода тепла. Переход тепла через плоскую стенку

Теплопроводностью называется процесс передачи тепла внутри тела или от одного к другому при соприкосновении частиц тела или двух тел, имеющих различную температуру.

В соответствии с законом Фурье количество тепла, проходящего в единицу времени через поверхность твердого тела, пропорционально коэффициенту теплопроводности материала, площади поперечного сечения тела, разности температур ограничивающих его плоскостей и обратно пропорционально толщине тела.

По закону Фурье количество тепла, проходящее через твердое тело, в ккал/ч

Q = F(t₁ - t₂), (1)

где - коэффициент теплопроводности материала в ккал/м ч град;

- толщина тела или материального слоя в м;

F - площадь в м²;

t₁ - t₂ - разность температур плоскостей, ограничивающих тело, в град.

Если = 1м, F = 1 м² и t₁ - t₂ = 1°, то Q = ккал/м ч град;

Следовательно, коэффициент теплопроводности материала определяется как количество тепла, проходящее в течении 1ч через 1м² поверхности тела толщиной 1 м при разности температур на границах тела 1°.

Величина коэффициента теплопроводности зависит от объемного веса, влажности и температуры материала. При увеличении объемного веса материала, его влажности и температуры значение коэффициента теплопроводности возрастает. Значение коэффициента теплопроводности строительных материалов приводятся в Строительных нормах и правилах (см. СНиП).

Отношение / в уравнении (1) называют тепловой проводимостью материального слоя. Оно показывает, какое количество тепла проходит за 1ч через 1м² материального слоя при разности температур 1°. Отношение / , т. е. обратную величину, называют термическим сопротивлением материального слоя. Эта величина имеет размерность м² ч град /ккал.

Конвекциейназывают передачу тепла движущимися частицами газа или жидкости. Соприкасаясь с нагретым телом, эти частицы нагреваются, перемещаются в пространстве и передают тепло другим телам с более низкой температурой. Например, воздух помещения, соприкасающийся с поверхностью отопительного радиатора, нагревается, расширяется и в результате уменьшения объемного веса поднимается кверху, а на смену ему из нижней части помещения поступает более холодный воздух.

Количество тепла, передаваемое конвекцией, определяется по формуле

 

Q_к = _к FD t , (2)

 

где Q - количество передаваемого тепла в ккал/ч;

_к - коэффициент конвекции в ккал/м² ч град;

F - поверхность, участвующая в теплообмене, в м²;

D t - разность температур поверхности и окружающего воздуха в град.

Коэффициент конвекции _к зависит в основном от скорости движения воздуха и разности температур у тепловоспринимающей или теплоотдающей поверхности. Конвективный поток может быть естественным и вынужденным. В первом случае конвекция возникает под воздействием разности объемных весов воздуха, а во втором - под воздействием какого-либо постороннего побудителя (например, движения воздуха у поверхности наружных стен здания под действием ветра).

В строительной теплотехнике для определения коэффициента конвекции пользуются эмпирической формулой

 

_к = 13 ккал/м² ч град , (3)

 

где n - скорость ветра для данной местности в м/сек.

Для ориентировочных расчетов скорость ветра на открытом месте можно принимать равной 1,5 м/сек.

При излучениитепло передается лучистой энергией от одного нагретого тела к другому, менее нагретому, через воздух без нагревания последнего. Излучение имеет большое значение при передаче тепла от нагревательных приборов к наружным стенкам помещений, внутренним перегородкам, мебели. Внутренние перегородки и мебель, повышая свою температуру, отдают тепло воздуху помещения путем конвекции.

Теплообмен излучением может происходить только между телами с различной температурой. По закону Стефана - Больцмана энергия теплоизлучения Е в ккал/ч пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела, т. е.

Е = С F ( )⁴ ккал/т, (4)

 

где С - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоизлучения, в ккал/м² ч x °К⁴ ( по температурной шкале Кельвина);

F - поверхность излучения в м² ;

Т - абсолютная температура в °К.

Коэффициент теплоизлучения зависит от природы тела, обработки его поверхности и температуры тела. Наибольшим коэффициентом теплоизлучения обладает абсолютно черное тело: для него С₀ = 4,96 ккал/м² ч °К⁴; коэффициент теплоизлучения бетона равен 3,1 ккал/м² ч °К⁴.

Если теплообмен излучением происходит между двумя параллельными поверхностями, то количество тепла, отданное излучением более нагретой поверхности (температура Т₁) менее нагретой (температура Т₂), составит

Q_изл = С_пр F [ ( )⁴ - ( )⁴], (5)

 

где С _пр - приведенный коэффициент теплоизлучения в ккал/м² ч °К, определяемый по формуле

 

С _пр = , (6)

 

в которой С₁ - коэффициент теплоизлучения поверхности с температурой Т₁;

С₂ - то же с температурой Т₂;

С₀ - коэффициент теплоизлучения абсолютно черного тела.

Взамен уравнения (5) иногда используются равнозначным ему уравнением

Q_изл = _изл (t₁- t₂), (7)

 

где _изл - коэффициент теплообмена излучением в ккал/м² ч град.

Из уравнений (5) и (7) следует, что

_изл = , (8)

 

Значения коэффициента _изл изменяются в довольно широких пределах в зависимости от температуры поверхностей, участвующих в процессе теплообмена.

Переход тепла через плоскую стенку.При всех вариантах теплообменах передача тепла осуществляется последовательно в три этапа: тепловосприятие - тепловая энергия передается поверхности ограждения; теплопроницание - тепло преодолевает толщу ограждения; теплоотдача - поверхность ограждения отдает тепло в сферу более холодного воздуха. Виды теплообмена и этапы передачи можно представить графически (рисунок 2). Тепловому потоку, проходящему через ограждение, среда оказывает сопротивление, которое называют, соответственно этапу передачи, сопротивлением тепловосприятия (R_в); термическим сопротивлением ограждающей конструкции (R_к) и сопротивлением теплоотдачи (R_н).

 

Рисунок - 2 Виды теплообмена и этапы передачи тепла