Нестационарная теплопередача

ЛЕКЦИЯ 7

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Общие сведения

Температура наружного воздуха в холодный период колеблется (например, при оттепелях от -30 до + 5˚С в течение нескольких суток, а летом суточные колебания - днем + 35, а ночью около 15˚С). Возможны также колебания температуры внутри помещения за счет периодического печного отопления, неравномерности подачи тепла центральным отоплением или при отключении отопления. Все это вызывает изменения температурного режима ограждений и отражается на тепловом состоянии помещений. Таким образом, нарушается стационарный режим. В таких случаях имеет место нестационарный тепловой процесс, который всегда связан с изменением теплоемкости тела и им оговаривается.

 

Теплостойкость - свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной внутрь помещения, при периодических изменениях температуры воздуха (внутреннего и внешнего) и колебаниях потока тепла, который возникает по этой причине и проходит через ограждение.

Решить задачу нестационарной теплопередачи - значит найти зависимость изменения температуры и количества передаваемого тепла во времени (τ) в любой точке тела. Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид

. (7.1)

Здесь а - коэффициент температуропроводности, , м²/с, показывает скорость изменения теплового процесса при нестационарном режиме. Он прямо пропорционален способности материала проводить тепло (λ) и обратно пропорционален его аккумулирующей способности (сρ). Тела с более высоким значением ср быстро нагреваются или охлаждаются до температуры, соответствующей равновесному состоянию с окружающей средой.

Аккумулирование тепла

Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.

 

Для более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.

Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С р В2 / λ. Где С - удельная теплоёмкость, р - средняя плотность, λ - коэффициент теплопроводности, B – толщина стены

 

Теплостойкость пола

Теплообмен стопы человека с поверхностью пола зависит от теплоусвоения пола. При температуре воздуха 23 °С и более пол заведомо теплостойкий и не требует дополнительных расчетов.

При длительном контакте ноги с полом (рабочая смена в течение 6 – 7часов с условным периодом 6,28 часа) коэффициент теплоусвоения пола становится по своей абсолютной величине равным коэффициенту тепловой активности, характеризующий тепловую активность пола

 

.

Это позволяет рассчитывать и нормировать теплоусвоения конструкции пола так же, как и других ограждающих конструкций. Слой резких колебаний определяется тепловой инерцией

D = 0,5.

Для поверхности пола коэффициент теплоусвоения (Y_п) не должен превышать нормативного значения (Y_maxп), которое для жилых зданий, например, равно 12 Вт/(м²·К).

 

Теплостойкость помещений

Резкие колебания температуры воздуха в помещениях нежелательные с точки зрения гигиенических требований и могут быть ограничены путем улучшения теплофизических свойств ограждений.

Под теплостойкостью помещения понимается его свойство сохранять постоянство внутренней температуры при колебаниях внешних тепловых потоков или неравномерной теплоотдачи отопительных приборов.

Амплитуда температурных колебаний не должна превышать 1,5 °С для центрального и 2,5 °С - при наличии теплоаккумуляционного отопления.

Амплитуду колебаний теплового потока можно представить как разность двух потоков: один идет на нагрев воздуха, другой - на повышение температуры внутренней поверхности.

Амплитуда колебаний температуры внутреннего воздуха , °С, определяется по формуле

, (7.10)

где - суммарные теплопотери через ограждение, Вт;

и - соответственно площадь внутренней (по внутреннему обмеру) и внешней (по внешнему обмеру) поверхности ограждения, м²;

- сопротивление теплопередаче ограждения, м² К/Вт;

0,7- коэффициент, учитывающий различия во времени периодических колебаний тепла и температуры;

т - коэффициент неравномерности отдачи тепла отопительными приборами (для центрального отопления т = 0,1);

В_і - коэффициент теплопоглощения внутренней поверхности ограждения, Вт / (м 2 К), находится по формуле

(7.11)

Коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности (Yв) определяется по формулам 7.7 - 7.8а методом приближения.

 

ЛЕКЦИЯ 7

НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Общие сведения

Температура наружного воздуха в холодный период колеблется (например, при оттепелях от -30 до + 5˚С в течение нескольких суток, а летом суточные колебания - днем + 35, а ночью около 15˚С). Возможны также колебания температуры внутри помещения за счет периодического печного отопления, неравномерности подачи тепла центральным отоплением или при отключении отопления. Все это вызывает изменения температурного режима ограждений и отражается на тепловом состоянии помещений. Таким образом, нарушается стационарный режим. В таких случаях имеет место нестационарный тепловой процесс, который всегда связан с изменением теплоемкости тела и им оговаривается.

 

Теплостойкость - свойство ограждающей конструкции сохранять относительное постоянство температуры на поверхности, обращенной внутрь помещения, при периодических изменениях температуры воздуха (внутреннего и внешнего) и колебаниях потока тепла, который возникает по этой причине и проходит через ограждение.

Решить задачу нестационарной теплопередачи - значит найти зависимость изменения температуры и количества передаваемого тепла во времени (τ) в любой точке тела. Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид

. (7.1)

Здесь а - коэффициент температуропроводности, , м²/с, показывает скорость изменения теплового процесса при нестационарном режиме. Он прямо пропорционален способности материала проводить тепло (λ) и обратно пропорционален его аккумулирующей способности (сρ). Тела с более высоким значением ср быстро нагреваются или охлаждаются до температуры, соответствующей равновесному состоянию с окружающей средой.

Аккумулирование тепла

Свойство материала при нагревании поглощать, а при охлаждении отдавать определённое количество теплоты называют теплоаккумулирующей способностью. Зависит она от удельной теплоемкости строительного материала, его средней плотности и толщины стеновой конструкции. Физический смысл теплоаккумулирующей способности (Qs) материала в возможности накопить и удержать в квадратном метре стены заданной толщины некоторое количество тепловой энергии, которая в дальнейшем может определенное время (время остывания ta) расходоваться на поддержание комфортного микроклимата в помещении.

 

Для более понятного восприятия можно провести аналогию с радиаторами отопления. Чугунные радиаторы благодаря тепловой инерции, то есть большей способности чугуна аккумулировать тепло, при отключении подачи теплоносителя остаются горячими более длительное время, расходуя накопленную энергию на прогрев помещения, чем стальные или алюминиевые.

Время остывания стен зависит от теплоаккумулирующей способности материала и сопротивления теплопередаче ta = Qs R, и чем Qs и R больше, тем более длительный промежуток времени в помещениях дома будет сохраняться приемлемые для жизнедеятельности условия. Полная формула расчёта времени остывания будет выглядеть так: ta = С р В2 / λ. Где С - удельная теплоёмкость, р - средняя плотность, λ - коэффициент теплопроводности, B – толщина стены