Теплообмен у поверхности ограждения

При рассмотрении процесса теплообмена между поверхностью стенки и подвижной средой наиболее существенное значение имеет перенос тепла конвекцией и излучением.

Конвективный теплообмен достаточно точно описывается законом Ньютона, согласно которому плотность теплового потока на поверхности теплообмена прямо пропорциональна разности температур и окружающей среды

, (4.11)

где t и t_s – температуры окружающей среды и поверхности стенки, соответственно; t > t_s;

α_к – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·ºС).

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность конвективного теплообмена. Его можно определить как количество тепла, переданное за единицу времени через единицу площади поверхности стенки при разности температур между поверхностью и подвижной (воздушной – в нашем случае) средой в 1ºС.

.

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих процесс теплоотдачи. Коэффициент α_к зависит от температуры и формы поверхности, от скорости движения среды, ее температуры, физических свойств: коэффициента теплопроводности, теплоемкости, вязкости и др.

Величина 1/α_к, обратная коэффициенту теплоотдачи, называется термическим сопротивлением теплоотдаче. Она имеет такую же размерность, как термическое сопротивление R, то есть м²·ºС/Вт.

Теплообмен излучением (или радиационный теплообмен) описывается законом Стефана-Больцмана, по которому плотность теплового потока, передаваемого от нагретого тела к холодному путем излучения, определяется выражением

, (4.12)

где C₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67 Вт/(м²·K⁴);

T₁ и T₂ – абсолютные температуры двух тел, K;

ε – приведенная степень черноты системы двух тел

, (4.13)

где ε₁ и ε₂ – степени черноты тел (телом может быть и газ).

Степень черноты характеризует способность тела излучать и поглощать энергию. Она зависит от природы тела, фактуры его поверхности (гладкая, шероховатая) и его температуры. Степень черноты материалов приводится в справочниках. Для реальных тел ε < 1.

Теплообмен излучением наиболее важен при высоких температурах.

Процесс переноса тепла между воздушной средой и поверхностью ограждающей конструкции является результатом совместного действия конвективного теплообмена и теплового излучения. Это так называемый сложный теплообмен. Здесь в качестве основного явления обычно принимается конвекция. В этом случае количественной характеристикой процесса служит коэффициент теплоотдачи α

α = α_к + α_л, (4.14)

где α_к учитывает действие конвекции, а α_л – действие теплового излучения.

Пусть тепло передается от теплого воздуха помещения с температурой t холодной поверхности стены, температура которой равна t_s. Плотность теплового потока при сложном теплообмене запишем по аналогии с формулой (4.11)

. (4.15)

С другой стороны, плотность теплового потока можно определить, суммируя выражения (4.11) и (4.12)

. (4.16)

Так как t – t_s = T₁ – T₂, вынесем эту разность в формуле (4.16) за скобки, тогда получим

. (4.17)

Введем температурный коэффициент θ

. (4.18)

Тогда из формул (4.15) и (4.16а) определим α_л

α_л = ε · C₀·θ. (4.19)

α_л называется коэффициентом лучистого теплообмена. Он зависит от степени черноты тел и их температур.

Поскольку коэффициент теплоотдачи α зависит от многих факторов, то для большинства характерных случаев он определен экспериментально. В теплотехническом расчете ограждающих конструкций используются следующие значения коэффициента теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции α_extдля холодного периода:

– α_ext = 23 Вт/(м²· ºС) – на наружной поверхности стен, покрытий;

– α_ext =10,8 Вт/(м²· ºС) – на поверхности конструкции, обращенной в сторону вентилируемой наружным воздухом прослойки – для ограждающих конструкций с вентилируемыми воздушными прослойками.

В таблице 4.2 приведены значения коэффициентов теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции α_int.

Таблица 4.2 – Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции