8592
.pdf10
Строительная теплотехника. Формирование конструктивными способами в помещении микроклимата, отвечающего заранее заданным требованиям.
Задание для самостоятельной работы:
В качестве задания для самостоятельной работы студентам предлагается написать эссе на тему «Необходимость знаний по строительной теплотехнике в современном мире».
Тема 2. Теория теплообмена-1
Цель лекции: дать обучающимся представление о теории теплообмена, ее основных определениях и составных разделах.
Вид лекции: по дидактическому назначению – тематическая, по содержанию и построению – познавательная.
Дидактические функции лекции:
1.Формирование у обучающихся представления о теории теплообмена, как необходимой научной базе для дальнейшего рассмотрения разделов дисциплины.
2.Развитие познавательного интереса к содержанию дисциплины.
3.Воспитание ключевых компетенций.
Содержание учебного раздела:
Раскрытие основных понятий: теплообмен, стационарное и нестационарное температурное поле, температурный градиент. Виды теплопередачи.
Рассмотрение одного из видов теплообмена – теплопроводности. Закон теплопроводности Фурье, коэффициент теплопроводности, понятие термического сопротивления.
11
Краткое содержание учебного материала
Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум.
Теплообмен – самопроизвольный, необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры.
Температурное поле – совокупность значений температуры во всех точках исследуемого пространства в данный момент времени.
Геометрическое место точек, имеющих одинаковую температуру, называют изотермической поверхностью. Так как в одной и той же точке не может быть двух разных температур, то изотермические поверхности не могут пересекаться;
они замыкаются сами на себя, располагаясь на границах тела или внутри него.
Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. Приводит к выравниванию температуры тела.
Количество тепла, которое передаётся путём теплопроводности установлено в
1822 году Ж. Фурье и выражается уравнением:
Q F gradt
где - коэффициент теплопроводности материала;
grad t – градиент температуры в направлении, противоположном тепловому потоку, 0С. Знак «–» указывает, что тепловой поток всегда направлен в сторону понижения температуры.
F – площадь стенки, м2,
- время передачи тепла в часах.
Задание для самостоятельной работы:
В качестве самостоятельной работы предлагается изучение научной
литературы для углубления знаний.
Тема 3. Теория теплообмена-2
12
Цель лекции: дать представление о конвективном теплообмене.
Вид лекции: по дидактическому назначению – тематическая, по содержанию и построению – познавательная.
Дидактические функции лекции:
1.Формирование у обучающихся знаний о конвективном теплообмене, как одном из важных способов передачи тепла.
2.Развитие познавательного интереса к содержанию дисциплины.
3.Воспитание ключевых компетенций.
Содержание учебного раздела:
Понятие конвективного теплообмена. Гидродинамическая аналогия.
Понятие теплового пограничного слоя. Коэффициент конвективной теплоотдачи.
Краткое содержание учебного материала
Конвективная теплопередача имеет в жидкостях или газах и представляет собой перенос теп лижущимися массами жидкости или газа.
В обычном понятии конвективная теплопередача представляет собой процесс теплопередачи между непосредственно соприкасающейся поверхностью твердого тела с движущейся жидкой или газообразной средой. Различают два вида конвекции: естественную и вынужденную.
Естественная конвекция вызывается наличием температурного перепада в жидкой или газообразной среде и связанным с этим изменением плотности по объему среды. Температурный перепад в среде обусловлен наличием источника тепловыделения в эту среду или теплопоглощением из нее.
Источником тепловыделения в воздушную среду могут быть горячие поверхности отопительных приборов, а теплопоглощение из воздушной среды может производиться внутренними поверхностями наружных ограждающих
13
конструкций, имеющих в зимнее время более низкую температуру, чем внутренний воздух.
При соприкосновении с этими поверхностями воздух нагревается (или охлаждается) и поднимается вверх (или опускается вниз). Его место занимают новые массы воздуха, которые в свою очередь также подвергаются нагреву или охлаждению. Таким путем возникает циркуляционное перемещение массы воздуха из одной части помещения в другую, вызывающее конвективный теплообмен между соприкасающимися воздушной средой и внутренней поверхностью ограждения.
Вынужденная конвекция воздушной среды вызывается механическими воздействиями, приводящими в движение воздушную среду. Побудителями этих воздействий на воздушную среду могут быть внутри здания работа вентиляторов,
вращающиеся части механизмов, а снаружи здания - сила ветра.
Конвективный теплообмен зависит от многих факторов, а именно: от характера движения воздуха, его плотности и температуры, состояния поверхности твердого тела, величины температурного перепада между воздухом и поверхностью ограждения и др.
Большое количество факторов, оказывающих влияние на конвективную теплопередачу, весьма затрудняет не только аналитическое решение данной задачи, но и опытное изучение конвективного теплообмена.
Задание для самостоятельной работы:
В качестве самостоятельной работы предлагается изучение научной
литературы для углубления знаний.
Тема 4. Теория теплообмена-3
Цель лекции: дать представление о лучистом теплообмене.
14
Вид лекции: по дидактическому назначению – тематическая, по
содержанию и построению – познавательная.
Дидактические функции лекции:
1.Формирование у обучающихся знаний о лучистом теплообмене, как одном из важных способов передачи тепла.
2.Развитие познавательного интереса к содержанию дисциплины.
3.Воспитание ключевых компетенций.
Содержание учебного раздела:
Раскрытие понятия «теплового излучения». Инфракрасное волны и их тепловые свойства. Основные законы теплового излучения: закон Планка, закон Вина, закон Стефана-Больцмана. Лучистый теплообмен между двумя телами в лучепрозрачной среде.
Краткое содержание учебного материала
Лучистый теплообмен, или радиация, представляет собой процесс передачи тепла от одного тела к другому путём электромагнитных колебаний через промежуточную, прозрачную для теплового излучения среду.
Отсутствие непосредственного соприкосновения тел, участвующих в теплообмене, а также отсутствие теплоносителя в виде газа или жидкости является характерной особенностью лучистого теплообмена.
Тепловое излучение – результат внутриатомных процессов, обусловленных влиянием температуры. При нагреве тела тепловая энергия переходит в лучистую энергию.
Согласно электромагнитной теории света, носителями лучистой энергии являются электромагнитные волны, излучаемые телами. Эти волны в изотропной среде или вакууме распространяются прямолинейно со скоростью света,
подчиняясь оптическим законам преломления, поглощения и отражения.
15
Лучистая энергия, падающая на тело в зависимости от его природных свойств, формы и состояния поверхности, в общем случае, частью поглощается и переходит в тепловую энергию (а иногда и в другие формы энергии), частью проходит сквозь него и частью отражается в окружающее пространство.
В наибольшей степени тепловыми свойствами (поглощаться телами и переходить в тепловую энергию) обладают инфракрасные лучи с длиной волн
0,8÷420 мкм.
Основные законы теплового излучения
1. Закон Планка Устанавливает распределение интенсивности излучения по различным
участкам спектра длин волн λ.
Зависимость спектральной плотности потока излучения абсолютно черного тела с длиной волны излучения и абсолютной температурой тела была установлена М. Планком в 1900 г.:
I |
|
|
|
C1 5 |
|
|
|||
0 |
|
|
C 2 |
|
|
, Вт/м |
3 |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
e T |
1 |
|
|||
где С1=3,74·10-16 Вт/м2;
С2=1,44·10-2 м·0К – постоянные излучения
е=2,7 – основание натуральных логарифмов.
2. Закон Вина
Плотность потока излучения I0λ возрастает от нуля при λ=0 до максимума при определенной длине волны λмах и снова стремится к нулю при λ→∞.
В.Вин в 1893 г установил, что произведение Т ·λмах есть величина постоянная:
Т max 2,898 10 3 м·0К
Из этого выражения следует, что с ростом температуры максимум излучения смещается в стону коротких волн. Так, в излучении с поверхности
16
Солнца (Т≈5500К) максимум приходится на видимую часть спектра (λмах=0,5
мкм), а в излучении электронагревателя (Т≈1100К) λмах=3 мкм, причем энергия видимого (светового) излучения ничтожна по сравнению с энергией теплового
(инфракрасного) излучения.
Задание для самостоятельной работы:
В качестве самостоятельной работы предлагается изучение научной
литературы для углубления знаний.
Тема 5. Некоторые вопросы теории теплообмена
Цель лекции: дать представление о важных частных случаях в теории
теплообмена.
Вид лекции: по дидактическому назначению – тематическая, по содержанию и построению – познавательная.
Дидактические функции лекции:
1.Формирование представления у обучающихся о неразрывной взаимосвязи академических научных представлений о внешнем мире и практическими методами, создаваемыми на их основе, для использовании в практических расчетах.
2.Развитие познавательного интереса к содержанию дисциплины.
3.Воспитание ключевых компетенций.
Содержание учебного раздела:
Понятие сложного теплообмена в условиях стационарного теплового поля.
Термическое сопротивление криволинейных поверхностей. Термическое
сопротивление замкнутых воздушных прослоек.
17
Краткое содержание учебного материала
Очень часто теплоносители движутся по трубам и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы. Задача о распространении тепла в цилиндрической стенке при известных и постоянных температурах на внутренней и наружной поверхностях также одномерная, если ее
рассматривать в цилиндрических координатах.
Распределение температуры по толщине однослойной цилиндрической
стенки.
Температура изменяется только вдоль радиуса (по координате r), а по длине трубы и по ее периметру остается неизменной. В этом случае grad t dt / dr , и
закон Фурье будет иметь вид:
q |
dt |
|
|
dr |
(1) |
||
|
|||
|
|
или
18 |
|
|
|
Q Fq 2 rl |
dt |
(2) |
|
dr |
|||
|
|
Интегрировать удобнее уравнение (2), так как тепловой поток не меняется по толщине стенки, а q Q
F const , поскольку площадь F=2πrl, через которую проходит тепловой поток, зависит от радиуса.
Разделяя переменные:
dt |
|
Q |
|
|
dr |
|
|
|||
|
|
|
|
|
(3) |
|||||
|
|
2 l r |
||||||||
|
|
|
||||||||
Интеграл этого уравнения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
t |
Q |
|
ln |
1 |
C |
|
||||
|
|
|
(4) |
|||||||
|
2 l |
r |
||||||||
|
|
|||||||||
показывает, что распределение температуры по радиусу стенки подчиняется логарифмическому закону. У внутренней поверхности, где кривизна стенки больше, температура меняется резче, чем у наружной.
Интегрирование уравнения (1) в определенных пределах (по tот tc1 до tc2и по r от r1доr2) дает зависимость для расчета теплового потока через цилиндрическую стенку:
Q |
|
tc1 tc 2 |
|
|
tc1 tc 2 |
|
||
|
1 |
|
d2 |
|
R |
(5) |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 l ln |
d1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Термическое сопротивление Rλцилиндрической стенки рассчитывается по достаточно сложной для практических расчетов формуле:
R |
1 |
ln |
d2 |
|
|
|
|
|
(6) |
||
|
2 l d1 |
|
|||
Причем при значениях d2/d1 |
близких |
к единице, расчеты должны |
|||
проводиться с высокой точностью, поскольку небольшая погрешность,
допущенная при определении отношения d2/d1 в этом случае дает значительную ошибку при вычислении логарифма. Например, если значение d2/d1 =1,09
округлить до 1,1 (погрешность округления меньше 1%), погрешность вычисления
19
логарифма, а следовательно, и теплового потока будет больше 10%. С другой стороны, оказывается, что при отношении d2/d1≤1,5 погрешность определения термического сопротивления цилиндрической стенки по формуле Rλ=δ/(λF),
справедливой для плоской стенки [поверхность трубы считается по среднеарифметическому диаметру d=0,5(d1+d2)], дает ошибку меньше 1,5%.
Большая точность в практических расчетах требуется редко.
Задание для самостоятельной работы:
В качестве самостоятельной работы предлагается изучение научной
литературы для углубления знаний.
Тема 6. Проектирование тепловой защиты зданий
Цель лекции: дать представление о системе теплотехнических расчетов,
как о составном разделе проектной документации, а также методах их выполнения в системе действий проектирования реального объекта.
Вид лекции: по дидактическому назначению – тематическая, по содержанию и построению – познавательная.
Дидактические функции лекции:
1.Формирование умений по выполнению теплотехнических расчетов.
2.Развитие познавательного интереса к содержанию дисциплины.
3.Воспитание ключевых компетенций.
Содержание учебного раздела:
Последовательность проектирования тепловой защиты. Выбор условий
эксплуатации. Определение параметров наружного воздуха. Подбор или