Основные понятия о теплопередаче, состояние теории теплофизики строительных материалов

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Основные понятия о теплопередаче, состояние теории теплофизики строительных материалов

Передача теплоты, происходящая в твердых телах, неоднозначна и определяется существующими для каждой из них закономерностями.

Теплопередачей называют теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.

Количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени, называют тепловым потоком и измеряют в Вт (Дж/с). Интенсивность теплового потока прямо пропорциональна разности температур на нагретой и холодной поверхностях, т.е. температурному градиенту, который является вектором и имеет положительный знак при возрастании температуры.

Температурный градиент есть не что иное, как предел отношения изменения температуры At к расстоянию между изотермами по нормали An при условии, что

An —» 0, т.е

(2.15)

Это выражение справедливо для стационарного теплового режима.

Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности тела, через которое осуществляется процесс теплопередачи, называют поверхностной плотностью теплового потока g = Q/F, Вт/м2. Величина g - вектор, направление которого противоположно направлению температурного градиента, так как тепловая энергия самостоятельно распределяется только в сторону убывания температуры.

Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры

(2.16)

где А, - множитель пропорциональности, характеризующий способность вещества (материала) проводить теплоту, т.е. его теплопроводность.

Из уравнения (2.16), которое является математическим выражением основного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фурье), следует, что теплопроводность А, Вт/(м-К) или Вт/(м-°С), определяет интенсивность теплового потока, проходящего через 1 м2 поверхности при температурном градиенте 1 К/м (1°С/м), т.е. при разности температур на горячей и холодной сторонах материала толщиной 1м в 1К.

Перенос теплоты теплопроводностью характерен для веществ (материалов), находящихся в любом агрегатном состоянии. Он имеет место в

сплошной среде, т.е. при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. В общем же виде теплопере-

нос представляет собой сложный теплофизический процесс, в котором можно выделить кроме теплопроводности еще два элементарных вида переноса теплоты: конвекцию и тепловое излучение.

Конвекцией называют перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Этот вид теплообмена свойственен движущимся жидкостям или газам. При этом различают два вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроизвольное перемешивание частей жидкости или газа с различной температурой, и вынужденную, когда движение частиц вызывается внешними воздействиями (принудительном перемешиванием, продувкой и т.п.).

Интенсивность конвективного теплообмена (теплопереноса) характеризуется коэффициентом теплопередачи а, определяемым по формуле Ньютона:

е

е

(2.17)

где F - поверхность теплообмена.

Значения а и, следовательно, интенсивность теплообмена зависят от множества параметров этого процесса: формы, размеров и температуры конструкций, скорости движения, температуры и физических свойств (вязкости, теплоемкости, плотности и т.д.) газов или жидкостей и ряда других факторов.

Однако при прочих равных условиях а зависит главным образом от условий движения среды. Поэтому значение конвективного теплообмена в ограждающих строительных конструкциях и теплоизоляционных материалах определяется размером воздушных полостей и пор, а также степенью связанности этих полостей и пор между собой.

Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающего лучистую теплоту. Этот вид теплопередачи возможен лишь в газообразной среде или в вакууме.

Долю теплообмена лучеиспусканием определяют по формуле:

е (2.18)

где sn - приведенная степень черноты тел, между которыми происходит лучистый теплообмен; С0 - коэффициент излучения черного тела, равный 5.7Вт/(м2 • °С4); TI и Т2 - температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен.

В данной формуле наиболее значимой величиной являются температуры, которые находятся в четвертой степени. Следовательно, лучистый теплообмен решающим образом зависит от температуры материала или, вернее, от разно-

сти температур между излучающей теплоту поверхностью и поверхностью, поглощающей теплоту.

Если рассмотреть элементарную пору в каком-то теплоизоляционном материале, заполненную воздухом или газом, то опираясь на закономерность, выраженную формулой (2.18), можно сделать следующее заключение. Чем больше диаметр поры, тем больше разница температуры между более и менее нагретыми ее поверхностями, тем, следовательно, более интенсивен теплообмен излучением.

С другой стороны, анализ формулы позволяет сделать заключение о том, что при повышении степени нагретости тела (при повышении температуры эксплуатации материала) передача теплоты излучением возрастает.

Практика показывает, что этот вид теплопередачи имеет существенное, а иногда и превалирующее значение только при изоляции промышленного оборудования, т.е. при высоких температурах. Следует заметить, что элементарные виды теплообмена не обособлены и в чистом виде в задачах строительной теплофизики не встречаются. Как правило, в строительных конструкциях одновременно имеют место все виды теплообмена, поэтому количественная оценка вклада каждого из них в общую теплопередачу затруднена.

Теплоизоляционные материалы должны характеризоваться высокой общей пористостью, так как воздух, заполняющий поры - плохой проводник теплоты, и не иметь сплошного каркаса из основного материала. С другой стороны, для снижения конвективного переноса теплоты необходимо стремиться к максимально возможному уменьшению размеров пор и ходов, соединяющих эти поры. При этом теплоизоляционные материалы должны быть защищены от увлажнения, хорошо противостоять процессам гниения, замораживания и оттаивания, т.е. характеризоваться высокими эксплуатационными показателями.

Решающими показателями эксплуатационных свойств теплоизоляционных материалов являются: термическая стойкость - способность материала выдерживать многократное попеременное нагревание и охлаждение; температуростойкость - способность материала длительное время выдерживать воздействие высокой температуры; огнеупорность - способность материала выдерживать, не расплавляясь (не размягчаясь), воздействие высоких температур; коррозионная стойкость - способность материала противостоять агрессивным средам и т.п.

По числу слоев конструкции подразделяют на однослойные и многослойные. Однако с позиций теплофизики практически все строительные ограждающие конструкции и тем более ограждения высокотемпературного технологического оборудования и трубопроводов следует считать многослойными. Например, однослойные (по строительной номенклатуре) стеновые панели из керамзито- или газобетона фактически состоят из трех слоев: наружного фак-

турного слоя, слоя основного материала и внутреннего отделочного слоя. Теплопроводность каждого из этих слоев различна.

По форме ограждающие конструкции подразделяют на плоские, цилиндрические (трубопроводы) и шаровые стенки (емкости для хранения сжиженного газа, воды и др.).