Строителна топлофизика
в направление подготовка "Строителство"
профил на обучение "Топло- и газоснабдяване и вентилация"
Съдържание
1 Топлообмен в помещението
При експлоатацията на сгради определящ е топлинният режим на помещението.
Топлинната среда се определя от:
подвижност и влажност на въздуха;
наличието на струйни потоци;
разпределение на параметрите на въздуха в план и височина;
радиация на околните повърхности, в зависимост от температурата, геометрията и свойствата на излъчване.
Под влияние на конвективния и лъчистия топлопренос и процеси, масовият пренос на температурата на въздуха и повърхностите в помещението са взаимосвързани и оказват голямо влияние един върху друг.
1.1 Обща схема на топлообмен в помещението
Общата схема на топлообмен в помещението е показана на фигура 1.1. От това следва, че в топлообмена в помещението участват редица елементи. Това е въздухът на основния (незает от струйни течения) обем на помещението, повърхности, обърнати към помещението, обеми на въздушни струи, външна среда (външен въздух, охлаждаща течност в устройствата на системата за отопление и охлаждане). Между изброените елементи възникват следните видове топлообмен.
Конвективният топлообмен (K) възниква между въздуха и повърхностите на оградите и устройствата на системата за отопление и охлаждане, лъчист (L) - топлообмен между отделни повърхности.
Поради турбулентно смесване на неизотермични въздушни струи с въздуха на основния обем на помещението възниква струен (St) топлообмен.
Вътрешните повърхности на външните огради се пренасят главно чрез топлопроводимост през дебелината на конструкциите и чрез топлообмен към външния въздух, а повърхностите на устройствата също се пренасят чрез топлопроводимост на устройствата и топлообмен -охлаждаща течност на системата за отопление и охлаждане.
- въздух на основния обем на помещението; - повърхности, обърнати към помещението; - въздушни струи; - външна среда;
– конвективен топлопренос; – лъчист топлопренос; - външна ограда; - панел; - неизотермична струя захранващ въздух
Фигура 1.1 - Обща схема на топлообмен в помещението
Важен компонент на сложен процес, който формира топлинния режим на помещението, е преносът на топлина върху повърхностите.
Топлинният баланс на всяка повърхностiв помещението (Фигура 1) в стационарни и нестационарни условия може да бъде представен въз основа на закона за запазване на енергията:
Лъчисти Li, конвективни Ki, проводими (топлопроводими) Ti компоненти на топлопреминаване върху повърхностите в помещението могат да се променят с времето, да имат различни стойности и знаци, но уравнение (9) остава непроменено за всички повърхности в стационарни и нестационарни условия на топлообмен.
Изключения са свързани явления (изпаряване на вода и кондензация на влага, облъчване от концентриран източник на топлина) за такива условия уравнението на топлинния баланс отчита условията на допълнителни източници на топлина или поглътители.
2 Пълен топлообмен на повърхността в помещението
Количеството топлина, което произволна повърхност i възприема или отделя в резултат на лъчисто-конвективен топлопренос в помещението, е равно на количеството топлина, което се прехвърля към повърхността или се отстранява от нея чрез топлопроводимост.
Топлопроводимостта пренася количеството топлина Ti, което средно по цялата площ Fi, стойностите на температурния градиент близо до повърхността ti/n и коефициентът на топлопроводимост λi е:
При стационарни условия, когато температурният градиент в дебелоградата остава непроменена във времето, по-удобно е да напишете уравнение (10) във формата:
(2.2)
където K / i е коефициентът на топлопреминаване от вътрешната повърхност на оградата към външната среда, чиято температура е равна на tav i.
Общото уравнение за топлинния баланс на повърхност i в помещението е:
(2.3)
Топлинният баланс на повърхността в помещението може да се запише под формата на две уравнения:
(2.4)
(2,5)
където αкi е коефициентът на конвективен топлопренос, средно по повърхността;
Qi - други източници и поглътители на топлина на повърхността.
Членовете в уравнения (2.4) и (2.5) имат същата нотационна структура. Всички топлинни потоци, които съставляват топлинния баланс, са пропорционални на съответните температурни разлики (in, ° С). Такъв запис на уравненията се оказва удобен за изчисляване на топлопреминаването при използване на метода на електротермичната аналогия или компютър.
Както бе споменато по-горе, отчитането на многократното отражение значително усложнява изчисляването на топлинния баланс на повърхността и в същото време не оказва голямо влияние върху крайните резултати. В строителната практика обикновено се ограничава до отчитане само на първото отражение. В този случай топлинният баланс на повърхността се описва с едно уравнение:
(2.6)
В съответствие с характеристиките на топлообмена, всички повърхности в помещението могат да бъдат разделени на три характерни групи: охлаждане, отопление и неутрално.
Охлаждащиповърхности на помещенията през зимния период на годината ще бъдат вътрешните повърхности на външните огради. Може да има няколко такива повърхности. Особеността на записването на уравнение (15) за външни огради е, че τi се заменя с температурата на вътрешната повърхност на външната ограда τv, а K'i - с намаления коефициент на топлопреминаване K'no от вътрешната повърхностограда за външен въздух, отнасяща се до зона Fi. Последният се определя от размерите на вътрешната повърхност, обърната към помещението. Околната температура tcpi е температурата на външния въздух tn.
Заотопляемиповърхности (през зимата, например, това са отоплителни панели или други отоплителни уреди), стойностите на отделните величини в уравнение (3.6) ще бъдат както следва: τi – температура на панела τp; К'i – коефициент на топлопреминаване от повърхността на панела към охлаждащата течност К'нп; tcpi е средната температура на топлоносителя в тръбите на панела tp.
Занеутралниповърхности на вътрешни стени и тавани в уравнение (3.6), компонентът на преноса на топлина чрез топлопроводимост Ti (трети член) е равен на нула. При стационарни условия тези повърхности не се нагряват или охлаждат от страната на оградите и са, така да се каже, адиабатни рефлектори, тъй като те също предават получената топлина от помещението към него. Повърхностите на вътрешните стени могат да имат положителен радиационен баланс, като получават определено количество топлина в резултат на лъчист топлопренос. Те ще дадат същото количество топлина на въздуха в помещението чрез конвекция.
Топлообменът може да включва топлината на слънчевата радиация, проникваща през лъчистите бариери. Директната слънчева светлина нагрява отделни части от вътрешните огради. Дифузно разсеяната радиация се разпределя равномерно. При изчисляването на преноса на топлина е допустимо да се приеме, че цялото пряко и дифузно лъчение
(2,7)
Може да има повърхности в стаята,които се измиват от поток от охладен или нагрят въздух, подаван в помещението. Струя въздух, положена върху оградата, я загрява или охлажда. Благодарение на смесването на стаен въздух и конвективния топлообмен, струята променя температурата и постепенно достига работната зона на помещението.
В посоката на движение температурата и скоростта на въздуха в струята се променят, а оттам и условията на топлообмен. В общата формулировка уравнението на топлинния баланс за такава повърхност трябва да бъде написано в интегрална форма, като се вземат предвид промените в условията на топлопредаване в посоката на движение на струята. Такъв запис ще усложни решението и за целите на инженерните изчисления е желателно да се опрости. Повърхността е разделена на елементарни области, в рамките на които всички параметри се приемат като осреднени. За всяка елементарна площ от повърхността те съставят собствено уравнение на топлинния баланс под формата (2.6).