книги из ГПНТБ / Гусев В.М. Теплоснабжение и вентиляция учеб. для вузов

§ 1. Виды переноса тепла

В

середине

X V I I I в. М. В. Ломоносовым были

опубликованы

«Размышления

о тепле и холоде». В них приведены мысли, являю­

щиеся

вершиной научного

обобщения:

«теплота — вращательное

движение материи..., функция скорости движения

корпускул».

Строительная теплотехника

изучает все три вида передачи тепла —

теплопроводность, конвекцию и лучеиспускание.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь — п е р е х о д

тепла внутри

тела или от

ционарное

температурное поле),

определяется по формуле. Фурье:

Qr

= К

о

Fz [ккал],

(1-1)

где К — коэффициент

теплопроводности

материала

стенки,

ккал/м

• ч • град; tB.a

и /„. п — температуры

ее внутренней

и наруж­

ной поверхностей, °С; ô — толщина стенки, м; F — площадь,

через

которую

проходит

тепло,

м2;

z — продолжительность

процесса

теплоперехода, ч.

При

УСЛОВИИ F=\

M2,

t-a.ii—^пп=1°С,

ö = l м, z=

1

ч, % =

= QT ккал/м

• ч - град,

т. е.

представляет

собой количество

тепла

в ккал,

проходящее

за

1 ч

через стенку данного материала пло­

щадью

1 м2

и толщиной

1 м при разности температур на ее поверх­

ностях

1° С.

Значения X, точно получаемые лишь экспериментальным

путем,

лежат в широких пределахі : для металлов 25—420 ккал/м

-ч • град;

Например,

обычный

красный кирпич

на

тяжелом растворе ( у = 1800

кг/м3)

имеет Л=0,7

ккал/м • ч • град, а

пористый

( у = 1350

кг/м3)—Я=0,50

ккал/м

• ч -град. Очевидно, что

не учитывая

при

проектировании

объемный вес для

раз­

М Ч

= Тт/?ф.

(1-2)

Поскольку теплопроводность

воды

(л. = 0,5 ккал/м • ч • град)

еще

более

резким, когда

материал

промерзает

и вода

превра­

щается

в лед (К=2,0). При быстром

замораживании

и

образова­

нии

в

порах

строительных

материалов

уже не льда,

а снега (А.=

= 0,34-0,4),

как показали

наши наблюдения,

теплопроводность

нием их температуры. Для пересчета

табличных

данных (обычно

приводимых к 0°С) на фактические

допустимо считать

Ъ- = Ь±™-Л-

(1-3)

Ä-ф

+

273

Интересно и то, что X волокнистых

(слоистых)

материалов при

ном. Для хвойных

пород л-j. =0,15;

К ц =0,3 [ккал/м

• ч • град].

К о н в е к ц и я

— перенос тепла

внутри жидких и

газообразных

(насоса,

вентилятора).

Определение количества тепла QK, участвующего в конвектив­

ном теплообмене, ведется

по формуле

Ньютона — Рихмана:

Q.4 =

а к (tn

— t) Fz

[ккал[,

(1-4)

где

ак — коэффициент

теплоотдачи

конвекцией,

ккал/м2

-ч • град;

tn

и t—

температуры

поверхности

и

среды (или наоборот),

°С;

F — площадь поверхности теплоотдачи

(или охлаждения), м2.

При

условии F—\

м2,

А/ = ^п—t=l°C,

z= 1

ч,

а к =

= QK ккал/м2- ч-град,

т.

е. представляет собой

количество тепла

в ккал, отдаваемое (или воспринимаемое)

конвекцией с 1 м2 по­

верхности за

1 ч при разности температур

поверхности и среды

Г С .

Значения

а к таковы: малоподвижный воздух 3—10, интенсивно

сивно движущаяся вода 1000—6000, кипящая вода

3000—18 000,

конденсирующийся

пар

10 000—18 000 ккал/м2

• ч • град.

Величина ик

зависит

от разности

температур, характера среды,

положения и степени шероховатости

поверхности.

1. Для поверхностей

строительных

ограждений,

обращенных

в помещение, ак

подсчитывается по формулам:

при Д^<15°С

ак

=

3,00 +

0,08 - [ккал/м 2 - ч - град};

(1-5)

при Д*>15°С

ак

— m \f

At

[ккал/м2-ч- град].

(1-6)

По Гриффитсу и Девису, для вертикальной

поверхности m =1,7;

для

горизонтальной, обращенной вверх,

т = 2,15; для

горизонталь­

ной,

обращенной вниз,

/7?.= 1,13.

В случае, если горизонтальная кон­

векция отсутствует

вовсе, т = 0.

Практически

для горизонтальных

и наклонных труб

m c p = l , 5 .

2. Для поверхностей, обращенных в наружную среду, допу­

стима упрощенная

формула:

а к

= 3,75 + 3,05о [ккал/м2-ч-град],

(1-7)

где V — расчетная

скорость ветра для данной местности и соответ­

ствующего периода года,

м/сек.

Л у ч е и с п у с к а н и е

— теплообмен между поверхностями че­

превращается в тепловую и нагревает облучаемое тело.

гая

Количество тепла <2Л, которое одна поверхность теряет, а дру­

получает,

Qn

= а л (h

— h) F

z

[ккал],

(1-8)

где

а л

— коэффициент

теплоотдачи

лучеиспусканием,

ккал/м2

•ч-

• град;

ty и to, — температуры поверхностей, °С.

При условии ti—^2=1°С,

F=l

м2,

z = l ч, ал = Сл

[ккал/м2

• ч-

•.град], т. е. представляет собой количество тепла в

ккал,

пере­

даваемое лучеиспусканием

1 м2

поверхности за 1 ч при разности

температур поверхностей 1°С.

По формуле Стефана — Больцмана

U V

_

fis.)\4

а л = С п

р ^ ^

\ 1 0 ° / р%

[ккал/м2-ч-град],

(Д-9)

где Спр — приведенный

коэффициент

лучеиспускания,

ккал/м2-ч-

Г К \ 4

—

;

Ті и

Т2

— абсолютные

температуры поверхно­

стей, 0

К.

Значение

С п р

зависит

от взаимного

расположения,

вида

и соот­

ношения поверхностей лучеобмеиа, от расстояния между ними.

Для строительных ограждений и оборудования примерно рав­

ных площадей и параллельных

(1-10)

Q

.

1/ cs

\ккал/м2

• ч (—У]

п р

. 1 / Сі +

1 / С 2 -

а при неравенстве площадей

С п р =

,

(1-П)

где Ci, С2 и Cs—коэффициенты

лучеиспускания в ккал/мг-ч-

і — I

материалов поверхностей и абсолютно черного тела;

Fi, F 2 — пло­

щади поверхностей лучеобмеиа, мг.

Когда F i < F 2 ,

СПр = С,.

(1-12)

Для воды

и снега С = 4,7

ккал/м2•

ч-І — ]

; для обоев,

стекла,

мрамора, красного кирпича

С = 4,6; для строганой древесины, мас­

ляной окраски, известковой штукатурки

С = 4,3;

для бетона

С=3,1,

алюминия С = 0,55, для абсолютно черного тела

С = 4,96.

ясняется конвекцией, между

поверхностями через

воздушную

среду — лучеиспусканием.

F, толщи­

На рис. 1-1—однородная

плоская стена площадью

пературах воздуха іъ и ія на внутрен­

ней

и

наружной

поверхностях

такой

наружной

стены

будут

неизменны и

их

температуры

tB,п и

tH. п -

Если

^ в >

>tn,

то тепловой

поток

Q

направится

изнутри наружу и возникнут: восприя­

тие

тепла

внутренней

поверхностью

стены, переход тепла через ее толщу,

отдача

тепла наружной

поверхностью..

Количество тепла QD, воспринимае­

мое

внутренней

поверхностью,

сла­

гается

из

своего

конвективного

QK. в

и лучистого (Эл. в тепла

в

(теплопровод-

Р и с м теплоотдача через

ность

несущественна

силу малой

однослойную стенку

<2в = <3к. в +

<3л. в = «к. в ( 4

— 4 . п) Fz + ал.

в ( 4

—

4 . п) Fz = -

=

К . в +

«л. в) ( 4 -

4 . п)

=

аа

( 4 -

4 .п ) Fz.

(1-13)

Здесь ав —коэффициент (суммарный) тепловосприятия для

внутренней поверхности ограждения в ккал/м2-

ч-

град.

Количество тепла,

проходящее через

толщу

ограждения,

QT =

- f (

4 . n - 4 . п

) ^ .

(1-14)

Количество тепла Qn , отдаваемое наружной

поверхностью

стены, слагается из конвективного QK .и

и

своего

лучистого

Qa.n

тепла

Q H

=

Qk.

H +

Qn. н = а к . н ( 4 . n — 4 )

^

+

а л . „

(/„. „ —

/„) Fz

=

=

(«к. н +

а л . H) C H . п — 4 ) ^2 =

а„

(f„.n

— f„)

tfz,

(1-15)

где а н

— коэффициент

теплоотдачи

для

наружной

поверхности

ограждения в ккал/м2

• ч • град.

Согласно СНиП ІІ-А.7-62*:.

для

внутренних поверхностей стен, полов и

гладких

потолков

а в = 7,5

ккал/м2

• ч • град;

для внутренних поверхностей потолков с выступающими реб­

рами

балок,

при /г/а = 0,2ч-0,3

(h — высота

ребер,

а — расстояние

между их гранями)

а в = 7, при /г/а>0,3

а в = 6,5;

для поверхностей потолков с открытыми

кессонами а в

= 6;

для

поверхностей

над

холодными

подпольями

и

подвалами

а п = 5;

для наружных поверхностей чердачных перекрытий

а п = 1 0 ;

для

наружных поверхностей

стен и наружных покрытий а н = 2 0 .

При стационарном

режиме количество тепла,

воспринятое

стен­

честву тепла, отдаваемому

стенкой,

QB =

Q T =

Q H =

Q -

Следовательно,

QB

= Q =

«в ( 4 — 4 . п) Fz,

или Q/aBFz = tB

— tB. п;

QT =

Q = X/ô (/„. „ —

ta_ „) Fz,

или

QÔ/XFz = 4 .n — 4 . „;

QH

= Q =

« H ( 4 . n — 4 ) Fz, или Q/aaFz =

/ „ . „ — 4 .

Складывая три последних уравнения, сокращая

/в . п и tB. ш вы­

нося за скобку величины Q,

г, имеем:

Ѵав

X

а н

/ F2

Q =

^ - = А

—

[юам].

(1-16)

1 / а в

+ Ö / Ä , + 1 / « н

;

При tn—tn= Г С , F= \ м2, z= 1 ч

1

= К [ккал/м2-ч-град],

(1-17)

выражающий часовое количество тепла, проходящее через

1 лі2

стенки (конкретной

толщины) при разности

температур

сред

в Г С .

Для стенки, состоящей из я слоев,

/С =

Î

.

(1-18)

і / о в + ô i A i - i - б 2 д 2 + . . . + ôn/xn

+ i / « „

R0 = UK = Rv + Rx + R2 + . . . + Rn + RH,

(1-19)

R = ô / k .

(1-20)

Значения поправочного коэффициента: 6=1,2 для материалов,

подверженных

уплотнению, деформации или усадке, когда у<400 кг/м3

(минераловатные

плиты,

войлок и т. п.); 6=1,1 — для теплоизоляционных материалов, когда •у>400

кг/м3;

6 = 1—для не подвергающихся уплотнению материалов

(кирпич,

бетон).

температур

[формулы

(1-9) — (1-11)]. Прослоек

поэтому желательно

устраивать

из материалов с малыми коэффициентами лучеиспускания

(оклеивать

фольгой,

окрашивать

бронзой,

размещать в прослойке

отражающий

экран

из

фольги).

Т а б л и ц а 1-1

при

Термическое сопротивление замкнутых воздушных прослойков RB. п

Дг! =

10 С (с учетом, теплопроводности,

конвекции

и лучеиспускания)

^ в . п'

•"'•''•грод/ккял

Толщина

для вертикальных прослойков

для

горизонтальных прослойков

и горизонтальных при потоке

прослойка, мм

тепла снизу

вверх

при

потоке

тепла

с в е р х у

вниз

лето

зима

лето

зима

10

0,15

0,17

0,15

0,18

20

0,16

0,18

0,18

0,22

30

0,16

0,19

0,19

0,24

50

0,16

0,20

0,20

0,26

100

0,17

0,21

0,21

0,27

'150

л более

0,18

0,21

0,22

0,28

П р и м е ч а н и е .

Д л я уточненных

расчетов

величины,

приведенные в таблице,

необ­

ходимо умножать на коэффициенты: при разности

температур

8" С — 1 , 0 5 ; при

6J

— 1,1;

при 4 ° — 1,15; при

2' —

1.2.

П р и м е р 1. Определить значения R0

и К чердачного

перекрытия (рис. 1-2).

Согласно прилож. 1 имеем: листы

сухой

штукатурки

( у с . ш = Ю 0 0

кг/м3)

Хс.т =

=0,2

ккал/ч

• м • град; сосновую

древесину

(Ѵдр = 550) А д ] ) =0,15;

глппопесчапую

смазку Yc= 1800) А с =0,6; топливный шлак

(уш=900) Хш =0,225.

По уравнению (1-20) и данным табл. 1-2

Roi

= Яв + Яс. Ш + Я В . п + S Ядр + Rc

+ Яш + Я„ =

а в

«с ш

Лдр

л с

Яш

а н

1 .

0,01

, . 1 0 _ , 0,04 + 0,025

,

0,015

,

0,20

,

1

—

р U , іоЭ -]

1

—

=

7,5

0,2

0,15

0,6

0,225

10

=

0,13 +

0,05 + 0,185 + 0,43+ 0,025 +

0,89 + 0,1 =

1,81

м2-ч-град/ккал.

Рис.

1-2. Чердачное

перекрытие

/ — листы сухой

гипсовой

штукатурки;

2 — в о з д у ш н ы й

про­

слоек; 3 — сосновые доски

(поперек

волокон): 4—

глнно-

-, песчаная

смазка; 5 — с л о й

топливного шлака.

#02 = #в

- I -

Rcui

+ RДР

•Rm + .

+ Я н =

1/7,5 +

0,01 /0,2 +

+ 0,25 / 0,15 +

0,055

/ 0,225 +

1 / 10 :

= 2,19

м2-ч-град/ккал.

0 , 2 У ? О 2 + 0 , 7 f l o l

_

* 0 ' с р ~

0 , 2 + 0 , 7

-

=

1,89

мг-ч-град/ккал;

Рис. 1-3. Покрытие с вентилируемым

Кср

= 1

/ Я 0 . с р = 1/1,89 =

прослойком

=

0,53

ккал)м'-чград.

шетки

или шахты

с наружной средой (рис. 1-3)

Значение

Лср такого

покрытия

приближенно определяется из выражения:

/ < с Р =

К

н і

(1-21)

где

h. пр •

кн + Кв + 300

(1-22)

Здесь

ів.пр — средняя температура

в прослойке,

° С;

Кв

и Кя— коэффициенты

теплопередачи частей покрытия, лежащих соответственно

выше и ниже

вентили­

руемого прослойка

(при

значениях

коэффициентов теплопередачи у внутренних

поверхностей прослойка

а в . П р = 7 , 0

ккал/лР • ч • град);

ô и / — толщина

и длина

прослойка, м; 300 — множитель

(в

системе СИ заменяется на 1260).

и запол­

В

практике встречаются и

неоднородные конструкции • (пустотелые

Заказ № Б86

Гес . публичка»,

научно - т * х н и , • Чая

библиотека С С С Р

ЭКЗЕМПЛЯР

/

II

III

IV

-268-0,23 0,00 -2,01+0,04+0,51

•1,ОЬ+ОМО*0,90

%37-о.ощьд

.JTT ГПѴП

1 1

1,п,Л осп U'°tyM0O\r6.61

\

-3,31-1,13-0,69 -2,80-0,90+0,16

Sfi?

-2,65 +0,06-6,75

-Цб-2,00

Рис. 1-4. Варианты отклонения температур воздуха

жилых помеще­

ний, отапливаемых

печами

или

подоконными

радиаторами

/ — в верхнем этаже; II — в

среднем;

III —-а нижнем; IV— н одноэтажном

здании

величину

влаго- и тепловыделений,

холодное

облучение

внутрен­

ними

поверхностями

наружных

ограждений,

опасность

конденса­

ции на них влаги.

В

жилых

и общественных

помещениях

температура

воздуха

принимается

18° С (в лестничных клетках 16°, в кухнях 15°). В детских

комнатах и больничных

помещениях

18—25°, в помещении мыльной бани 30°, в служебных комнатах 16—

18° (в зависимости от скопляемостн

людей),

в производственных

помещениях —

по* санитарным

нормам,

с учетом

условий

труда и технологического

процесса.

При легкой

работе благоприятна температура 16° С, а при тяжелой — 12°; в не­

рабочее время температура в производственных и вспомогательных

помещениях,

если недопустимо их промерзание, принимается 5° С. Значения rD

для жилых, об­

щественных,

производственных,

сельскохозяйственных

и других

зданий должны

приниматься в соответствии со СНиП

(см. также табл. 1 и прилож. 2)1 .

За расчетную tB принимают

температуру

воздуха

на

высоте

1,5 м от пола и не ближе

І.м

от наружной стены. В других

точках

ружных ограждений

и воздухопроницаемо­

сти последних;

конфигурации

и

назначе­

ния помещений; местоположения-и мощно­

сти отопительных устройств;

интенсивности

обдувания ограждений ветром и солнечной

радиации и т. п. Следует также учитывать

периодичность

воздействия

климатических

факторов, режима отапливания и поступ­

ления бытового тепла (от приготовления

пищи, освещения и т. п.).

На рис.

1-4

показаны отклонения тем­

Рис.

1-5.

Примерная

ператур

от

tB

на

центральной

вертикали

картина

воздушного

по­

жилых

помещений.

Сплошные

линии —

тока

в

помещении

средние

отклонения

значений,

а

пунктир­

/ — тепловыделяющее

про­

ные— наибольшие и наименьшие. По гори­

изводственное оборудование

зонтали

отклонения

меньше

и

обычно

в пределах

1 — 1 , 5 ° С

(вблизи наружных стен

нередко

до 4 — 5°Ç) .

тура под перекрытием tnep

может существенно отклоняться

от тем­

пературы ta.3 рабочей зоны.

' п е р =

4 а ± А* ( А - 2 ) ,

(1-23)

отрицательным. Первый (рис. 1-5)

наблюдается у падающего по­

тока, например у наружной стены

(t3>t/,); второй — у восходящей

— 5 ° С. В Якутской АССР бывают сильнейшие морозы

(—80° С)

и длительность отопительного периода составляет три

четверти

года.

2*

19