Меню

Мощность тепловых потерь определение



Определение тепловых потерь зданий. Нормативный метод

Тепловую энергию, бесцельно уходящую за пределы здания, называют теплопотерями.

Общие теплопотери здания слагаются из потерь теплоты через наружные стены, пол, потолок, оконные и дверные заполнения, а также из теплоты, расходуемой на подогрев холодного воздуха, поступающего в помещения через притворы окон и дверей. Приток воздуха через ограждающие конструкции здания называют инфильтрацией. Если инфильтрация незначительна, ее в расчет теплопотерь не включают.

Система печного отопления эффективно функционирует, если соблюдается уравнение теплового баланса:

СигмаQ0 = Qп + Qвн,

где СигмаQ0 — суммарные тепловые потери, Вт; Qп — теплопроизводительность печей, Вт; Qвн — теплота, поступающая в помещение от тепловыделяющих бытовых приборов, людей, а в животноводческих фермах — скота, Вт.

Теплопроизводительность печей Qп определяют из уравнения

Qп = СигмаQ0 — Qвн

Суммарные тепловые потери складываются из основных и добавочных. Основные теплопотери СигмаQ0 (СНиП 2.04.05-86) определяют путем суммирования утечек теплоты через ограждающие конструкции помещения (с округлением до 10 Вт) по формуле

СигмаQ0 = FK(tв — tн)n,

где F — расчетная площадь ограждающей конструкции, м2; К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 * градусы С) (табл. 10); tв — расчетная внутренняя температура помещения, зависящая от его назначения, градусы С (приведена ниже); tн — расчетная температура наружного воздуха, градусы С (табл. 11); n — коэффициент, зависящий от ориентации наружной поверхности ограждающей конструкции и от скорости наружного воздуха.

За расчетную температуру наружного воздуха принимают среднюю температуру наиболее холодной пятидневки в данной местности

Гражданские здания
Кабинеты,; столовые, передние, спальни, коридоры 18
Туалеты 16
Кухни 15
Ванные 25
Сельскохозяйственные здания
Помещение для холостых и супоросных маток 16
Помещение для поросят-отъемышей 20
Свинарник-маточник 20
Свинарник-откормочник 18
Помещение для содержания взрослой птицы 16
Помещение для птицы-молодняка. 24

Добавочные теплопотери зависят от ориентации ограждающих конструкций по странам света, а также от расположения здания на открытой местности, скорости ветра в данном географическом районе и инфильтрации. В зависимости от ориентации наружных конструктивных элементов здания (стены, окна, двери) дополнительные теплопотери составляют: 10%, если они обращены на север, северо-восток и северо-запад; 5% — на юго-восток и запд.

Расход теплоты, необходимый для нагрева воздуха, поступающего в жилые помещения за счет инфильтрации (Вт), вычисляют по формуле

qв = Fпл * (tв — tна )

где Fпл — площадь пола отапливаемого помещения, м2; tна — наружная расчетная температура (средняя температура наиболее холодного периода; см. табл. 11).

При расчете общие теплопотери помещений жилых зданий следует уменьшить на величину бытовых тепловыделений Qвн, определяемых из расчета 21 Вт на 1 м2 площади пола помещений, для которых предусматривается установка печей:

Таким образом, для определения расчетной тепло-производительности печи необходимо: вычислить теплопотери через ограждающие конструкции, к ним прибавить дополнительные потери теплоты, а из полученной суммы вычесть величину, характеризующую бытовые тепловыделения.

Источник

Расчет теплопотерь: показатели и калькулятор теплопотерь здания

Расчет теплопотерь дома — основа отопительной системы. Он нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме, провести анализ финансовой эффективности утепления т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя. Очень часто подбирая мощность отопительной системы помещения, люди руководствуются средним значением в 100 Вт на 1 м 2 площади при стандартной высоте потолков до трех метров. Однако, не всегда эта мощность достаточна для полного восполнения теплопотерь. Здания различаются по составу строительных материалов, их объему, нахождению в разных климатических зонах и т.д. Для грамотного расчета теплоизоляции и подбора мощности отопительных систем необходимо знать о реальных теплопотерях дома. Как их рассчитать — расскажем в этой статье.

Основные параметры для расчета теплопотерь

Теплопотери любого помещения зависят от трех базовых параметров:

  • объем помещения – нас интересует объем воздуха, который необходимо отопить
  • разницу температуры внутри и снаружи помещения – чем больше разница тем быстрее происходит теплообмен и воздух теряет тепло
  • теплопроводность ограждающих конструкций – способность стен, окон удерживать тепло

Самый простой рассчет теплопотерь

Qт (кВт/час)=(100 Вт/м2 x S (м2) x K1 x K2 x K3 x K4 x K5 x K6 x K7)/1000

Данная формула расчета теплопотерь по укрупненным показателям, в основе которых лежат усредненные условия 100 Вт на 1кв метр. Где основными рассчетными показателями для расчета системы отопления являются следующие величины:

— тепловая мощность предполагаемого отопителя на отработанном масле, кВт/час.

100 Вт/м2 — удельная величина тепловых потерь (65-80 ватт/м2). В нее входят утечки тепловой энергии путем ее поглощения оконами, стенами, потолком полом; утечки через вентиляцию и негерметичности помещения и другие утечки.

S — площадь помещения;

K1 — коэффициент теплопотерь окон:

  • обычное остекление К1=1,27
  • двойной стеклопакет К1=1,0
  • тройной стеклопакет К1=0,85;

К2 — коэффициент теплопотерь стен:

  • плохая теплоизоляция К2=1,27
  • стена в 2 кирпича или утеплитель 150 мм толщиной К2=1,0
  • хорошая теплоизоляция К2=0,854

К3 коэффициент соотношения площадей окон и пола:

  • 10% К3=0,8
  • 20% К3=0,9
  • 30% К3=1,0
  • 40% К3=1,1
  • 50% К3=1,2;

K4 — коэффициент наружной температуры:

  • -10oC K4=0,7
  • -15oC K4=0,9
  • -20oC K4=1,1
  • -25oC K4=1,3
  • -35oC K4=1,5;

K5 — число стен, выходящих наружу:

  • одна — К5=1,1
  • две К5=1,2
  • три К5=1,3
  • четыре К5=1,4;

К6 — тип помещения, которое находится над расчитываемым:

  • холодный чердак К6=1,0
  • теплый чердак К6=0,9
  • отапливаемое помещение К6-0,8;

K7 — высота помещения:

  • 2,5 м К7=1,0
  • 3,0 м К7=1,05
  • 3,5 м К7=1,1
  • 4,0 м К7=1,15
  • 4,5 м К7=1,2.

Упрощенный рассчет теплопотерь дома

Qт = ( V x ∆t x k )/860; ( кВт )

V — объем помещения ( куб.м )
∆t — дельта температур (уличной и в помещении)
k — коэффициент рассеивания

  • k= 3,0-4,0 – без теплоизоляции. (Упрощенная деревянная конструкция или конструкция из гофрированного металлического листа).
  • k= 2,0-2,9 – небольшая теплоизоляция. (Упрощенная конструкция здания, одинарная кирпичная кладка, упрощенная конструкция окон и крыши).
  • k= 1,0-1,9 – средняя теплоизоляция. (Стандартная конструкция, двойная кирпичная кладка, небольшое число окон, крыша со стандартной кровлей).
  • k= 0,6-0,9 – высокая теплоизоляция. (Улучшенная конструкция, кирпичные стены с двойной теплоизоляцией, небольшое количество окон со сдвоенными рамами, толстое основание пола, крыша из высококачественного теплоизоляционного материала).

В данной формуле очень условно учитываются коэффициент рассеивания и не совсем понятно каким коэффициентами пользоваться. В классике редкое современное, выполненное из современных материалов с учетом действующих стандартов, помещение обладает ограждающими конструкциями с коэффициентом рассеивания более одного. Для более детального понимания методики расчёта предлагаем следующие более точные методики.

Рекомендуемый рассчет теплопотерь дома

Сразу же акцентирую ваше внимание на то, что ограждающие конструкции в основном не являются однородными по структуре, а обычно состоят из нескольких слоёв. Пример: стена из ракушника = штукатурка + ракушник + наружная отделка. В эту конструкцию могут входить и замкнутые воздушные прослойки (пример: полости внутри кирпичей или блоков). Вышеперечисленные материалы имеют отличающиеся друг от друга теплотехнические характеристики. Основной такой характеристикой для слоя конструкции является его сопротивление теплопередачи R.

Читайте также:  Генератор бензиновый с валом мощности

q – это количество тепла, которое теряет квадратный метр ограждающей поверхности (измеряется обычно в Вт/м.кв.)

ΔT — разница между температурой внутри рассчитываемого помещения и наружной температурой воздуха (температура наиболее холодной пятидневки °C для климатического района в котором находится рассчитываемое здание).

В основном внутренняя температура в помещениях принимается:

  • Жилые помещения 22С
  • Нежилые 18С
  • Зоны водных процедур 33С

Когда речь идёт о многослойной конструкции, то сопротивления слоёв конструкции складываются. Отдельно хочу акцентировать ваше внимание на расчётном коэффициенте теплопроводности материала слоя λ Вт/(м°С). Так как производители материалов чаще всего указывают его. Имея расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя конструкции мы легко можем получить сопротивление теплопередачи слоя:

δ — толщина слоя, м;

λ — расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя конструкции, с учетом условий эксплуатации ограждающих конструкций, Вт / (м2 оС).

Итак для расчёта тепловых потерь через ограждающие конструкции нам нужны:

1. Сопротивление теплопередачи конструкций (если конструкция многослойная то Σ R слоёв) R
2. Разница между температурой в расчётном помещении и на улице (температура наиболее холодной пятидневки °C. ). ΔT
3. Площади ограждений F (Отдельно стены, окна, двери, потолок, пол)
4. Ориентация здания по отношению к сторонам света.

Формула для расчёта теплопотерь ограждением выглядит так:

Qогр=(ΔT / Rогр)* Fогр * n *(1+∑b)

Qогр — тепло потери через ограждающие конструкции, Вт
Rогр – сопротивление теплопередаче, м.кв.°C/Вт; (Если несколько слоёв то ∑ Rогр слоёв)
Fогр – площадь ограждающей конструкции, м;
n – коэффициент соприкосновения ограждающей конструкции с наружным воздухом.

Тип ограждающей конструкции

Коэффициент n

1. Наружные стены и покрытия (в том числе вентилируемые наружным воздухом), перекрытия чердачные (с кровлей из штучных материалов) и над проездами; перекрытия над холодными (без ограждающих стенок) подпольями в Северной строительно-климатической зоне

2. Перекрытия над холодными подвалами, сообщающимися с наружным воздухом; перекрытия чердачные (с кровлей из рулонных материалов); перекрытия над холодными (с ограждающими стенками) подпольями и холодными этажами в Северной строительно-климатической зоне

3. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами со световыми проемами в стенах

4. Перекрытия над не отапливаемыми подвалами без световых проемов в стенах, расположенные выше уровня земли

5. Перекрытия над не отапливаемыми техническими подпольями, расположенными ниже уровня земли

(1+∑b) – добавочные потери теплоты в долях от основных потерь. Добавочные потери теплоты b через ограждающие конструкции следует принимать в долях от основных потерь:

а) в помещениях любого назначения через наружные вертикальные и наклонные (вертикальная проекция) стены, двери и окна, обращенные на север, восток, северо-восток и северо-запад — в размере 0,1, на юго-восток и запад — в размере 0,05; в угловых помещениях дополнительно — по 0,05 на каждую стену, дверь и окно, если одно из ограждений обращено на север, восток, северо-восток и северо-запад и 0,1 — в других случаях;

б) в помещениях, разрабатываемых для типового проектирования, через стены, двери и окна, обращенные на любую из сторон света, в размере 0,08 при одной наружной стене и 0,13 для угловых помещений (кроме жилых), а во всех жилых помещениях — 0,13;

в) через не обогреваемые полы первого этажа над холодными подпольями зданий в местностях с расчетной температурой наружного воздуха минус 40 °С и ниже (параметры Б) — в размере 0,05,

г) через наружные двери, не оборудованные воздушными или воздушно-тепловыми завесами, при высоте зданий Н, м, от средней планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахты в размере: 0,2 Н — для тройных дверей с двумя тамбурами между ними; 0,27 H — для двойных дверей с тамбурами между ними; 0,34 H — для двойных дверей без тамбура; 0,22 H — для одинарных дверей;

д) через наружные ворота, не оборудованные воздушными и воздушно-тепловыми завесами, — в размере 3 при отсутствии тамбура и в размере 1 — при наличии тамбура у ворот.

Для летних и запасных наружных дверей и ворот добавочные потери теплоты по подпунктам “г” и “д” не следует учитывать.

Отдельно возьмём такой элемент как пол на грунте или на лагах. Здесь есть особенности. Пол или стена, не содержащие в своем составе утепляющих слоев из материалов с коэффициентом теплопроводности λ меньше либо равно 1,2 Вт/(м °С), называются не утепленными. Сопротивление теплопередаче такого пола принято обозначать Rн.п, (м2 оС) / Вт. Для каждой зоны не утепленного пола предусмотрены нормативные значения сопротивления теплопередаче:

  • зона I — RI = 2,1 (м2 оС) / Вт;
  • зона II — RII = 4,3 (м2 оС) / Вт;
  • зона III — RIII = 8,6 (м2 оС) / Вт;
  • зона IV — RIV = 14,2 (м2 оС) / Вт;

Первые три зоны представляют собой полосы, расположенные параллельно периметру наружных стен. Остальную площадь относят к четвертой зоне. Ширина каждой зоны равна 2 м. Начало первой зоны находится в месте примыкания пола к наружной стене. Если неутеплёный пол примыкает к стене заглублённой в грунт то начало переносится к к верхней границе заглубления стены. Если в конструкции пола, расположенного на грунте, имеются утепляющие слои, его называют утепленным, а его сопротивление теплопередаче Rу.п, (м2 оС) / Вт, определяется по формуле:

Rу.п. = Rн.п. + Σ (γу.с. / λу.с)

Rн.п — сопротивление теплопередаче рассматриваемой зоны неутепленного пола, (м2 оС) / Вт;
γу.с — толщина утепляющего слоя, м;
λу.с — коэффициент теплопроводности материала утепляющего слоя, Вт/(м·°С).

Для пола на лагах сопротивление теплопередаче Rл, (м2 оС) / Вт, рассчитывается по формуле:

Теплопотери каждой ограждающей конструкции считаются отдельно. Величина теплопотерь через ограждающие конструкции всего помещения будет сумма теплопотерь через каждую ограждающую конструкцию помещения. Важно не напутать в измерениях. Если вместо (Вт) появится (кВт) или вообще (ккал) получите неверный результат. Ещё можно по невнимательности указать Кельвины (K) вместо градусов Цельсия (°C).

Продвинутый рассчет теплопотерь дома

Отопление в гражданских и жилых зданиях теплопотери помещений состоят из теплопотерь через различные ограждающие конструкции, такие как окна, стены, перекрытия, полы а также теплорасходов на нагревание воздуха, который инфильтрируется сквозь неплотности в защитных сооружениях (ограждающих конструкциях) даного помещения. В промышленных зданиях существуют и другие виды теплопотерь. Расчет теплопотерь помещения производится для всех ограждающих конструкций всех отапливаемых помещений. Могут не учитываться теплопотери через внутренние конструкции, при разности температуры в них с температурой соседних помещений до 3С. Теплопотери через ограждающие конструкции расчитываются по следующей формуле, Вт:

Qогр = F ( tвн – tнБ) (1 + Σ β ) n / Rо

tнБ – темп-ра наружного воздуха, оС;
tвн – темп-ра в помещении, оС;
F – площадь защитного сооружения, м2;
n – коэффициент, который учитывает положение ограждения или защитного сооружения (его наружной поверхности) относительно наружного воздуха;
β – теплопотери добавочные, доли от основных;
– сопротивление теплопередаче, м2·оС / Вт, которое определяется по следующей формуле:

Читайте также:  Таблица сопротивлений нагрузки по мощности

Rо = 1/ αв + Σ ( δі / λі ) + 1/ αн + Rв.п., где

αв – коэффициент тепловосприятия ограждения (его внутренней поверхности), Вт/ м2· о С;
λі и δі – расчетный коэффициент теплопроводности для материала данного слоя конструкции и толщина этого слоя;
αн – коэффициент теплоотдачи ограждения (его наружной поверхности), Вт/ м2· о С;
Rв.n – в случае наличия в конструкции замкнутой воздушной прослойки, ее термосопротивление, м2· о С / Вт (см. табл.2).
Коэф-ты αн и αв принимаются согласно СНиП а для некоторых случаев приведены в таблице 1;
δі – обычно назначается согласно заданию или определяется по чертежах ограждающих конструкций;
λі – принимается по справочникам.

Таблица 1. Коэффициенты тепловосприятия αв и теплоотдачи αн

Поверхность ограждающей конструкции

αв , Вт/ м2· о С

αн , Вт/ м2· о С

Поверхность внутренняя полов, стен, гладких потолков

Источник

Расчет мощности тепловых потерь

Теплопроводность возникает при наличии разности температур, вызванной какими-либо внешними причинами. При этом в разных местах вещества молекулы имеют разные средние кинетические энергии теплового движения. Хаотическое тепловое движение молекул приводит к направленному переносу внутренней энергии от более нагретых частей тела к более холодным.

Уравнение теплопроводности. Рассмотрим одномерный случай. Т = Т(х). При этом перенос энергии осуществляется только вдоль одной оси ОХ и описывается законом Фурье:

, (1)

где — плотность теплового потока,

— количество теплоты, которое передается за время dt через площадку , расположенную перпендикулярно направлению переноса внутренней энергии; — коэффициент теплопроводности. Знак (-) в формуле (1) указывает, что перенос энергии происходит в направлении убывания температуры.

Мощность тепловых потерь однослойной конструкции.

Рассмотрим зависимость тепловых потерь зданий от вида материа-

ла и его толщины.

Расчитывать теплопотери для различных материалов будем по формуле:

Р- мощность тепловых потерь, Вт;

— теплопроводность твердого тела (стены), Вт/(м·К);

— толщина стены или теплопроводящего тела, м;

S — площадь поверхности, через которую совершается теплопередача, м 2 ;

— разность температур двух сред, °С.

= 0,5 м;

Таблица 1. — Теплопроводность строительных материалов l, Вт/(м·К).

При рассмотрении нашей задачи толщина однослойной конструкции меняться не будет. Будет меняется теплопроводность материала, из которого она изготовлена. Учитывая это, расчитаем теплопотери, то есть тепловую энергию, бесцельно уходящую за пределы здания.

Исходя из данных вычислений, в каждом случае выбирается нужный материал, учитывая требования экономичности, прочности, долговечности. Два последних материала используются в качестве основных элементов каркасно-сборных конструкций на основе фанеры и утеплителя.

Дифференциальное уравнение теплопроводности является математической моделью целого класса явлений теплопроводности и само по себе ничего не говорит о развитии процесса теплопереноса в рассматриваемом теле. При интегрировании дифференциального уравнения в частных производных получаем бесчисленное множество различных решений. Чтобы получить из этого множества одно частное решение, соответствующее определенной конкретной задаче, необходимо иметь дополнительные данные, не содержащиеся в исходном дифференциальном уравнении теплопроводности. Этими дополнительными условиями, которые в совокупности с дифференциальным уравнением (или его решением) однозначно определяют конкретную задачу теплопроводности, являются распределение температуры внутри тела (начальные или временные условия), геометрическая форма тела и закон взаимодействия между окружающей средой и поверхностью тела (граничные условия).

Для тела определенной геометрической формы с определенными (известными) физическими свойствами совокупность граничных и начальных условий называется краевыми условиями. Итак, начальное условие является временным краевым условием, а граничные условия – пространственным краевым условием. Дифференциальное уравнение теплопроводности вместе с краевыми условиями составляет краевую задачу уравнения теплопроводности (или короче – тепловую задачу).

Начальное условие определяется заданием закона распределения температуры внутри тела в начальный момент времени, то есть

Т (х, у, z, 0) = f (х, у, z),

где f (х, у, z) — известная функция.

Во многих задачах принимают равномерное распределение температуры в начальный момент времени; тогда

Т (х, у, z, 0) = Т о = const.

Граничное условие может быть задано различными способами.

1. Граничное условие первого рода состоит в задании распределения температуры по поверхности тела в любой момент времени,

где Т s (τ) – температура на поверхности тела.

Изотермическое граничное условие представляет частный случай условия 1-го рода. При изотермической границе температуру поверхности тела принимают постоянной T s= const, как, например, при интенсивном омывании поверхности жидкостью с определенной температурой.

2. Граничное условие второго рода состоит в задании плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела как функции времени, то есть

Условие второго рода задает величину теплового потока на границе, то есть кривая температуры может иметь любую ординату, но обязательно заданный градиент. Простейший случай граничного условия второго рода состоит в постоянстве плотности теплового потока:

Адиабатическая граница представляет частный случай условия второго рода. При адиабатическом условии тепловой поток через границы равен нулю. Если теплообмен тела с окружающей средой незначителен в сравнении с тепловыми потоками внутри тела, поверхность тела можно считать практически не пропускающей тепла. Очевидно, что в любой точке адиабатической границы s удельный тепловой поток и пропорциональный ему градиент по нормали к поверхности равны нулю.

3. Обычно граничное условие третьего рода характеризует закон конвективного теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой при постоянном потоке тепла (стационарное температурное поле). В этом случае количество тепла, передаваемого в единицу времени с единицы площади поверхности тела в окружающую среду с температурой Т с в процессе охлаждения (Т s > Т с), прямо пропорционально разности температур между поверхностью тела и окружающей средой, то есть

где α— коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплообмена (вm/м 2 ·град).

Коэффициент теплообмена численно равен количеству тепла, отдаваемого (или получаемого) единицей площади поверхности тела в единицу времени при разности температур между поверхностью и окружающей средой в 1°.

Соотношение (2) можно получить из закона теплопроводности Фурье, полагая, что при обтекании поверхности тела газом или жидкостью передача тепла от газа к телу вблизи его поверхности происходит по закону Фурье:

где λ г — коэффициент теплопроводности газа, ∆ — условная толщина пограничного слоя, α = λ г /∆.

Следовательно, вектор теплового потока q s направлен по нормали п к изотермической поверхности, его скалярная величина равна q s .

Условная толщина пограничного слоя ∆ зависит от скорости движения газа (или жидкости) и его физических свойств. Поэтому коэффициент теплообмена зависит от скорости движения газа, его температуры и изменяется вдоль поверхности тела в направлении движения. В качестве приближения можно считать коэффициент теплообмена постоянным, не зависящим от температуры, и одинаковым для всей поверхности тела.

Читайте также:  Полная потребляемая мощность асинхронного двигателя

Граничные условия третьего рода могут быть использованы и при рассмотрении нагревания или охлаждения тел лучеиспусканием . По закону Стефана-Больцмана лучистый поток тепла между двумя поверхностями равен

где σ* — приведенный коэффициент лучеиспускания, Т a — абсолютная температура поверхности тепловоспринимающего тела.

Коэффициент пропорциональности σ* зависит от состояния поверхности тела. Для абсолютно черного тела, т. е. тела, обладающего способностью поглощать все падающее на него излучение, σ* = 5,67·10 -12 вт/см 2 ·°К 4 . Для серых тел σ* = ε·σ , где ε — коэффициент черноты, изменяющийся в пределах от 0 до 1. Для полированных металлических поверхностей коэффициенты черноты составляют при нормальной температуре от 0,2 до 0,4, а для окисленных и шероховатых поверхностей железа и стали — от 0,6 до 0,95. С повышением температуры коэффициенты ε увеличиваются и при высоких температурах, близких к температуре плавления, достигают значений от 0,9 до 0,95.

При малой разности температур (Т п — Т а) соотношение можно приближенно написать так:

где α (Т) — коэффициент лучистого теплообмена, имеющий ту же размерность, что и коэффициент конвективного теплообмена, и равный

Это соотношение является выражением закона Ньютона охлаждения или нагревания тела, при этом T а обозначает температуру поверхности тела, воспринимающего тепло. Если температура Т s(τ) изменяется незначительно, то коэффициент α (Т) приближенно можно принять постоянным.

Если температура окружающей среды (воздуха) Т с и температура тепловоспринимающего тела Т а одинаковы, а коэффициент лучепоглощения среды очень мал, то в соотношении закона Ньютона вместо Т а можно написать Т с. При этом небольшая доля потока тепла, отдаваемого телом путем конвекции, может быть положена равной α к·∆Т , где а к — коэффициент конвективного теплообмена.

Коэффициент конвективной теплоотдачи α к зависит:

1) от формы и размеров поверхности, отдающей тепло (шар, цилиндр, пластина) и от ее положения в пространстве (вертикального, горизонтального, наклонного);

2) от физических свойств теплоотдающей поверхности;

3) от свойств окружающей среды (ее плотности, теплопроводности
и вязкости, в свою очередь зависящих от температуры), а также

4) от разности температур Т s — Т с.

В этом случае в соотношении

коэффициент αбудет суммарным коэффициентом теплообмена:

В дальнейшем нестационарный теплообмен тела, механизм которого описывается соотношением (5), будем называть теплообменом по закону Ньютона.

По закону сохранения энергии количество тепла q s(τ), отданного поверхностью тела, равно количеству тепла, которое подводится изнутри к поверхности тела в единицу времени к единице площади поверхности путем теплопроводности, то есть

где для общности постановки задачи температура Т с считается переменной, а коэффициент теплообмена α (Т) приближенно принят постоянным [α (Т) = α= const].

Обычно граничное условие пишут так:

Из граничного условия третьего рода, как частный случай, можно получить граничное условие первого рода. Если отношение α /λ стремится к бесконечности [коэффициент теплообмена имеет большое значение (α→∞) или коэффициент теплопроводности мал (λ→ 0)], то

то есть температура поверхности теплоотдающего тела равна температуре окружающей среды.

Аналогично при α→0 из (6) получаем частный случай граничного условия второго рода — адиабатическое условие (равенство нулю потока тепла через поверхность тела). Адиабатическое условие представляет другой предельный случай условия теплообмена на границе, когда при весьма малом коэффициенте теплоотдачи и значительном коэффициенте теплопроводности поток тепла через граничную поверхность приближается к нулю. Поверхность металлического изделия, соприкасающегося со спокойным воздухом, при недолгом процессе может приниматься адиабатической, так как действительный поток теплообмена через поверхность незначителен. При длительном процессе поверхностный теплообмен успевает отнять у металла значительное количество тепла, и пренебрегать им уже нельзя.

4. Граничное условие четвертого рода соответствует теплообмену поверхности тела с окружающей средой [конвективный теплообмен тела с жидкостью) или теплообмену соприкасающихся твердых тел, когда температура соприкасающихся поверхностей одинакова. При обтекании твердого тела потоком жидкости (или газа) передача тепла от жидкости (газа) к поверхности тела в непосредственной близости к поверхности тела (ламинарный пограничный слой или ламинарный подслой) происходит по закону теплопроводности (молекулярный перенос тепла), т. е. имеет место теплообмен, соответствующий граничному условию четвертого рода

Помимо равенства температур, имеет место также равенство потоков тепла:

Дадим графическую интерпретацию четырех видов граничных условий (рисунок 1).

Скалярная величина вектора теплового потока пропорциональна абсолютной величине градиента температуры, который численно равен тангенсу угла наклона касательной к кривой распределения температуры вдоль нормали к изотермической поверхности, то есть

На рисунке 1 изображены на поверхности тела четыре элемента поверхности ∆S с нормалью к ней n (нормаль считается положительной, если она направлена наружу). По оси ординат отложена температура.

Рисунок 1. — Различные способы задания условий на поверхности.

Граничное условие первого рода состоит в том, что задана Т s (τ); в простейшем случае Т s (τ) = const. Отыскивается наклон касательной к температурной кривой у поверхности тела, а тем самым и количество тепла, отдаваемое поверхностью (см. рисунок 1, а).

Задачи с граничными условиями второго рода имеют обратный характер; задается тангенс угла наклона касательной к температурной кривой у поверхности тела (см. рисунок 1, б); находится температура поверхности тела.

В задачах с граничными условиями третьего рода температура поверхности тела и тангенс угла наклона касательной к температурной кривой—величины переменные, но задается на внешней нормали точка С, через которую должны проходить все касательные к температурной кривой (см. рисунок 1, в). Из граничного условия (6) следует

Тангенс угла наклона касательной к температурной кривой у поверхности тела равен отношению противолежащего катета [Т s(τ)—Т c]

к прилежащему катету λ∕α соответствующего прямоугольного треугольника. Прилежащий катет λ∕α является величиной постоянной, а противолежащий катет [Т s (τ) — Т с]непрерывно изменяется в процессе теплообмена прямо пропорционально tg φ s. Отсюда следует, что направляющая точка С остается неизменной.

В задачах с граничными условиями четвертого рода задается отношение тангенсов угла наклона касательных к температурным кривым в теле и в среде на границах их раздела (см. рисунок 1, г):

tg φ s /tg φ c = λ c∕λ = const. (11)

С учетом совершенного теплового контакта (касательные у поверхности раздела проходят через одну и ту же точку).

Выбирая для расчета тип того или иного простейшего граничного условия, следует помнить, что в действительности поверхность твердого тела всегда обменивается теплом с жидкой или газообразной средой. Можно приближенно считать границу тела изотермической в тех случаях, когда интенсивность поверхностного теплообмена заведомо велика, и адиабатической – если эта интенсивность заведомо мала.

Источник