Особенности процессов теплопереноса через строительные материалы
Передачу внутренней энергии (теплоты) от теплой поверхности здания или горячей поверхности промышленного оборудования в окружающую среду называют теплообменом, или теплопереносом. Передача теплоты вследствие теплопроводности происходит самопроизвольно от одной изотермической поверхности к другой в сторону с меньшей температурой, т.е. необходимым условием передачи теплоты является наличие температурного градиента. При этом передача теплоты происходит по нормали к изотермической поверхности.
Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока. Вектор теплового потока противоположен температурному градиенту. Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температур.
Теплоперенос является сложным теплофизическим процессом, в котором выделяют три элементарных вида теплоты: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение.
Теплопроводностью, или кондуктивной теплопередачей называется перенос теплоты в сплошной среде при непосредственном соприкосновении тел или частиц одного тела, имеющих различную температуру. Этот вид переноса теплоты характерен для материалов в любом агрегатном состоянии.
Конвекцией называют перенос теплоты путем перемещения вещества в пространстве. Конвективный теплообмен свойственен движущимся жидкостям и газам. Различают естественную и вынужденную конвекцию.
|
|
|
Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплопередачи и зависит от многих параметров процесса: форма, размер и температура конструкции, скорость движения, температура и физические свойства (теплоемкость, плотность, вязкость и т.д.) газов или жидкостей и других факторов.
Важно, что коэффициент теплопередачи зависит в основном от условий движения среды, поэтому значение конвективного теплообмена строительных конструкций и теплоизоляционных материалов определяется размером воздушных полостей и степенью связанности этих полостей между собой. Чем больше размер пор и воздушных прослоек, чем больше сечение воздушных ходов, связывающих эти поры и прослойки, тем выше коэффициент теплопередачи и доля конвективного теплообмена в общем объеме теплопередачи.
Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде электромагнитных волн. Лучистый теплообмен существенно влияет только при изоляции промышленного и энергетического оборудования.
В технике одновременно действует несколько видов теплообмена, поэтому количественная оценка вклада каждого из них в общую теплопередачу затруднена.
|
|
|
В строительных ограждающих конструкциях теплопередача происходит одновременно путем теплопроводности и конвективного переноса теплоты. В многослойных конструкциях высокотемпературного промышленного оборудования и агрегатах теплоэнергетики теплопередача имеет еще более сложный характер, и в ней участвуют все три вида теплообмена.
При выборе схемы расчета теплопроводности ограждающих конструкций учитывают число слоев, составляющих конструкцию, форму ограждения, характеристики материала конструкции и температурный градиент.
Эффективность слоя теплоизоляции характеризуется его сопротивлением теплопередаче, которое зависит от толщины слоя и теплопроводности используемого материала. Сопротивление теплопередаче тем выше, чем толще слой изоляции и ниже теплопроводность. Для определения толщины наружной стены в соответствии с СП 50.13330.2015 выполняется теплотехнический расчет. Современным направлением повышения уровня теплозащиты является использование материалов с теплопроводностью не более 0,06 Вт/(мо К).
Особенности строения теплоизоляционных материалов
Низкая теплопроводность теплоизоляционных материалов определяется их высокой пористостью (в отдельных случаях до 98%). Минимальное значение теплопроводности имеет сухой воздух, заключенный в мелких замкнутых порах, в которых практически не возможен конвективный теплообмен. Так, теплопроводность воздуха при 0оСравна0,024Вт/(моК), что много меньше, чем у твердых тел и жидкостей. Это значение справедливо для переноса тепла воздухом в спокойном состоянии. Движение воздуха (в частности, конвекция) способствует более интенсивному теплообмену, поэтому теплоизоляционный материал должен состоять в основном из воздуха, лишенного способности перемещаться. Замкнутая пористость отличает структуру теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь определенное количество «сквозных» открытых пор. И это принципиальное отличие необходимо иметь в виду при производстве теплоизоляционных и звукопоглощающих изделий.
|
|
|
Теплоизоляционные материалы имеют различное строение: ячеистое мелкопористое (типа пены); волокнистое (типа ваты); зернистое (воздух находится в межзерновом пространстве); пластинчатое (воздушные прослойки заключены между листами или чешуйками материала).
|
|
|
Наибольшее содержание воздуха, т.е. максимальная пористость возможна у первых двух типов материалов. Так, например, у материала ячеистого строения – пенопласта пористость может достигать 95-98%, а у волокнистых материалов – минеральной ваты пористость составляет 90-95%. Возможны материалы со структурой смешанного типа. Например, для керамзита характерно два типа воздушных пустот: межзерновая пустотность – 45-50% и пористость самих зерен – 65-70%, что в сумме обеспечивает содержание воздуха в материале до 80-90%.
Строение вещества твердого каркаса материала также влияет на его теплопроводность. Если вещество имеет кристаллическое строение, то его атомы расположены в строго определенном правильном порядке; это предопределяет его высокую теплопроводность. Вещества, имеющие стеклообразное строение, не обладают таким порядком в расположении атомов. Поэтому вещества в стеклообразном состоянии характеризуются в несколько раз меньшей теплопроводностью, чем те же вещества в кристаллическом. Например кристалл кварца имеет теплопроводность 7,2 (13,6) Вт/(м оК) (в зависимости от направления), а кварцевое стекло – около 0,34 Вт/(м оК).
У большинства неорганических теплоизоляционных материалов вещество, образующее каркас, имеет стеклообразное строение (минеральная вата, пеностекло и др.).
Однородность строения материала существенно влияет на его теплопроводность. Так, песчаник, который имеет конгломератное строение и состоит из отдельных песчинок (кристаллов кварца), скрепленных природным цементом, имеет теплопроводность 2-3 Вт/(м оК), т.е. в 3-4 раза ниже таковой для отдельного кристалла кварца.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1805; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!