Изучение особенностей тепло- и массообмена в ограждающих конструкциях жилых зданий и сооружений

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра энергофизики

 

 

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В ОГРАЖДАЮЩИХ  КОНСТРУКЦИЯХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

 

Дипломная работа студента 5 курса

РУДОВА Дениса Борисовича

 

  Руководитель: к.ф.-м.н., доцент

                                         Волохов Г.М.

  Рецензент: к.ф.-м.н.

                                            Карбалевич Н.А.

 

 

 

 

“Допустить к защите“

Заведующий кафедрой

д.ф.-м.н., профессор Федотов А.К.

 

 

“___”_________ 2007 г.

 

 

Минск 2007

 

РЕФЕРАТ

 

Дипломная работа, 57 страниц, 18 рисунков (графики, иллюстрации), 6 источников.

ТЕПЛООБМЕН В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ, ФИЛЬТРАЦИЯ, ТЕПЛОВОЙ ПОТОК, ТЕПЛОМЕР, ВЛАЖНЫЕ ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕПЛОВОЙ КОЛЛЕКТОР

Объектом исследования являются тепловые потоки внутри модели жилого дома и способы их измерения, влияние теплоизоляции различных элементов ограждающих конструкций на тепловой режим внутри здания. Также анализируется применимость капиллярно-пористых материалов в строительстве в условиях повышенной влажности и возможность использования солнечной энергии для нагрева воды.

В результате проведенной работы был изготовлен и применен тепломер, позволяющий производить непосредственное измерение локальных потоков тепла через любые поверхности модели, показана применимость решений отдельных задач теплопроводности к реальным объектам, обоснована необходимость гидрофобизации капиллярно-пористых строительных материалов, показана выгода использования солнечных коллекторов для небольших жилых зданий.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………..……………………………………………………..…4

1. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ  ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ  …………………………..…………………..…6

§ 1.1. Температурное поле ……………………………..………………….8

§ 1.2. Температурный градиент   …………………….…………………..11

§ 1.3. Тепловой поток. Закон Фурье………………………..……………13

§ 1.4. Закон Ньютона-Рихмана………………………………..………… 17

§ 1.5. Дифференциальное уравнение теплопроводности…………..…..17

§ 1.6. Краевые условия……………………………………………..……..23

2. НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОФИЗИКЕ……...…....29

§ 2.1. Стационарное температурное поле………………………….……29

§ 2.2. Одномерные задачи………………………………………………..30

§ 2.2.1. Неограниченная пластина……………………...…………30

§ 2.2.2. Неограниченная пластина при наличии в ней источника        тепла……………………………………..………………....32

§ 2.3. Симметричная система из трех неограниченных пластин……....33

§ 2.4. Температурное поле в прямоугольном параллелепипеде…..…...35

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ………………...38

§ 3.1. Метод тепломера………………………………………………...…39

§ 3.2. Результаты эксперимента………………………………...………..42

§ 3.3. Особенности теплопроводности материалов, используемых в    строительстве…………………………………………….……..….45

§ 3.4. Влияние содержания влаги в материалах на теплопередачу……49

§ 3.5. Возможности использования солнечной энергии………………..53

ВЫВОДЫ…………………………………………………………………..…….58

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………….……………59

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Сложные процессы тепломассообмена постоянно  происходят в окружающей нас среде, на производстве, и в сооружениях, создаваемых человеком. Жилые дома и многие другие объекты можно рассматривать некоторый ограниченный объем с внутренними источниками или стоками тепла. Исследование теплообмена в таких случаях – важная научно-практическая задача, актуальность решения которой многократно возросла всвязи с увеличением энергопотребления и необходимостью его сокращения. Жилищно-коммунальные расходы энергии составляют 30 – 40% от общего объема энергопотребления. Их сокращение – важный резерв повышения эффективности экономики. Ее потенциал достаточно велик, но его реализация требует определенных шагов, начиная с подготовки соответствующих специалистов.

На кафедре энергофизики такая  работа ведется уже длительный период времени. В частности, усовершенствованы старые и созданы новые лабораторные работы, связанные с вопросами энергосбережения. Цель настоящей работы – развитие, совершенствование и оценка границ применимости лабораторных моделей при исследованиях теплообмена в реальных условиях.

Работа состоит из трех глав и  заключения. Первые две главы включают общетеоретические вопросы феноменологической теории теплопроводности, обычно используемые в строительной теплофизике. В частности, приводится общее решение о теплообмене  тела со средой постоянной температуры, решения задач при наличии постоянно действующих тепловых источников, и решение для трехслойной системы тел. Третья глава содержит описание экспериментальной модели, методики проведения и результатов самих экспериментов. Обращено внимание на зависимость эффективных значений теплопроводности капиллярно-пористых структур, используемых в строительстве, не только от пористости но и от других факторов. Подчеркнута возможность широкого использования солнечной энергии.

 

Глава 1.

Некоторые основные понятия теории теплопроводности

 

При контакте частей одного тела или  нескольких взаимодействующих тел, имеющих различную температуру, их движущиеся структурные части  взаимодействуют, обмениваясь кинетической энергией, вследствие чего происходит изменение скорости их движения (она уменьшается у частиц более нагретых тел и возрастает у частиц менее нагретых). Такой обмен между телами или их частями называется теплопередачей или теплообменом. Количество энергии, которое было передано частицами более горячего тела частицам менее горячего, называется количеством теплоты. При этом теплота всегда переходит из горячих областей в холодные, если процесс протекает в одном теле, и от горячих тел к холодным, если рассматривается система тел. Результатом теплообмена является выравнивание температур взаимодействующих тел, после чего теплообмен прекращается, и система переходит в состояние термодинамического равновесия.

Температура – основной параметр состояния. Наиболее простое и наглядное  представление о температуре  можно получить, рассматривая модель идеального газа. Полагается, что он подчиняется уравнению Менделеева – Клапейрона:

.          (1)

В этом случае средняя кинетическая энергия частицы пропорциональна  абсолютной температуре:

          (2)

где k = R/N – постоянная Больцмана, N – число Авогадро.

Существует несколько видов  теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение. Эти процессы принципиально различаются между собой по природе и описываются различными законами.

Теплопроводность – вид теплообмена, действие которого связано с наличием материальной среды, так что теплообмен происходит только между частицами, находящимися  в непосредственной близости друг от друга. При этом явлении теплота передается от одной частицы к другой. В твердых телах процесс теплопроводности можно наблюдать в чистом виде, например,  в металлах передача теплоты происходит в результате движения свободных электронов. В жидкостях и диэлектриках теплопроводность осуществляется упругими волнами, которые образуются в результате смещения всех молекул и атомов из равновесных положений. Взаимодействие этих волн и приводит к обмену энергией между частицами и слоями тела. В газах теплопроводность наблюдается в виде молекулярного процесса, при котором молекулы постоянно взаимодействуют друг с другом, не занимая фиксированного места в пространстве.

Конвективный перенос тепла и массы происходит за счет движения макроскопических потоков частиц вещества, переносящих при этом теплоту. Это явление наблюдается в жидкостях и газах и сопровождается теплопроводностью – передачей тепла от одной частицы к другой (при отсутствии равенства температур в потоке). Различается свободная и вынужденная конвекция. В первом приближении свободная конвекция выражается законом Ньютона .

При ограничении потока стенками мы имеем дело с особым видом теплообмена  – теплоотдачей. Так называют теплообмен между средой и стенкой, при котором частицы среды, находящиеся вблизи стенки передают или отнимают у нее теплоту, ударяясь о нее.

Для теплообмена излучением характерно отсутствие контакта между обменивающимися теплотой телами. Тепловое излучение возникает на поверхности тел или внутри них в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. При этом некоторая часть внутренней энергии тела преобразуется в электромагнитные волны и уже в такой форме передается через пространство.

Все эти формы переноса тепла  практически не встречаются в  чистом виде, и, как правило, в той или иной мере сопутствуют друг другу в некоем едином процессе теплопереноса, и различить их очень трудно.

Перенос теплоты теплопроводностью является физическим процессом, следовательно, он может быть описан математически. Одним из законов, составляющих основу аналитической теории теплопроводности,  является закон Фурье, который связывает перенос тепла внутри тела с температурным состоянием вблизи рассматриваемого места.

 

§ 1.1. Температурное  поле

 

Температурным полем называют множество значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства или тела в каждый момент времени.

Температура - это  скалярная величина, так как она характеризует  тепловое состояние в любой точке  тела, определяя степень его нагретости. Температуру нельзя охарактеризовать направлением, поэтому поле температур является скалярным. Математическое выражение для распределения температуры в теле содержит в качестве независимых переменных пространственные координаты и время:

В декартовой системе координат

T = T(x, y, z, t);

В цилиндрической системе координат

T = T(r, φ, z, t);                                                 (3)

В сферической системе координат

T = T(r, φ, Θ, t);

 

Уравнение (3) является записью наиболее общего вида температурного поля, когда температура в теле с течением времени изменяется от одной точки к другой. Такому полю соответствует неустановившийся тепловой режим теплопроводности, и оно называется нестационарным температурным полем. Если тепловой режим является установившимся, то температура в каждой точке постоянна и изменяется лишь от точки к точке. Температурное поле, соответствующее этому режиму называется стационарным, а температура является функцией только координат, например для декартовой системы:

                                               T = T(x, y, z),  ∂T/∂t = 0.                         (4)

Температурное поле, соответствующее  уравнениям (3) и (4) называется пространственным, или трехмерным, так как температура является функцией трех координат. Если вдоль одной из координат, например оси z, температура остается постоянной, то это условие записывается как ∂T/∂z= 0. тогда поле называется двумерным.  Соответственно, если температура постоянна вдоль двух координат, то поле является одномерным.

Переменные x, y, z определяют положение любой точки рассматриваемого тела, принимая бесконечное множество числовых значений, как и переменная t, являющаяся характеристикой времени течения процесса теплопроводности. В теле, где температура задана как функция координат и времени, можно выделить поверхность, во всех точках которой в некоторый момент времени температура одинакова. Эта поверхность называется изотермической поверхностью или поверхностью уровня, а ее уравнение имеет следующий вид:

T(x, y, z, t) = C,      C = const.

В отличие от стационарных, в нестационарных полях форма и расположение изотермических поверхностей с течением времени меняются.  Изотермические поверхности имеют следующие свойства:

• две изотермические поверхности с различными температурами никогда не пересекаются друг с другом, потому как  одна и та же точка не может иметь две разные температуры.
• изотермические поверхности не имеют границ внутри тела, они либо заканчиваются на границе тела, либо замыкаются сами на себя внутри его объема.
• теплота не распространяется вдоль изотермической пластины, а направлена от одной поверхности к другой, что следует из положения о том, что тепло распространяется от более нагретого предмете к менее нагретому.

Задание температурного поля соотношением T = T (x, y, z, t) не всегда дает ясное представление о поведении этого поля, а задание изотермических поверхностей равносильно заданию самого поля T = T (x, y, z, t), при этом взаимное расположение поверхностей уровня дает наглядное представление о соответствующем поле температур. Особенно это удобно при рассмотрении двумерного поля.

Равенство вида T(x, y, t) = C определяет  на плоскости (x, y) множество кривых вида y=φ(x, c, t), которые называются линиями уровня двумерного температурного поля.

Поле Т называется плоскопараллельным, если в пространстве существует направление, при сдвигах вдоль которого поле Т переходит само в себя. Оно задается равенством Т = (х, у). Поле называется осесимметрическим, если оно переходит само в себя при повороте пространства вокруг некоторой фиксированной оси. Оно задается соотношением Т = Т(r, z) в цилиндрической системе координат.