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

 

                                    (75)

 

и из этого соотношения  появляется возможность найти неизвестный  коэффициент теплопроводности λ₁.

Этот метод называется методом тепломера. Вторая пластина называется эталоном или тепломером, и сделана из материала с известными теплофизическими характеристиками, которые как можно меньше изменяются с температурой. В данной работе был применен эталон из плексигласа теплопроводность которого λ_э = 0,186 Вт/мºК и толщина h_э = 0,005 м. С обеих сторон к эталону прикреплены хромель-алюмелевые термопары, подсоединенные к аналого-цифровому преобразователю.

Однако это метод  обладает более широкой областью применения. Рассмотрим экспериментальную  установку, в которой работают электрические  нагреватели, при установившемся (стационарном) режиме. Полная плотность потока тепла, выделяемого нагревателями, выражается соотношением:

 

,                                                     (76)

 

где Р – мощность источников, S – площадь поверхности домика.

Но надо заметить, что  объем в данной модели не является замкнутым, следовательно, имеет место  процесс фильтрации, так что

 

q_тепл + q_фильт =                                               (77)

 

При этом тот поток  тепла, который мы находим по формуле (74), является потоком за счет теплопроводности через стенку. Таким образом, данный метод позволяет не только производить измерения коэффициентов теплопроводности различных тел, но и оценить потери тепла за счет фильтрации, чего раньше на данной установке нельзя было сделать.

 

§ 3.2. Результаты эксперимента

В ходе эксперимента при  помощи тепломера были проведены  измерения теплового потока через  ограждающие конструкции модели. Измерения были проведены в режиме как наличия так и отсутствия внутренней конвекции для неизолированных и изолированных полиуретановыми панелями стен.

 

Рис. 9 .  Температура на поверхностях тепломера при отсутствии конвекции.

 

Рис. 10.  Температура на поверхностях тепломера при наличии конвекции.

 

Из представленных графиков видно, что при установившемся стационарном режиме разность температур на тепломере равна порядка двух градусов. Используя более точные таблицы данных с датчиков, можно сказать, что к моменту стационарного режима ∆T на тепломере составила:

- для режима отсутствия  конвекции – 2,3ºС

- для режима наличия  конвекции – 1,8ºС

Соответствующие потоки равны:

- для режима отсутствия  конвекции – 86,9 Вт/м²

- для режима наличия  конвекции – 68,1 Вт/м²

Теоретически рассчитанный по формуле (19) поток

q = 94,4 Вт/м²

Таким образом, исходя из формулы (20) можно сделать вывод  о том, что на долю фильтрации в  потере тепла приходится:

- для режима отсутствия  конвекции – 8,4 Вт/м²

- для режима наличия  конвекции – 26 Вт/м²

 

Также были проведены  опыты по измерению тепловых потоков на модели с утепленными стенами. Данные исследования были направлены изучение влияния изоляции различных элементов ограждающих конструкций на внутренний температурный режим здания. Задача заключалась в том, чтобы выйти на тот же внутренний температурный режим, что и при неизолированных стенках, но используя меньшее количество энергии на обогрев. Были изолированы различные элементы модели дома и проведены измерения тепловых потоков и внутреннего температурного режима.

 

Рис. 11. Сравнительное отображение температур на поверхностях тепломера при наличии и отсутствии изоляции.

 

Анализируя данный график, можно сказать, что при наличии  изоляции температуры на поверхностях тепломера меньшие, чем при ее отсутствии, что вполне логично, учитывая тот факт, что тепломер находится на наружной стороне стены. Однако важным моментом является то, что разность температур на тепломере при изоляции заметно меньше чем без нее. Это дает возможность высчитать, насколько уменьшился тепловой поток по сравнению с неизолированным режимом.

Результаты вычислений следующие:

К моменту стационарного  режима ∆T на тепломере составила:

- для режима отсутствия  потолочной изоляции – 1,5ºС

- для режима наличия  потолочной изоляции – 0,7ºС

Соответствующие потоки равны:

- для режима отсутствия  потолочной изоляции – 55,8 Вт/м²

- для режима наличия  потолочной изоляции – 26,4 Вт/м²

Таким образом, потоки отличаются практически в два раза.

Также для выхода на тот  же температурный режим внутри модели при наличии изоляции потребовалось уменьшение мощности нагревателя на 22%.

 

§ 3.3. Особенности теплопроводности материалов, наиболее часто используемых в строительстве

В настоящее  время в строительстве жилых  зданий и сооружений используется широкий  спектр современных искусственных пористых материалов, обладающих теплофизическими свойствами, определяемыми предназначением данного материала. Поэтому их изучение представляет особую важность.

Исследование теплопроводности капиллярнопористых тел и дисперсных сред проводится двумя путями. Первый путь — экспериментальное исследование теплофизических характеристик материалов при помощи известных методов, базирующихся на решении задач теплопроводности для тел различной формы. Хотя теоретические предпосылки при этом в большинстве случаев соблюдаются с некоторым приближением, этот путь дает возможность определить эффективные значения теплофизических характеристик с достаточно высокой точностью.

Надежные измерения теплопроводности капиллярнопористых тел и дисперсных материалов необходимы не только для получения количественных данных, но и для понимания основных явлений переноса тепла в таких системах, так как хорошо поставленный эксперимент дает возможность изучить зависимость тепловых свойств материалов от температуры, давления и рода газа в порах, пористости, величины зерен твердой фазы и других факторов.

Однако чисто эмпирический подход к проблеме переноса тепла в капиллярнопористых и дисперсных системах, как и при рассмотрении других явлений, явно недостаточен. Акцентирование внимания на чисто количественных величинах, на многочисленных эмпирических и полуэмпирических соотношениях без теоретического анализа, без рассмотрения взаимного влияния различных факторов уводит от понимания фундаментальных процессов переноса тепла, имеющих  место в гетерогенных системах.

Поэтому весьма распространенным является второй путь, основанный на рассмотрении реальной структуры капиллярнопористого или дисперсного материала, моделировании такой системы и последующем расчете ее эффективной теплопроводности для реальных условий работы материала.

Несмотря на большое  разнообразие реальных гетерогенных пористых систем по их химическому составу, пористости, размерам частиц и пор, их различной ориентации по отношению к тепловому потоку и сложности теоретического анализа и математического описания тепловых процессов, происходящих в таких материалах, в настоящее время уже существуют теоретические зависимости, позволяющие с большей или меньшей точностью рассчитать эффективную теплопроводность пористых гетерогенных систем. Однако наряду с этим необходимо подчеркнуть, что все еще отсутствуют достаточно надежные соотношения, которые можно было бы использовать, а тем более такие соотношения, которые были бы общепринятыми для расчета эффективной теплопроводности капиллярнопористых и дисперсных систем определенных классов материалов. Развитие работ в этой области может привести к нахождению таких соотношений, что позволит сократить необходимость проведения сложных, зачастую длительных, трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований.

Широко распространенным и достаточно эффективным методом  теоретического исследования теплопроводности капиллярнопористых тел и дисперсных сред является использование для этой цели принципа обобщенной проводимости, базирующегося на аналогии между дифференциальными уравнениями стационарного потока тепла, электрического тока, электрической и магнитной индукции, потока массы. Такая аналогия дает возможность использовать для расчета тепловой проводимости системы основные соотношения электростатики и электродинамики.

Необходимо отметить, что  использование принципа обобщенной проводимости оказывается наиболее эффективным, если оно сопровождается рассмотрением структуры материала, оценкой пористости системы, размеров частиц и пор, способов контактирования частиц между собой, оценкой влияния кондуктивной, конвективной и радиационной составляющих на эффективную теплопроводность системы.

Передача тепла в  дисперсных материалах осуществляется посредством:

• теплопроводности самих частиц материала;теплопроводности  газа,  заполняющего поры материала;
• теплопроводности   газового  микрозазора   между  частицами;
• передачи тепла теплопроводностью от одной частицы к другой в   местах   их   соприкосновения   (контактной   теплопроводностью);
• конвекции газа, в среде которого находится засыпка;
• излучения от частицы к частице.

Даже простое перечисление всех видов переноса в дисперсных системах делает очевидным тот факт, что эффективная теплопроводность такой системы является сложнейшей функцией температуры, давления газа, химического состава материала и газа, пористости, размеров и формы частиц и пор, степени черноты и температуры граничных поверхностей, коэффициента аккомодации поверхности частиц по отношению к газу-наполнителю и многих других факторов.

Составление, анализ и решение уравнений, учитывающих все виды переноса тепла и все указанные выше факторы, встречает очень большие трудности. Поэтому все полученные к настоящему времени расчетные соотношения выведены на основе некоторых принципиальных и частных допущений, на основе упрощения физической картины рассматриваемого процесса и идеализированного представления о структуре материала.

Одним из основных допущений, общепринятых при рассмотрении процессов переноса тепла в дисперсных средах при определенных условиях, являются положения об аддитивности различных механизмов переноса тепла в таких средах и, в связи с этим, о возможности пренебрежения тем или иным видом переноса тепла в определенных условиях. Анализ, с одной стороны, многочисленных теоретических исследований, а с другой стороны, большого числа экспериментальных данных позволяет в общем случае выявить следующие чисто качественные закономерности переноса тепла в капиллярнопористых телах и дисперсных средах:

1. Теплопроводность материала частиц не оказывает решающего влияния на эффективную теплопроводность дисперсного материала, и ее роль, особенно для неметаллических материалов, достаточно мала .
2. Эффективная теплопроводность капиллярнопористых и дисперсных материалов очень сильно зависит от теплопроводности газа-наполнителя .
3. Значительное влияние на эффективную теплопроводность материала оказывает теплопроводность тазового микрозазора между частицами дисперсного материала.
4. Контактная теплопроводность между частицами играет большую роль и является определяющей при невысоких температурах и низком давлении газа; при нормальном давлении ею можно пренебречь.

5. Эффективная  теплопроводность капиллярнопористых   и  дисперсных материалов начинает зависеть от давления газа-наполнителя

при определенных значениях критерия  Кнудсена .

6. При   глубоком  вакууме  эффективная   теплопроводность   дисперсного материала при повышенных температурах почти полностью обусловлена лучистым теплообменом; в условиях высоких температур лучистая составляющая теплопроводности является определяющей при любых давлениях газа-наполнителя.

7. Конвективным  переносом тепла в дисперсной  или капиллярнопористой системе в подавляющем большинстве случаев можно пренебречь, так как очень малые размеры пор и микрозазоров на стыке частиц препятствуют возникновению конвективных токов под действием температурного градиента.  Известно,  что конвективным теплообменом в порах можно пренебречь при величинах GrPr < 10³, что справедливо для частиц диаметром не более 4—6 мм. Большинство реальных дисперсных систем имеет размер частиц меньше указанного.

8. Большое влияние  на эффективную теплопроводность  дисперсной системы при  повышенных  температурах оказывает диаметр частиц, так как он определяет «число экранов». При прочих равных   условиях   системы  с большим диаметром частиц имеют большую теплопропроводность, так как «число экранов» при этом меньше.

 

§ 3.4. Влияние содержания влаги в материалах на теплопередачу

 Обычные материалы имеют трещины, поры, капиллярные каналы. Во влажной  атмосфере при температуре < 100 ºС эти полости заполняются водой или смесью паров воды и воздуха.

 Теплообмен в этом случае может  осуществляться различными путями: проводимость воздуха, излучение от стенок полости, конвекция, проводимость воды, диффузия паров воды в воздухе. Последний фактор долгое время не учитывался, хотя он имеет важное значение. Впервые физическая картина теплообмена диффузией была описана в 1934 году. Для схематизации будем считать, что поры или пустоты связаны между собой капиллярными каналами. Противоположные поверхности пор имеют различную температуру, поэтому существует разница давлений насыщенных паров жидкости между этими поверхностями. В результате, пары диффундируют от более горячей стенке к более холодной. Пар, образующийся у нагретой поверхности, конденсируясь на холодной стенке, отдает тепло.