Теплопередача через однослойное ограждение

Стационарный тепловой поток формируется при неизменных во времени температурах внутреннего (t_в) и наружного (t_н) воздуха. Тогда температура в любом слое ограждающей конструкции не изменяется, поскольку не происходит нагревания или охлаждения этого слоя. Действительные условия теплопередачи отличаются от стационарных, однако в практических расчетах дают достаточную точность, необходимую для инженерных расчетов.

Рассмотрим процесс перехода тепла (см. рис. 4.1) от внутреннего воздуха к наружному через однородную однослойную конструкцию толщиной δ с коэффициентом теплопроводности λ. Условно можно выделить три этапа прохождения тепла.

α_{в λ} α_н

t_в

τ_в Q_к

Q_в Q_н

R_в R_к τ_н R_н

t_н

δ

Рис. 4.1 – Схема перехода тепла через однослойное ограждение

1. Тепловосприятие у внутренней поверхности. Как отмечалось ранее передача тепла от внутреннего воздуха к поверхности происходит конвекцией и лучистым теплообменом. Совместное действие может характеризоваться коэффициентом теплоотдачи у внутренней поверхности (α_в), который является суммой коэффициентов конвективного и лучистого теплообменов, т.е. .

Величина α_в характеризует количество теплоты, перешедшей на 1 м² площади ограждения за 1 час при разности температур 1 ^оС [(Дж/(м²∙ч∙^оС) или Вт/(м²∙^оС)]. Этот коэффициент в инженерных расчетах для поверхностей стен, пола и потолка не имеющих ребер равен α_в = 8,7 Вт/(м²∙^оС), [1].

Количество тепла (Q_в, Вт), перешедшего на внутреннюю поверхность площадью (F, м²) с температурой (τ_в. ^оС) может быть выражено зависимостью

. (4.1)

2. Теплопередача через ограждение. Происходит теплопроводностью и согласно закону Фурье количество передаваемой теплоты равно

. (4.2)

Рис. 4.2. Схема перехода тепла через однослойное ограждение согласно закону Фурье

3. Теплоотдача у наружной поверхности. Происходит также конвекцией и лучистым теплообменом, характеризуется коэффициентом теплоотдачи у наружной поверхности, α_н, Вт/(м²∙^оС). Коэффициент α_н зависит от конвективного теплообмена. На величину α_к существенное влияние оказывает скорость ветра. В таблице 4.1 приведены соотношения скорости ветра и величины α_к.

Таблица 4.1 – Соотношение скорости ветра и α_к

Для наружных поверхностей соприкасающихся с наружным воздухом в инженерных расчетах [1] принято α_н = 23 Вт/(м²∙^оС), что соответствует скорости около 5 м/с, принятой в качестве верхнего рубежа в типовом проектировании.

Количество тепла (Q_н, Вт), перешедшего от наружной поверхности с температурой (τ_н, ^оС) к наружному воздуху может быть выражено зависимостью

. (4.3)

Общее количество теплоты (Q_о, Вт), перешедшее от (t_в) к (t_н) равно

.

Решая это уравнение по правилу сложных пропорций, находим

. (4.4)

Величина - коэффициент теплопередачи ограждения, Вт/(м²∙^оС).

Тогда с учетом k

. (4.5)

Удельное количество тепла, проходящее через 1 м² ограждения, равно

. (4.6)

В дальнейших расчетах индекс “o” опускается.