Resistencia térmica de la capa de aire ventilada. Espacios de aire. Áreas de aplicación de capas de aire cerradas y ventiladas. Conceptos básicos de la transferencia de calor en un edificio
.
1.3 El edificio como sistema energético único.
2. Transferencia de calor y humedad a través de vallas exteriores.
2.1 Conceptos básicos de la transferencia de calor en un edificio.
2.1.1 Conductividad térmica.
2.1.2 Convección.
2.1.3 Radiación.
2.1.4 Resistencia térmica de la capa de aire.
2.1.5 Coeficientes de transferencia de calor en superficies internas y externas.
2.1.6 Transferencia de calor a través de una pared multicapa.
2.1.7 Resistencia reducida a la transferencia de calor.
2.1.8 Distribución de temperatura a lo largo de la sección de la cerca.
2.2 Condiciones de humedad de las estructuras de cerramiento.
2.2.1 Motivos de la aparición de humedad en vallas.
2.2.2 Consecuencias negativas de mojar vallas exteriores.
2.2.3 Relación entre la humedad y los materiales de construcción.
2.2.4 Aire húmedo.
2.2.5 Contenido de humedad del material.
2.2.6 Sorción y desorción.
2.2.7 Permeabilidad al vapor de vallas.
2.3 Permeabilidad al aire de vallas exteriores.
2.3.1 Disposiciones básicas.
2.3.2 Diferencia de presión en las superficies exterior e interior de las vallas.
2.3.3 Permeabilidad al aire de los materiales de construcción.
2.1.4 Resistencia térmica de la capa de aire.
Para aportar uniformidad, resistencia a la transferencia de calor. espacios de aire cerrados ubicados entre las capas de la estructura envolvente se llaman resistencia termica R v.p, m². ºС/W.
El diagrama de transferencia de calor a través del entrehierro se muestra en la Fig. 5.
Fig.5. Intercambio de calor en la capa de aire.
Flujo de calor que pasa a través del entrehierro q v.p , W/m² , consta de flujos transmitidos por conductividad térmica (2) q t, W/m² , convección (1) q ê , W/m² , y radiación (3) q l , W/m² .
(2.12)
En este caso, la proporción del flujo transmitido por radiación es la mayor. Consideremos una capa de aire vertical cerrada, en cuyas superficies la diferencia de temperatura es de 5ºC. Con un aumento en el espesor de la capa de 10 mm a 200 mm, la proporción del flujo de calor debido a la radiación aumenta del 60% al 80%. En este caso, la proporción de calor transferido por conductividad térmica cae del 38% al 2% y la proporción del flujo de calor convectivo aumenta del 2% al 20%.
El cálculo directo de estos componentes es bastante engorroso. Por lo tanto en documentos reglamentarios proporciona datos sobre la resistencia térmica de las capas de aire cerradas, que fueron recopilados por K.F. en los años 50 del siglo XX. Fokin basado en los resultados de los experimentos de M.A. Mijeeva. Si hay papel de aluminio que refleja el calor en una o ambas superficies del entrehierro, lo que impide la transferencia de calor radiante entre las superficies que enmarcan el entrehierro, la resistencia térmica debe duplicarse. Para aumentar la resistencia térmica de las capas de aire cerradas, se recomienda tener en cuenta las siguientes conclusiones de la investigación:
1) las capas de pequeño espesor son eficaces desde el punto de vista de la ingeniería térmica;
2) es más racional hacer varias capas delgadas en la cerca que una grande;
3) es aconsejable colocar los espacios de aire más cerca Superficie exterior vallas, ya que en este caso horario de invierno el flujo de calor por radiación disminuye;
4) las capas verticales en las paredes exteriores deben dividirse con diafragmas horizontales al nivel de los techos entre pisos;
5) para reducir el flujo de calor transmitido por radiación, se puede recubrir una de las superficies de la capa intermedia papel de aluminio, que tiene una emisividad de aproximadamente ε=0,05. Cubrir ambas superficies del espacio de aire con papel de aluminio prácticamente no reduce la transferencia de calor en comparación con cubrir una superficie.
Preguntas para el autocontrol
1. ¿Cuál es el potencial de transferencia de calor?
2. Enumere los tipos elementales de transferencia de calor.
3. ¿Qué es la transferencia de calor?
4. ¿Qué es la conductividad térmica?
5. ¿Cuál es la conductividad térmica de un material?
6. Escriba la fórmula para el flujo de calor transferido por conductividad térmica en una pared multicapa a temperaturas conocidas de las superficies internas tв y las superficies externas tн.
7. ¿Qué es la resistencia térmica?
8. ¿Qué es la convección?
9. Escribe la fórmula para el flujo de calor transferido por convección desde el aire a la superficie.
10. Significado físico del coeficiente de transferencia de calor por convección.
11. ¿Qué es la radiación?
12. Escribe la fórmula para el flujo de calor transferido por radiación de una superficie a otra.
13. Significado físico del coeficiente de transferencia de calor radiativo.
14. ¿Cómo se llama la resistencia a la transferencia de calor de un espacio de aire cerrado en la envolvente de un edificio?
15. ¿En qué tipo de flujo de calor consiste el flujo de calor total a través de la capa de aire?
16. ¿Qué naturaleza del flujo de calor prevalece en el flujo de calor a través de la capa de aire?
17. ¿Cómo afecta el espesor del entrehierro a la distribución de los flujos en el mismo?
18. ¿Cómo reducir el flujo de calor a través del espacio de aire?
Para aportar uniformidad, resistencia a la transferencia de calor. espacios de aire cerrados ubicados entre las capas de la estructura envolvente se llaman resistencia termica Rv.p, m². ºС/W.
El diagrama de transferencia de calor a través del entrehierro se muestra en la Fig. 5.
Fig.5. Intercambio de calor en la capa de aire.
El flujo de calor que pasa a través de la capa de aire qv.p, W/m², se compone de flujos transmitidos por conductividad térmica (2) qt, W/m², convección (1) qк, W/m² y radiación. 
(3) ql, W/m².
24. Resistencia condicional y reducida a la transferencia de calor. Coeficiente de homogeneidad termotécnica de estructuras de cerramiento.
25. Estandarización de la resistencia a la transferencia de calor en función de condiciones sanitarias e higiénicas.
, R 0 = *
Normalizamos Δ t n, entonces R 0 tr = * , aquellos. para que Δ t≤ Δ t n es necesario
R 0 ≥ R 0 tr
SNiP amplía este requisito a la resistencia reducida. transferencia de calor
R 0 pr ≥ R 0 tr
t in - temperatura de diseño del aire interior, °C;
aceptar según las normas de diseño. edificio
t n - - temperatura estimada del aire exterior en invierno, °C, igual a la temperatura media del período de cinco días más frío con una probabilidad de 0,92
A en (alfa): coeficiente de transferencia de calor de la superficie interna de estructuras de cerramiento, aceptado según SNiP
Δt n - diferencia de temperatura estándar entre la temperatura del aire interno y la temperatura de la superficie interna de la estructura de cerramiento, adoptada según SNiP
Resistencia a la transferencia de calor requerida R tr o puertas y portones deben tener al menos 0,6 R tr o paredes de edificios y estructuras, determinadas por la fórmula (1) con el diseño temperatura de invierno aire exterior igual a la temperatura promedio del período de cinco días más frío con una probabilidad de 0,92.
Al determinar la resistencia a la transferencia de calor requerida de las estructuras de cerramiento internas en la fórmula (1), se debe tomar en su lugar tn-temperatura del aire calculada de la habitación más fría.
26. Cálculo de ingeniería térmica. espesor requerido material de cercado en función de las condiciones para lograr la resistencia a la transferencia de calor requerida.
27. Humedad del material. Razones para humedecer la estructura.
Humedad -cantidad física igual a la cantidad de agua contenida en los poros del material.
Disponible en masa y volumen.
1) Humedad de la construcción.(durante la construcción de un edificio). Depende del diseño y método de construcción. Sólido Enladrillado peor que los bloques de cerámica. La más favorable es la madera (paredes prefabricadas). w/w no siempre. Debe desaparecer a los 2=-3 años de funcionamiento Medidas: secar las paredes
Humedad del suelo. (succión capilar). Alcanza un nivel de 2-2,5 m de capas impermeabilizantes, con dispositivo correcto no afecta.
2) Humedad del suelo, Penetra en la valla desde el suelo gracias a la succión capilar.
3) Humedad atmosférica. (lluvia oblicua, nieve). Particularmente importante para techos y aleros... sólido paredes de ladrillo no requieren protección si las juntas se realizan correctamente Hormigón armado, paneles de hormigón ligero, preste atención a las juntas y bloques de ventanas, capa texturizada de materiales impermeables. Protección=muro protector en pendiente
4) Humedad de funcionamiento. (en talleres edificios industriales, principalmente en suelos y partes bajas de paredes) solución: suelos impermeables, sistema de drenaje, revestimiento de la parte inferior con baldosas cerámicas, yeso hidrófugo. Protección = forro protector con interior lados
5) Humedad higroscópica. Debido a la mayor higroscopicidad de los materiales (la capacidad de absorber vapor de agua del aire húmedo)
6) Condensación de humedad del aire.:a) en la superficie de la cerca b) en el espesor de la cerca
28. La influencia de la humedad en las propiedades de las estructuras.
1) Al aumentar la humedad, aumenta la conductividad térmica de la estructura.
2) Deformaciones por humedad. La humedad es mucho peor que la expansión térmica. El yeso se pela debido a la humedad acumulada debajo, luego la humedad se congela, aumenta de volumen y arranca el yeso. Los materiales no resistentes a la humedad se deforman cuando se humedecen. Por ejemplo, el yeso comienza a arrastrarse cuando aumenta la humedad, la madera contrachapada comienza a hincharse y deslaminarse.
3) Durabilidad reducida: número de años de funcionamiento sin problemas de la estructura.
4) Daño biológico (hongos, moho) por rocío
5) Pérdida de apariencia estética
Por ello, a la hora de elegir materiales se tienen en cuenta sus condiciones de humedad y se seleccionan los materiales con mayor humedad. Además, la humedad interior excesiva puede provocar la propagación de enfermedades e infecciones.
Desde un punto de vista técnico, esto provoca pérdidas en la durabilidad de la estructura y en sus propiedades resistentes a las heladas. Con mucha humedad, algunos materiales pierden resistencia mecánica y cambian de forma. Por ejemplo, el yeso comienza a arrastrarse cuando aumenta la humedad, la madera contrachapada comienza a hincharse y deslaminarse. Corrosión del metal. deterioro de la apariencia.
29. Aumenta la sorción de vapor de agua. materia. Mecanismos de sorción. Histéresis de sorción.
Sorción- el proceso de absorción de vapor de agua, que conduce a un estado de humedad de equilibrio del material con el aire. 2 fenómenos. 1. Absorción como resultado de la colisión de un par de moléculas con la superficie de un poro y adhesión a esta superficie (adsorción)2. Disolución directa de la humedad en el volumen corporal (absorción). La humedad aumenta al aumentar la elasticidad relativa y disminuir la temperatura. “desorción”: si se coloca una muestra húmeda en desecadores (solución de ácido sulfúrico), libera humedad.
Mecanismos de sorción:
1.Adsorción
2.Condensación capilar
3.Relleno de volumen de microporos.
4. Llenar el espacio entre capas
Nivel 1. La adsorción es un fenómeno en el que la superficie de los poros se cubre con una o más capas de moléculas de agua (en mesoporos y macroporos).
Etapa 2. Adsorción polimolecular: se forma una capa adsorbida multicapa.
Etapa 3. Condensación capilar.
CAUSA. Presión vapor saturado sobre una superficie cóncava es menor que sobre una superficie plana de un líquido. En los capilares de radio pequeño, la humedad forma miniskies cóncavos, por lo que es posible la condensación capilar. Si D>2*10 -5 cm, entonces no habrá condensación capilar.
Desorción – el proceso de secado natural del material.
Histéresis (“diferencia”) de sorción radica en la diferencia entre la isoterma de sorción obtenida cuando el material se humedece y la isoterma de desorción obtenida del material seco. muestra la diferencia porcentual entre la humedad en peso durante la sorción y la humedad en peso de la desorción (desorción 4,3%, sorción 2,1%, histéresis 2,2%) al humidificar la isoterma de sorción. Al secar la desorción.
30. Mecanismos de transferencia de humedad en materiales de construcción. Permeabilidad al vapor, succión capilar de agua.
1. En invierno, debido a las diferencias de temperatura y a diferentes presiones parciales, un flujo de vapor de agua pasa a través de la cerca (de la superficie interior a la exterior) - difusión del vapor de agua. En verano es al revés.
2. Transporte convectivo de vapor de agua.(con flujo de aire)
3. Transferencia de agua capilar(percolación) a través de materiales porosos.
4. Agua por gravedad que se filtra por las grietas, agujeros, macroporos.
Permeabilidad al vapor – la capacidad de un material o estructura hecha a partir de ellos para permitir el paso del vapor de agua.
Coeficiente de permeabilidad de los poros- Físico. un valor numéricamente igual a la cantidad de vapor que pasa a través de la placa con una unidad de área, con una caída de presión unitaria, con una unidad de espesor de la placa, con una unidad de tiempo con una diferencia de presión parcial en los lados de la placa e 1 Pa .. Con una disminución. Temperaturas, mu disminuye, con mayor humedad, mu aumenta.
Resistencia a la permeación de vapor: R=espesor/mu
Mu - coeficiente de permeabilidad al vapor (determinado según SNIP 2379 ingeniería térmica)
Absorción capilar de agua por materiales de construcción – Asegura la transferencia constante de humedad líquida a través de materiales porosos desde un área de alta concentración a un área de baja concentración.
Cuanto más delgados son los capilares, mayor es la fuerza de succión capilar, pero en general la tasa de transferencia disminuye.
La transferencia capilar se puede reducir o eliminar instalando una barrera adecuada (pequeño espacio de aire o capa capilar inactiva (no porosa)).
31. Ley de Fick. Coeficiente de permeabilidad al vapor
P(cantidad de vapor, g) = (ev-en)F*z*(mu/espesor),
mu– coeficiente permeabilidad al vapor (determinada según SNIP 2379 ingeniería de calefacción)
Física. un valor numéricamente igual a la cantidad de vapor que pasa a través de la placa con una unidad de área, con una caída de presión unitaria, con una unidad de espesor de la placa, con una unidad de tiempo con una diferencia de presión parcial en los lados de la placa e 1 Pa . [mg/(m 2 *Pa)]. El mu más pequeño tiene un material de techo de 0,00018, el algodón mínimo más grande = 0,065 g/m*h*mm.Hg., vidrio de ventana y los metales son herméticos al vapor, el aire tiene la mayor permeabilidad al vapor. Al disminuir Temperaturas, mu disminuye, con mayor humedad, mu aumenta. Depende de las propiedades físicas del material y refleja su capacidad para conducir el vapor de agua que se difunde a través de él. Los materiales anisotrópicos tienen diferentes mu (para madera a lo largo de la fibra = 0,32, a lo largo = 0,6).
Resistencia equivalente a la permeación de vapor de una valla con disposición secuencial de capas. La ley de Fick.
Q=(e 1 -e 2)/R n qR n1n =(e n1n-1 -e 2)
32 Cálculo de la distribución de la presión parcial del vapor de agua en todo el espesor de la estructura.
Prueba
en Termofísica No. 11
Resistencia térmica de la capa de aire.
1. Demuestre que la línea de disminución de temperatura en el espesor de una cerca multicapa en las coordenadas "temperatura - resistencia térmica" es recta
2. ¿De qué depende la resistencia térmica de la capa de aire y por qué?
3. Razones que provocan que se produzca una diferencia de presión a un lado y al otro de la valla
cercado de capa de aire de resistencia a la temperatura
1. Demuestre que la línea de disminución de temperatura en el espesor de una cerca multicapa en las coordenadas "temperatura - resistencia térmica" es recta
Usando la ecuación para la resistencia a la transferencia de calor de una cerca, es posible determinar el grosor de una de sus capas (la mayoría de las veces, aislamiento, un material con el coeficiente de conductividad térmica más bajo), en el cual la cerca tendrá un valor dado (requerido) de resistencia a la transferencia de calor. Luego, la resistencia de aislamiento requerida se puede calcular como, donde es la suma de las resistencias térmicas de capas con espesores conocidos, y grosor mínimo aislamiento - así: . Para cálculos adicionales, el espesor del aislamiento debe redondearse a un múltiplo de los valores de espesor estandarizados (de fábrica) de un material en particular. Por ejemplo, el espesor de un ladrillo es múltiplo de la mitad de su longitud (60 mm), el espesor de las capas de hormigón es múltiplo de 50 mm y el espesor de las capas de otros materiales es múltiplo de 20 o 50 mm, dependiendo en el paso con el que se fabrican en las fábricas. A la hora de realizar cálculos es conveniente utilizar resistencias debido a que la distribución de temperatura sobre las resistencias será lineal, por lo que conviene realizar los cálculos de forma gráfica. En este caso, el ángulo de inclinación de la isoterma hacia el horizonte en cada capa es el mismo y depende únicamente de la relación entre la diferencia en las temperaturas de diseño y la resistencia a la transferencia de calor de la estructura. Y la tangente del ángulo de inclinación no es más que la densidad del flujo de calor que pasa por esta valla: .
En condiciones estacionarias, la densidad del flujo de calor es constante en el tiempo y, por lo tanto, donde R X- resistencia de una parte de la estructura, incluyendo la resistencia a la transferencia de calor de la superficie interior y la resistencia térmica de las capas de la estructura desde la capa interior hasta el plano en el que se busca la temperatura.
Entonces. Por ejemplo, la temperatura entre la segunda y tercera capa de la estructura se puede encontrar de la siguiente manera: .
La resistencia dada a la transferencia de calor de estructuras de cerramiento heterogéneas o sus secciones (fragmentos) debe determinarse a partir del libro de referencia; la resistencia dada de estructuras de cerramiento planas con inclusiones conductoras de calor también debe determinarse a partir del libro de referencia.
2. ¿De qué depende la resistencia térmica de la capa de aire y por qué?
Además de la transferencia de calor por conductividad térmica y convección en el entrehierro, también existe radiación directa entre las superficies que limitan el entrehierro.
Ecuación de transferencia de calor por radiación: , donde b yo - coeficiente de transferencia de calor por radiación, que depende en gran medida de los materiales de las superficies entre capas (cuanto menores sean los coeficientes de emisividad de los materiales, más pequeños y b l) y la temperatura media del aire en la capa (a medida que aumenta la temperatura, aumenta el coeficiente de transferencia de calor por radiación).
Así, donde yo eq - coeficiente de conductividad térmica equivalente de la capa de aire. Conocimiento yo eq, se puede determinar la resistencia térmica de la capa de aire. Sin embargo, la resistencia R El VP también se puede determinar a partir de un libro de referencia. Dependen del espesor de la capa de aire, de la temperatura del aire en ella (positiva o negativa) y del tipo de capa (vertical u horizontal). La cantidad de calor transferida por conductividad térmica, convección y radiación a través de capas de aire verticales se puede juzgar en la siguiente tabla.
|
Espesor de capa, mm |
Densidad de flujo de calor, W/m2 |
Cantidad de calor transferido en % |
Coeficiente de conductividad térmica equivalente, m o C/W |
Resistencia térmica de la capa intermedia, W/m 2o C |
|||
|
conductividad térmica |
convección |
radiación |
|||||
|
Nota: los valores dados en la tabla corresponden a la temperatura del aire en la capa igual a 0 o C, la diferencia de temperatura en sus superficies es de 5 o C y la emisividad de las superficies es C = 4,4. |
Así, a la hora de diseñar vallas exteriores con espacios de aire, se debe tener en cuenta lo siguiente:
1) aumentar el espesor de la capa de aire tiene poco efecto en la reducción de la cantidad de calor que la atraviesa, y las capas de espesor pequeño (3-5 cm) son efectivas desde el punto de vista de la ingeniería térmica;
2) es más racional hacer varias capas de espesor fino en la cerca que una capa de espesor grande;
3) es recomendable rellenar capas gruesas con materiales de baja conductividad térmica para aumentar la resistencia térmica de la valla;
4) la capa de aire debe estar cerrada y no comunicarse con el aire exterior, es decir, las capas verticales deben bloquearse con diafragmas horizontales al nivel de los techos entre pisos (el bloqueo más frecuente de las capas en altura no tiene importancia práctica). Si es necesario instalar capas ventiladas por aire exterior, están sujetas a cálculos especiales;
5) debido al hecho de que la mayor parte del calor que pasa a través de la capa de aire se transfiere por radiación, es aconsejable colocar las capas más cerca de afuera vallas, lo que aumenta su resistencia térmica;
6) además, se recomienda cubrir la superficie más cálida de la capa intermedia con un material de baja emisividad (por ejemplo, papel de aluminio), lo que reduce significativamente el flujo radiante. Recubrir ambas superficies con dicho material prácticamente no reduce la transferencia de calor.
3. Razones que provocan que se produzca una diferencia de presión a un lado y al otro de la valla
En invierno, el aire de las habitaciones con calefacción tiene una temperatura más alta que el aire exterior y, por tanto, el aire exterior tiene un peso volumétrico (densidad) mayor que el aire interior. esta diferencia escalas volumétricas aire y crea una diferencia en su presión en ambos lados de la cerca (presión térmica). El aire entra a la habitación por la parte inferior de sus paredes exteriores y sale por la parte superior. En caso de hermeticidad de las vallas superior e inferior y con las aberturas cerradas, la diferencia de presión del aire alcanza valores máximos cerca del piso y debajo del techo, y en la mitad de la altura de la habitación es cero (zona neutral).
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ENTREHIERRO, uno de los tipos de capas aislantes que reducen la conductividad térmica del medio. Recientemente, la importancia del espacio de aire ha aumentado especialmente debido a su uso en la construcción. materiales huecos. En un medio separado por un espacio de aire, el calor se transfiere: 1) por radiación de superficies adyacentes al espacio de aire y por transferencia de calor entre la superficie y el aire y 2) por transferencia de calor por el aire, si es móvil, o por transferencia de calor de unas partículas de aire a otras debido a la conductividad térmica, si está inmóvil, y los experimentos de Nusselt demuestran que las capas más delgadas, en las que el aire puede considerarse casi inmóvil, tienen un coeficiente de conductividad térmica k más bajo que las capas más gruesas, pero con corrientes de convección que surgen en ellos. Nusselt da la siguiente expresión para determinar la cantidad de calor transferido por hora por la capa de aire:
donde F es una de las superficies que limitan el entrehierro; λ 0 - coeficiente condicional, cuyos valores numéricos, dependiendo del ancho del entrehierro (e), expresados en m, se dan en la placa adjunta:
s 1 y s 2 son los coeficientes de emisividad de ambas superficies del entrehierro; s es el coeficiente de emisividad de un cuerpo completamente negro, igual a 4,61; θ 1 y θ 2 son las temperaturas de las superficies que limitan el entrehierro. Sustituyendo los valores correspondientes en la fórmula, se pueden obtener los valores de k (coeficiente de conductividad térmica) y 1/k (capacidad de aislamiento) de capas de aire de distintos espesores necesarios para los cálculos. S. L. Prokhorov compiló diagramas basados en datos de Nusselt (ver Fig.) que muestran el cambio en los valores de k y 1/k de las capas de aire dependiendo de su espesor, siendo el área más ventajosa el área de 15 a 45 mm.
Las capas de aire más pequeñas son prácticamente difíciles de implementar, pero las más grandes ya proporcionan un coeficiente de conductividad térmica significativo (aproximadamente 0,07). La siguiente tabla proporciona los valores de k y 1/k para varios materiales, y para el aire se dan varios valores de estas cantidades dependiendo del espesor de la capa.
Eso. Se puede observar que a menudo es más rentable fabricar varias capas de aire más delgadas que utilizar una u otra capa aislante. Una capa de aire con un espesor de hasta 15 mm puede considerarse un aislante con una capa de aire estacionaria, con un espesor de 15-45 mm, con una capa casi estacionaria y, finalmente, capas de aire con un espesor de más de 45 mm. -50 mm deben considerarse capas con corrientes de convección que surgen en ellas y, por tanto, sujetas a cálculo con carácter general.
Transferencia de calor y humedad a través de vallas exteriores.
Conceptos básicos de la transferencia de calor en un edificio
El calor siempre pasa de un ambiente más cálido a uno más frío. El proceso de transferir calor de un punto del espacio a otro debido a una diferencia de temperatura se llama transferencia de calor y es colectivo, ya que incluye tres tipos elementales de transferencia de calor: conductividad térmica (conducción), convección y radiación.. De este modo, potencial la transferencia de calor es diferencia de temperatura.
Conductividad térmica
Conductividad térmica- un tipo de transferencia de calor entre partículas estacionarias de una sustancia sólida, líquida o gaseosa. Así, la conductividad térmica es el intercambio de calor entre partículas o elementos estructurales del entorno material que están en contacto directo entre sí. Al estudiar la conductividad térmica, una sustancia se considera una masa sólida y se ignora su estructura molecular. En su forma pura, la conductividad térmica se produce solo en sólidos, ya que en medios líquidos y gaseosos es casi imposible garantizar la inmovilidad de una sustancia.
La mayoría de los materiales de construcción son cuerpos porosos. Los poros contienen aire que tiene la capacidad de moverse, es decir, transferir calor por convección. Se cree que el componente convectivo de la conductividad térmica de los materiales de construcción puede despreciarse debido a su pequeñez. Dentro del poro, se produce un intercambio de calor radiante entre las superficies de sus paredes. La transferencia de calor por radiación en los poros de los materiales está determinada principalmente por el tamaño de los poros, porque cuanto más grande es el poro, mayor es la diferencia de temperatura entre sus paredes. Al considerar la conductividad térmica, las características de este proceso están relacionadas con la masa total de la sustancia: el esqueleto y los poros juntos.
La envolvente del edificio suele ser paredes planas paralelas, en el que la transferencia de calor se produce en una dirección. Además, normalmente cuando cálculos termotécnicos estructuras de cerramiento externas, se supone que la transferencia de calor ocurre cuando condiciones térmicas estacionarias, es decir, con tiempo constante de todas las características del proceso: flujo de calor, temperatura en cada punto, características termofísicas de los materiales de construcción. Por lo tanto es importante considerar Proceso de conductividad térmica estacionaria unidimensional en un material homogéneo., que se describe mediante la ecuación de Fourier:
Dónde qT - densidad del flujo de calor superficial pasando por un plano perpendicular a flujo de calor, W/m2;
λ - conductividad térmica del material, W/m. oC;
t- cambio de temperatura a lo largo del eje x, °C;
La relación se llama gradiente de temperatura, aproximadamente S/m, y se designa graduado. El gradiente de temperatura está dirigido a un aumento de temperatura, lo que se asocia con la absorción de calor y una disminución del flujo de calor. El signo menos en el lado derecho de la ecuación (2.1) muestra que el aumento del flujo de calor no coincide con un aumento de la temperatura.
La conductividad térmica λ es una de las principales características térmicas de un material. Como se desprende de la ecuación (2.1), la conductividad térmica de un material es una medida de la conductividad del calor por un material, numéricamente igual al flujo de calor que pasa a través de 1 m 2 de área perpendicular a la dirección del flujo, con un gradiente de temperatura. a lo largo del flujo igual a 1 o C/m (Fig. 1). Cómo mas valorλ, cuanto más intenso es el proceso de conductividad térmica en dicho material, mayor es el flujo de calor. Por lo tanto, generalmente se considera que los materiales de aislamiento térmico son materiales con una conductividad térmica inferior a 0,3 W/m. sobre s.
isotermas; - ------ - líneas de flujo de calor.
Cambios en la conductividad térmica de los materiales de construcción con cambios en su densidad ocurre debido al hecho de que casi cualquier Material de construcción comprende esqueleto- el material de construcción principal y el aire. K.F. Fokin da como ejemplo los siguientes datos: la conductividad térmica de una sustancia absolutamente densa (sin poros), dependiendo de su naturaleza, tiene una conductividad térmica de 0,1 W/m o C (para plástico) a 14 W/m o C (para cristalino). sustancias con calor fluyen a lo largo de la superficie cristalina), mientras que el aire tiene una conductividad térmica de aproximadamente 0,026 W/m o C. Cuanto mayor es la densidad del material (menos porosidad), mayor es el valor de su conductividad térmica. Está claro que los materiales aislantes térmicos ligeros tienen una densidad relativamente baja.
Las diferencias en la porosidad y la conductividad térmica del esqueleto provocan diferencias en la conductividad térmica de los materiales, incluso con la misma densidad. Por ejemplo, los siguientes materiales (Tabla 1) a la misma densidad, ρ 0 =1800 kg/m 3, tienen diferentes valores de conductividad térmica:
Tabla 1.
La conductividad térmica de materiales con la misma densidad es de 1800 kg/m 3.
A medida que disminuye la densidad del material, su conductividad térmica l disminuye, ya que la influencia del componente conductor de la conductividad térmica del esqueleto del material disminuye, pero, sin embargo, aumenta la influencia del componente de radiación. Por tanto, una disminución de la densidad por debajo de un determinado valor conduce a un aumento de la conductividad térmica. Es decir, existe un determinado valor de densidad en el que la conductividad térmica tiene un valor mínimo. Se estima que a 20 o C en poros con un diámetro de 1 mm, la conductividad térmica por radiación es de 0,0007 W/ (m°C), con un diámetro de 2 mm - 0,0014 W/ (m°C), etc. Por lo tanto, la conductividad térmica por radiación se vuelve significativa en materiales de aislamiento térmico con baja densidad y tamaños de poro grandes.
La conductividad térmica de un material aumenta al aumentar la temperatura a la que se produce la transferencia de calor. El aumento de la conductividad térmica de los materiales se explica por un aumento de la energía cinética de las moléculas esqueléticas de la sustancia. También aumenta la conductividad térmica del aire en los poros del material y la intensidad de la transferencia de calor hacia ellos por radiación. En la práctica de la construcción, la dependencia de la conductividad térmica de la temperatura. de gran importancia No es necesario recalcular los valores de conductividad térmica de los materiales obtenidos a temperaturas de hasta 100 o C a sus valores a 0 o C, utilizando la fórmula empírica O.E. Vlasova:
λ o = λ t / (1+β . t), (2.2)
donde λ o es la conductividad térmica del material a 0 o C;
λ t - conductividad térmica del material en t o C;
β - coeficiente de cambio de temperatura en la conductividad térmica, 1/o C, para diversos materiales, igual a aproximadamente 0,0025 1/o C;
t es la temperatura del material a la que su coeficiente de conductividad térmica es igual a λ t.
Para una pared plana homogénea con espesor δ (Fig. 2), el flujo de calor transferido por conductividad térmica a través de una pared homogénea se puede expresar mediante la ecuación:
Dónde τ 1 , τ 2- valores de temperatura en las superficies de las paredes, o C.
De la expresión (2.3) se deduce que la distribución de temperatura sobre el espesor de la pared es lineal. La cantidad δ/λ se llama resistencia térmica de la capa de material y marcado RT, m 2. o C/W:
Figura 2. Distribución de temperatura en una pared plana homogénea.
Por tanto, el flujo de calor qt, W/m 2, a través de una pared plana-paralela uniforme de espesor δ , m, de un material con conductividad térmica λ, W/m. o C, se puede escribir en la forma
La resistencia térmica de una capa es la resistencia a la conductividad térmica, igual a la diferencia de temperatura en superficies opuestas de la capa cuando un flujo de calor con una densidad superficial de 1 W/m 2 la atraviesa.
La transferencia de calor por conductividad térmica se produce en las capas de material de la envolvente del edificio.
Convección
Convección- transferencia de calor mediante el movimiento de partículas de materia. La convección ocurre solo en sustancias líquidas y gaseosas, así como entre un medio líquido o gaseoso y la superficie de un sólido. En este caso, la transferencia de calor se produce por conductividad térmica. El efecto combinado de la convección y la conducción de calor en la región límite cerca de la superficie se denomina transferencia de calor por convección.
La convección tiene lugar en las superficies exterior e interior de los cerramientos de los edificios. La convección juega un papel importante en el intercambio de calor de las superficies internas de una habitación. A diferentes temperaturas de la superficie y del aire adyacente, se produce una transición de calor hacia una temperatura más baja. El flujo de calor transmitido por convección depende del modo de movimiento del líquido o gas que lava la superficie, de la temperatura, densidad y viscosidad del medio en movimiento, de la rugosidad de la superficie, de la diferencia entre las temperaturas de la superficie y el medio circundante.
El proceso de intercambio de calor entre la superficie y el gas (o líquido) se produce de forma diferente según la naturaleza del movimiento del gas. Distinguir Convección natural y forzada. En el primer caso, el movimiento del gas se produce debido a la diferencia de temperatura entre la superficie y el gas, en el segundo, debido a fuerzas externas a este proceso (el funcionamiento de los ventiladores, el viento).
La convección forzada en el caso general puede ir acompañada del proceso de convección natural, pero dado que la intensidad de la convección forzada excede notablemente la intensidad de la convección natural, cuando se considera la convección forzada, a menudo se descuida la convección natural.
En el futuro, sólo se considerarán los procesos estacionarios de transferencia de calor por convección, que suponen velocidad y temperatura constantes en el tiempo en cualquier punto del aire. Pero como la temperatura de los elementos de la habitación cambia con bastante lentitud, las dependencias obtenidas para condiciones estacionarias se pueden extender al proceso. condiciones térmicas no estacionarias de la habitación, en el que en cada momento considerado el proceso de intercambio de calor por convección en las superficies internas de las vallas se considera estacionario. Las dependencias obtenidas para condiciones estacionarias también se pueden extender al caso de un cambio repentino en la naturaleza de la convección de natural a forzada, por ejemplo, cuando se enciende un dispositivo de calefacción de recirculación de habitaciones (fancoil o sistema dividido en modo bomba de calor). en la habitación. En primer lugar, el nuevo modo de movimiento del aire se establece rápidamente y, en segundo lugar, la precisión requerida en la evaluación de ingeniería del proceso de transferencia de calor es menor que las posibles imprecisiones derivadas de la falta de corrección del flujo de calor durante el estado de transición.
Para la práctica de ingeniería de cálculos para calefacción y ventilación, el intercambio de calor por convección entre la superficie de la estructura o tubería envolvente y el aire (o líquido) es importante. En cálculos prácticos, las ecuaciones de Newton se utilizan para estimar el flujo de calor convectivo (Fig. 3):
, (2.6)
Dónde q a- flujo de calor, W, transferido por convección desde un medio en movimiento a la superficie o viceversa;
t un- temperatura del aire que lava la superficie de la pared, o C;
τ - temperatura de la superficie de la pared, o C;
α a- coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie de la pared, W/m 2. o C.
Fig.3 Intercambio de calor convectivo entre la pared y el aire.
Coeficiente de transferencia de calor por convección, un a- una cantidad física numéricamente igual a la cantidad de calor transferido del aire a la superficie de un cuerpo sólido mediante intercambio de calor convectivo con una diferencia entre la temperatura del aire y la temperatura de la superficie corporal igual a 1 o C.
Con este enfoque, toda la complejidad del proceso físico de transferencia de calor por convección está contenida en el coeficiente de transferencia de calor, un a. Naturalmente, el valor de este coeficiente es función de muchos argumentos. Para uso práctico Se aceptan valores muy aproximados. un a.
La ecuación (2.5) se puede reescribir convenientemente como:
Dónde R a - resistencia a la transferencia de calor por convección en la superficie de la estructura de cerramiento, m 2. o C/W, igual a la diferencia de temperatura en la superficie de la cerca y la temperatura del aire durante el paso de un flujo de calor con una densidad superficial de 1 W/m 2 desde la superficie al aire o viceversa. Resistencia R a es el recíproco del coeficiente de transferencia de calor por convección un a:
Radiación
La radiación (transferencia de calor radiante) es la transferencia de calor de una superficie a otra a través de un medio transparente a la radiación mediante ondas electromagnéticas que se transforman en calor (Fig. 4).
Fig.4. Intercambio de calor radiante entre dos superficies.
Cualquier cuerpo físico que tenga una temperatura diferente a la cero absoluto, irradia energía al espacio circundante en forma de ondas electromagnéticas. Propiedades radiación electromagnética caracterizado por la longitud de onda. La radiación que se percibe como térmica y tiene longitudes de onda en el rango de 0,76 a 50 micrones se llama infrarroja.
Por ejemplo, el intercambio de calor radiante se produce entre las superficies que dan a una habitación, entre las superficies exteriores de varios edificios y entre las superficies de la tierra y el cielo. Intercambio de calor radiante entre superficies internas cercado y superficie de la habitación dispositivo de calentamiento. En todos estos casos, el medio radiante que transmite las ondas de calor es el aire.
En la práctica de calcular el flujo de calor durante la transferencia de calor radiante, se utiliza una fórmula simplificada. La intensidad de la transferencia de calor por radiación q l, W/m 2, está determinada por la diferencia de temperatura de las superficies que participan en la transferencia de calor radiante:
, (2.9)
donde τ 1 y τ 2 son los valores de temperatura de las superficies que intercambian calor radiante, o C;
α l - coeficiente de transferencia de calor radiante en la superficie de la pared, W/m 2. o C.
Coeficiente de transferencia de calor por radiación, un l- una cantidad física numéricamente igual a la cantidad de calor transferido de una superficie a otra por radiación cuando la diferencia entre las temperaturas de las superficies es de 1 o C.
Introduzcamos el concepto. resistencia a la transferencia de calor radianteR l en la superficie de la estructura de cerramiento, m 2. o C/W, igual a la diferencia de temperatura en las superficies de las cercas que intercambian calor radiante cuando un flujo de calor con una densidad superficial de 1 W/m 2 pasa de una superficie a otra.
Entonces la ecuación (2.8) se puede reescribir como:
Resistencia rl es el recíproco del coeficiente de transferencia de calor radiativo un l:
Resistencia térmica de la capa de aire.
Para aportar uniformidad, resistencia a la transferencia de calor. espacios de aire cerrados ubicados entre las capas de la estructura envolvente se llaman resistencia termica R en. p, m 2. o C/W.
El diagrama de transferencia de calor a través del entrehierro se muestra en la Fig. 5.
Fig.5. Intercambio de calor en el espacio de aire.
Flujo de calor que pasa a través del espacio de aire. q en. PAG, W/m2, está formado por caudales transmitidos por conductividad térmica (2) q t, W/m 2 , convección (1) q a, W/m 2 , y radiación (3) q l, W/m 2 .
q en. n =q t +q k +q l . (2.12)
En este caso, la proporción del flujo transmitido por radiación es la mayor. Consideremos una capa de aire vertical cerrada, en cuyas superficies la diferencia de temperatura es de 5 o C. Con un aumento en el espesor de la capa de 10 mm a 200 mm, la proporción del flujo de calor debido a la radiación aumenta del 60% al 80%. En este caso, la proporción de calor transferido por conductividad térmica cae del 38% al 2% y la proporción del flujo de calor convectivo aumenta del 2% al 20%.
El cálculo directo de estos componentes es bastante engorroso. Por lo tanto, los documentos reglamentarios proporcionan datos sobre la resistencia térmica de las capas de aire cerradas, que fueron compilados por K.F. en los años 50 del siglo XX. Fokin basado en los resultados de los experimentos de M.A. Mijeeva. Si hay papel de aluminio que refleja el calor en una o ambas superficies del entrehierro, lo que impide la transferencia de calor radiante entre las superficies que enmarcan el entrehierro, la resistencia térmica debe duplicarse. Para aumentar la resistencia térmica de las capas de aire cerradas, se recomienda tener en cuenta las siguientes conclusiones de la investigación:
1) las capas de pequeño espesor son eficaces desde el punto de vista de la ingeniería térmica;
2) es más racional hacer varias capas delgadas en la cerca que una grande;
3) es aconsejable colocar los espacios de aire más cerca de la superficie exterior de la valla, ya que esto reduce el flujo de calor por radiación en invierno;
4) las capas verticales en las paredes exteriores deben dividirse con diafragmas horizontales al nivel de los techos entre pisos;
5) para reducir el flujo de calor transmitido por radiación, una de las superficies de la capa intermedia se puede cubrir con una lámina de aluminio que tenga una emisividad de aproximadamente ε = 0,05. Cubrir ambas superficies del espacio de aire con papel de aluminio prácticamente no reduce la transferencia de calor en comparación con cubrir una superficie.
Preguntas para el autocontrol
1. ¿Cuál es el potencial de transferencia de calor?
2. Enumere los tipos elementales de transferencia de calor.
3. ¿Qué es la transferencia de calor?
4. ¿Qué es la conductividad térmica?
5. ¿Cuál es la conductividad térmica de un material?
6. Escriba la fórmula para el flujo de calor transmitido por la conductividad térmica en una pared multicapa a temperaturas conocidas de las superficies interna t in y externa t n.
7. ¿Qué es la resistencia térmica?
8. ¿Qué es la convección?
9. Escribe la fórmula para el flujo de calor transferido por convección desde el aire a la superficie.
10. Significado físico del coeficiente de transferencia de calor por convección.
11. ¿Qué es la radiación?
12. Escribe la fórmula para el flujo de calor transferido por radiación de una superficie a otra.
13. Significado físico del coeficiente de transferencia de calor radiativo.
14. ¿Cómo se llama la resistencia a la transferencia de calor de un espacio de aire cerrado en la envolvente de un edificio?
15. ¿En qué tipo de flujo de calor consiste el flujo de calor total a través de la capa de aire?
16. ¿Qué naturaleza del flujo de calor prevalece en el flujo de calor a través de la capa de aire?
17. ¿Cómo afecta el espesor del entrehierro a la distribución de los flujos en el mismo?
18. ¿Cómo reducir el flujo de calor a través del espacio de aire?