ТЕХНОЛОГИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

Основные представления о теплопередаче

Теплопередачей называют теплообмен между двумя теплоноси­телями через разделяющую их твердую стенку или через поверх­ность раздела между ними.

Количество теплоты, переданное через изотермическую поверх­ность в единицу времени, называют тепловым потоком и измеряют в Вт (Дж/с). Интенсивность теплового потока прямо пропорцио­нальна разности температур на нагретой и холодной поверхностях,
т. е. температурному градиенту, который является вектором и имеет положительный знак при возрастании температуры.

Температурный градиент есть не что иное, как предел отноше­ния изменения температуры At к расстоянию между изотермами по нормали An при условии, что Дп-^0, т. е.

(1.1)

Это выражение справедливо для стационарного теплового режима.

Тепловой поток, отнесенный к единице поверхности тела, через которое осуществляется процесс теплопередачи, называют поверх­ностной плотностью теплового потока g=Q/F, Вт/м2. Величина g — вектор, направление которого противоположно направлению температурного градиента, так как тепловая энергия самостоятель­но распространяется только в сторону убывания температуры.

Любой материал, из которого выполнена стенка, разделяющая теплую и холодную среды, оказывает большее или меньшее сопро­тивление тепловому потоку. Величина этого сопротивления зависит от способности вещества (материала) проводить теплоту, т. е. от его теплопроводности, которая для каждого вещества имеет свое определенное значение и зависит от многил причин - агрегатного состояния вещества, его структуры, плотности, влажности, давле­ния и температуры.

Основной закон теплопроводности сформулирован Фурье: плот­ность теплового потока пропорциональна градиенту температуры:

Q=F grad t,

Где X — множитель пропорциональности, характеризующий способ­ность вещества (материала) проводить теплоту, т. е. его теплопро­водность.

Из уравнения (1.2), которое является математическим выраже­нием основного закона распространения теплоты путем теплопро­водности (закон Фурье), следует, что теплопроводность Я., Вт/(м-К) или Вг/(м-3С), определяет интенсивность теплового потока, прохо­дящего через 1 м2 поверхности при температурном градиенте 1 К/м (1°С/м), т. е. при разности температур на горячей и холод­ной сторонах материала толщиной 1 м в 1 К или 1 °С.

Перенос теплоты теплопроводностью характерен для веществ (материалов), находящихся в любом агрегатном состоянии. Он имеет место в сплошной среде, т. е. при непосредственном сопри­косновении тел или частиц одного тела, имеющих различную тем­пературу. В общем же виде теплоперенос представляет собой сложный теплофизический процесс, в котором можно выделить кроме теплопроводности еще два элементарных вида переноса теп­лоты: конвекцию и тепловое излучение.

Конвекцией называют перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками псщсстпа. Этот нпд теплообмена свой­ствен движущимся жидкостям и газам. При этом различают два
вида конвекции: естественную, при которой происходит самопроиз­вольное перемешивание частей жидкости или газа с различной тем­пературой, и вынужденную, когда движение частиц вызывается внешними воздействиями (принудительным перемешиванием, про - лувкой и т. п.).

Интенсивность конвективного теплообмена (теплопереноса) ха­рактеризуется коэффициентом теплопередачи а, определяемым по формуле Ньютона:

Q = aFM, (1.3)

Где F — поверхность теплообмена.

Значения а и, следовательно, интенсивность теплообмена зави­сят от множества параметров этого процесса: формы, размеров и температуры конструкций, скорости движения, температуры и фи­зических свойств (вязкости, теплоемкости, плотности и т. д.) газов или жидкостей и ряда других факторов.

Однако при прочих равных условиях а зависит главным обра­зом от условий движения среды. Поэтому значение конвективного теплообмена в ограждающих строительных конструкциях и тепло­изоляционных материалах определяется размером воздушных по­лостей и пор, а также степенью связанности этих полостей и пор между собой.

Чем больше размер воздушных полостей в конструкции или пор в теплоизоляционном материале, чем больше сечение воздушных ходов, соединяющих эти полости или поры, тем выше а и, следова­тельно, доля конвективного переноса теплоты в общем объеме теп­лопередачи в данной ограждающей конструкции или данном тепло­изоляционном материале, тем выше общий баланс переноса теплоты

Тепловым излучением называют перенос теплоты в виде элект­ромагнитных волн с двойным взаимным превращением: тепловой энергии в лучистую на поверхности тела, излучающего теплоту, и лучистой энергии в тепловую на поверхности тела, поглощающе­го лучистую теплоту. Этот вид теплопередачи возможен лишь в га­зообразной среде или в вакууме.

Долю теплообмена лучеиспусканием определяют по формуле

Q = znC0F [(7У100)4-(7У 100)4, (1.4)

Где е„ — приведенная степень черноты тел, между которыми проис­ходит лучистый теплообмен; С0 — коэффициент излучения черного тела, равный 5,7 Вт/(м2-С4); Ті и Т2 — температуры поверхностей, между которыми происходит теплообмен.

В данной формуле наиболее значимой величиной являются тем­пературы, которые находятся в четвертой степени. Следовательно, лучистый теплообмен решающим образом зависит от температуры материала или, вернее, от разности температур между излучающей теплоту поверхности и поверхности, поглощающей теплоту.

Если рассмотреть элементарную пору в каком-то теплоизоля­ционном материале, заполненную воздухом или газом, то, опираясь на закономерность, выраженную формулой (1.4), можно сделать следующее заключение. Чем больше диаметр поры, тем больше разница температуры между более и менее нагретыми ее поверх­ностями, тем, следовательно, более интенсивен теплообмен излу­чением.

С другой стороны, анализ формулы позволяет сделать заключе­ние о том, что при повышении степени нагретости тела (при повы­шении температуры эксплуатации материала) передача теплоты излучением возрастает. Практика показывает, что этот вид тепло­передачи имеет существенное, а иногда и превалирующее значение только при изоляции промышленного оборудования, т. е. при вы­соких температурах.

Следует заметить, что элементарные виды теплообмена не обо­соблены н в чистом виде в та ачач строительной теплофизики пе встречаются. Как правило, в строительных коинрукциях одновре­менно имеют место все виды теплообмена, поэтому количественная оценка вклада каждого из них в общую теплопередачу затруднена.

Например, в строительных ограждающих конструкциях тепло­передача происходит путем теплопроводности и конвективного переноса теплоты. В многослойных конструкциях высокотемпера­турного технологического оборудования и агрегатов теплоэнерге­тики теплопередача имеет еще более сложный характер, в ней уча­ствуют все три вида теплообмена.

Таким образом, превалирующее влияние того или иного вида теплопередачи зависит от материалов, из которых изготовлена ограждающая конструкция, величины и характера их пористости, конструктивного решения ограждения, среды, в которой эксплуати­руется ограждение, и температуры эксплуатации.

Поскольку известны условия, благоприятствующие тому или иному виду теплопередачи, технолог и конструктор могут решать задачи в каждом конкретном случае по снижению интенсивности теплообмена путем выработки целенаправленных требований к теп­лоизоляционным материалам и конструкциям в целом.