Расчет тепловых потоков на отопление

Отопление предназначено для поддержания температуры внутри отапливаемых помещений на уровне, соответствующем комфортным условиям. Комфортные условия определяются не только температурой, но и относительной влажностью, скоростью движения воздуха и зависят от целевого назначения здания.

Для жилых зданий расчетная температура внутри отапливаемых помещений принимается при наружной температуре воздуха для проектирования отопления.

Для поддержания температуры воздуха внутри отапливаемых помещений на расчетном уровне необходимо обеспечить равновесие между тепловыми потерями и притоком теплоты, складывающимся из притока через отопительную систему и теплоты от внутренних источников. Для жилых и общественных зданий последние относительно малы и приминаются равными нулю.

Максимальный тепловой поток в здание через отопительную систему для жилых и общественных зданий, не имеющих внутренних источников теплоты, определяется по формуле:

, Вт (2.1.1)

где – удельная отопительная характеристика, Вт/(м³*°С), определяется из Приложения Б [2];

– объем здания по наружному обмеру, м³ , определяется из Таблицы 2.1.1;

– расчетная температура воздуха в помещении для жилых и общественных зданий, определяется из Приложения Б [2];

– расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, согласно [1] для г.Нижнего Новгорода;

– поправочный коэффициент, учитывающий отличие температуры наружного воздуха от , принимаем α = 1 [2].

Результаты расчетов сведены в Таблицу 2.1.2.

Таблица 2.1.2 – Расчет теплопотребления на отопление

№№ зданий по плану	Наименование зданий	Количество зданий	Наружный объем зданий, Vн, м 3	Расчетная температура воздуха в здании, tв, 0С	Удельная отопительная характеристика здания, q0, Вт/(м3·0С)	Тепловой поток на отопление, Qо max, Вт
						для одного здания	для N зданий
1	школа на 900 учащихся	1	25 920	16	0,39	475 114	475 114
4	детский сад	1	4 608	20	0,44	103 404	103 404
11, 12	магазин	2	1 728	15	0,36	28 616	57 231
2, 3, 5	семиэтажный восьмиподъездный жилой дом	3	30 240	20	0,3	462 672	1 388 016
6, 7, 8	пятиэтажный шестиподъездный жилой дом	3	16 200	20	0,38	313 956	941 868
9, 10	пятиэтажный четырехподъездный жилой дом	2	11 880	20	0,42	254 470	508 939
ΣQо max, МВт								3,47

2. Расчет тепловых потоков на вентиляцию

Вентиляция предназначена для поддержания внутри помещений определенного состава воздуха, который регламентируется санитарными нормами. В процессе принудительной вентиляции из вентилируемого объема удаляется воздух с температурой, равной внутренней температуре помещения, а вместо него поступает воздух, забираемый снаружи и подогреваемый затем в калориферах вентиляции до такой же температуры.

Тепловой поток на вентиляцию определяется по расчетной температуре наружного воздуха на вентиляцию, значение которой обычно выше расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления, и определяется как средняя температура наиболее холодного периода, составляющего 15% от продолжительности отопительного сезона, обычно месяц.

Максимальный тепловой поток на вентиляцию общественных зданий определяется по формуле:

(2.2.1)

где – удельная вентиляционная характеристика, Вт/(м³·°С), определяется из Приложения Б [2];

– объем здания по наружному обмеру, м³ , определяется из Таблицы 2. 1.1;

– расчетная температура воздуха в помещении для жилых и общественных зданий, определяется из Приложения Б [2];

– расчетная температура наружного воздуха для проектирования вентиляции, согласно [1] для г.Нижнего Новгорода.

Результаты расчетов сведены в Таблицу 2.2.3.

Таблица 2.2.3 – Расчет теплопотребления на вентиляцию

№№ зданий по плану	Наименование зданий		Количество зданий		Наружный объем зданий, Vн, м3		Расчетная температура воздуха в здании, tв, 0С		Удельная вентиляционная тепловая характеристика здания, qv, Вт/(м3·0С)		Тепловой максимальный поток на вентиляцию, Qv max, Вт
											для одного здания	для N зданий
1		школа на 900 учащихся		1		25920		16		0,08		68429	68429
4		детский сад		1		4608		20		0,13		22164	22164
11, 12		магазин		2		1728		15		0,32		17695	35389
ΣQv max, МВт														0,13

Регулирование подачи тепла потребителю

Версия для печати

А.

РАСЧЕТ ГРАФИКОВ ПОДАЧИ ТЕПЛОТЫ В СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ

Для промышленных и общественных зданий, при расчете теплопотерь, которых не учитываются бытовые тепловыделения, изменение подачи теплоты на отопление определяется по формуле (рис. 1, линия 1)

                                                       (1)

где  `Q₀— относительный тепловой поток на отопление;

Q₀ — тепловой поток на отопление при текущей температуре наружного воздуха t_н, Вт;

Q_0max — расчетный тепловой поток на отопление при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления t₀, Вт;

t_i — расчетная температура внутреннего воздуха в отапливаемых зданиях.

Рис. 1. Графики относительного изменения теплового потока на отопление, в зависимости от наружной температуры t₀ для разного типа потребителей и способов авторегулирования

1 — для промышленных и общественных зданий; 2 — для жилых зданий при регулировании без коррекции по отклонению внутренней температуры от заданной; 3 — для жилых зданий при регулировании с коррекцией по ti.

Для жилых зданий при расчете изменения теплового потока на отопление в соответствии со СНиП 2.04.05-91* учитываются бытовые тепловыделения в квартирах, которые в отличие от теплопотерь через ограждения не зависят от величины t_н. Поэтому с ее повышением доля бытовых тепловыделений в тепловом балансе жилого здания возрастает, за счет чего можно сократить подачу теплоты на отопление по сравнению с определением его по формуле (1). Тогда относительный тепловой поток на отопление жилых зданий, ориентируясь на квартиры с угловыми комнатами верхнего этажа, где доля бытовых тепловыделений от теплопотерь самая низкая, определяется по формуле

                                 (2)

где t_i^опт —оптимальная температура воздуха в отапливаемых помещениях, принимаемая с учетом принятого способа регулирования;

0,14 — доля бытовых тепловыделений в квартирах с угловой комнатой от теплопотерь для условий t₀ = —25 °С.

При регулировании систем отопления поддержанием графика подачи теплоты в зависимости от t_н без коррекции по температуре внутреннего воздуха, когда скорость ветра при расчете теппопотерь принимается равной расчетной, что соответствует примерно постоянному объему инфильтрующегося наружного воздуха в течение всего отопительного периода, t_i^опт принимается равной 20,5°С при t_н, соответствующей параметрам А. постепенно снижаясь до 19°С с понижением t_н до  t_н = t0,    (рис. 1, линия 2).

При регулировании систем отопления с автоматической коррекцией графика подачи теплоты при отклонении внутренней температуры от заданной, когда скорость ветра при расчете теплопотерь принимается равной нулю, что соответствует сокращению объемов инфильтрующегося наружного воздуха, но не менее санитарной нормы притока, t_i^опт принимается равной 21,5°С. График изменения относительного теплового потока на отопление будет представлять собой прямую пинию, пересекающую ось абсцисс в той же точке, что и при регулировании без коррекции по t_i, а при t_н = t₀ относительный тепловой поток будет равным 0,96   Q_0max (рис. 1, линия 3).

Б. РАСЧЕТ ГРАФИКОВ ТЕМПЕРАТУР ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ У ПОТРЕБИТЕЛЯ ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

При автоматизации систем отопления заданный график подачи теплоты обеспечивается путем поддержания регулятором соответствующего графика температур теплоносителя.

Могут применяться следующие способы поддержания графика температур теплоносителя, циркулирующего в системе отопления:

1 ) поддержание графика температур теплоносителя в подающем трубопроводе — t₀₁;

2) поддержание графика температур теплоносителя в обратном трубопроводе — t₂;

3) поддержание графика разности температур теплоносителя в обоих трубопроводах

D_t = t₀₁ -t₂.

Первый способ, наиболее распространенный за рубежом, приводит к завышению подачи теплоты в теплый период отопительного сезона примерно на 4 % годового теплопотребления на отопление вследствие необходимости спрямления криволинейного графика температур воды в подающем трубопроводе.

Второй способ рекомендуется применять при автоматизации систем, в которых возможно изменение расхода циркулирующего теплоносителя (например, при подключении системы отопления к тепловым сетям через элеватор с регулируемым сечением сопла, с корректирующим насосом, установленным на перемычке между подающим и обратным трубопроводами). Контроль температуры в обратном трубопроводе гарантирует нормальный прогрев последних по ходу воды в стояке отопительных приборов.

Третий способ наиболее эффективен, так как при нем повышается точность регулирования, из-за того, что график разности температур — линейный, в отличие от криволинейных графиков температур воды в подающем и обратном трубопроводах систем отопления. Но он может применяться только в системах отопления, в которых поддерживается постоянный расход циркулирующего теплоносителя (например, при независимом присоединении через водоподогреватель или с корректирующими насосами, установленными на подающем или обратном трубопроводах системы отопления). При известном расходе воды, циркулирующей в системе, этот способ регулирования является наиболее точным, так как еще устраняет ошибки в подаче теплоты при наличии запаса в поверхности нагрева отопительных приборов (при других способах регулирования поддержание расчетного графика приведет к перерасходу теплоты и из-за незнания фактического значения показателя степени т в формуле коэффициента теплопередачи отопительного прибора).

На рис. 2 и 3 представлены графики изменения относительной температуры воды в подающем  и обратном  трубопроводах систем отопления с постоянной циркуляцией воды (температурного критерия системы отопления)_ в зависимости от относительного теплового потока на отопление Q0, определенного по разделу А настоящего приложения, и с учетом возможных значений показателя степени m в формуле коэффициента теплопередачи отопительного прибора (здесь b далее с индексом «т» — значения температур при текущей температуре наружного воздуха).

Рис. 2. Графики изменения температурного критерия системы отопления по температуре воды в подающем трубопроводе  для различных значений показателя степени m и при постоянной циркуляции теплоносителя в системе

Рис. 3. Графики изменения температурного критерия системы отопления по температуре воды в обратном трубопроводе  при постоянной циркуляции воды в системе

Эти рисунки иллюстрируют значительное влияние на степень криволинейности графиков температур воды фактического значения коэффициента m, который зависит от типа отопительных приборов и способа прокладки стояка. Так, например, в системах отопления с замоноличенными стояками и конвекторами «Прогресс» следует принимать m = 0,15, а в системах отопления с конвекторами «Комфорт» и открыто проложенными стояками m = 0,32. В системах с чугунными радиаторами m = 0,25.

Используя эти графики, находят искомую температуру воды в подающем или обратном трубопроводе при различных температурах наружного воздуха: для требуемой tн находят по формулам (1) и (2) или из графика рис.1 относительный расход теплоты на отопление Q₀, а по нему — из графиков рис. 2 или 3 относительную температуру воды. Затем по нижеперечисленным формулам — искомую температуру воды:

                                           (3)

                                             (4)

Значения ti и tiопт принимаются теми же, что и при определении .

На рис. 4 приведены для однотрубных систем отопления требуемые графики изменения относительной температуры воды в подающем (tT01-tiопт)/(t01 -ti) обратном (t^T₂-t_i^опт)/(t₂ -t_i) трубопроводах и их разности (t^T₀₁-t^T₂)/(t₀₁ -t₂), обозначаемые далее критерием Q, и определенные исходя из обеспечения одинакового изменения теплоотдачи первых и последних по ходу воды в стояке отопительных приборов. При этом в системах отопления расход циркулирующего теплоносителя должен изменяться (количественно-качественное регулирование) в соответствии с графиками, приведенными на рис. 5. Графики построены по следующим формулам для различных m:

Рис. 4. Графики изменения относительных температур теплоносителя в однотрубных системах отопления при количественно-качественном регулировании

                                                              (5)

                                                       (6)

где G₀, G_0max расход циркулирующего теплоносителя соответственно при текущей наружной температуре и расчетной для проектирования отопления.

При регулировании подачи теплоты в системах отопления центральных тепловых пунктов (ЦТП) температурные графики определяются по тем же зависимостям, как и для систем отопления отдельных зданий, подставляя иное значение расчетной температуры. Например, для ЦТП с независимым присоединением квартальных сетей отопления t₀₁=120 °С, а для ЦТП с зависимым присоединением —t₀₁ =150 °С.

Рис. 5. Графики изменения относительного расхода воды в однотрубной системе отопления при количественно-качественном регулировании

Если вентиляционная нагрузка потребителей, подключенных к ЦТП, не превышает 15 % отопительной, более оптимальным в ЦТП остается регулирование по разности температур воды в подающем и обратном трубопроводах (при размещении корректирующих насосов на перемычке устанавливают дополнительный регулятор для стабилизации расхода воды в квартальных сетях). При этом, соблюдая принцип ограничения максимального расхода сетевой воды на вводе теплового пункта, для компенсации недогрева зданий в часы прохождения максимального водоразбора график температур, задаваемый регулятору, повышается на 3 °С против отопительного. Тогда в часы максимального водоразбора график все равно не будет выдерживаться, но за счет превышения его в остальные часы в целом за сутки здание получит норму расхода теплоты. Примерные графики регулирования подачи теплоты для условий расчетной наружной температуры минус 25 °С приведены на рис. 6.

При регулировании подачи теплоты на отопление в ЦТП, когда постоянство расхода теплоносителя не обеспечивается (отсутствует корректирующий насос или при установке корректирующего насоса на перемычке отсутствует регулятор стабилизации расхода воды) и системы отопления подсоединены к квартальным сетям через элеваторные узлы, следует поддерживать график температур воды в обратном трубопроводе. При этом значение параметра (t^T₂-t_i^опт)/(t₂ -t_i) следует определять исходя из соответствия изменения теплоотдачи в последних по ходу воды стояках отопительных приборов, т.е. на основе зависимостей, приведенных на рис. 3, и формулы (4).

Если вентиляционная нагрузка потребителей, подключенных к ЦТП, превышает 15 % отопительной (т.е. создается нестабильность изменения температуры обратной воды, поступающей в ЦТП, и из-за малой инерционности калориферов не допускается снижение температуры теплоносителя, поступающего к ним), подачу теплоты в квартальные сети следует регулировать поддержанием температурного графика в подающем трубопроводе без повышения его из-за ограничения расхода сетевой воды. Последнее выполняется в этом случае исходя из максимального часового расхода теплоты на горячее водоснабжение и путем воздействия на клапан, изменяющий расход теплоносителя на водоподогреватель горячего водоснабжения, а не отопления, что имеет место при меньшей вентиляционной нагрузке.

Рис. 6. Графики изменения разности температуры воды в подающем и обратном трубопроводах системы отопления D_t в зависимости от _tн

1—3—D_t = 150…70°С соответственно наветренная ориентация фасада здания, заветренная и с ограничением максимального расхода воды, 4 — 6 D_t = 120. ..70°С, тоже;

7—D_t = 105…70 °С— заветренная ориентация, 8 — D_t = 95.. .70 °С—тоже

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q0max  — максимальный тепловой поток на отопление при t0, Вт.

Q¢0 — тепловой поток на отопление в точке излома графика температуры воды при температуре наружного воздуха t’н, Вт.

Qvmax — максимальный тепловой поток на вентиляцию при t0 или при tHB, Вт.

Qhmax— максимальный тепловой поток на горячее водоснабжение в сутки наибольшего водопотребления за период со среднесуточной температурой наружного воздуха 8 °С и менее (отопительный период), Вт.

Qhm — средний тепловой поток на горячее водоснабжение в средние сутки за неделю в отопительный период.

QSP0 — расчетная тепловая производительность водоподогревателя систем отопления и вентиляции (при общих тепловых сетях), Вт.

QSPh — расчетная тепловая производительность водоподогревателя для систем горячего водоснабжения, Вт.

Qht — тепловые потери трубопроводами от ЦТП и в системах горячего водоснабжения зданий и сооружений, Вт.

G0max — максимальный расход воды, циркулирующей в системе отопления при t0, кг/ч.

Ghmax, Ghm — соответственно максимальный и средний за отопительный период расходы воды в системе горячего водоснабжения, кг/ч.

Gd — расчетный расход воды из тепловой сети на тепловой пункт, кг/ч.

Gvmax — максимальный расход воды из тепловой сети на вентиляцию, кг/ч.

Gdh, Gdo — Расчетный расход сетевой (греющей) воды соответственно на горящее водоснабжение и отопление кг/ч.

GSPd — расчетный расход сетевой (греющей) воды через водоподогреватель, кг/ч.

gh— максимальный расчетный секундный расход воды на горячее водоснабжение, л/с.

F — поверхность нагрева водоподогревателя, м2.

t0- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °С.

t¢н — температура наружного воздуха в точке излома графика температур, °С.

tнv — расчетная температура наружного воздуха для проектирования вентиляции по параметру А, °С.

tc — температура холодной (водопроводной) воды в отопительный период (при отсутствии данных принимается 5 °С).

th — температура воды, поступающей в систему горячего водоснабжения потребителей на выходе из водоподогревателя при одноступенчатой схеме включения водоподогревателей или после II ступени водоподогревателя при двухступенчатой схеме, °С.

tгрср —средняя температура греющей воды между температурой на входе tгрвх и на выходе tгрвых, из водоподогревателя, °С.

tнср— то же, нагреваемой воды между температурой на входе tнвх и на выходе tнвых из водоподогревателя, °С.

ts — температура насыщенного пара, °С.

thI — температура нагреваемой воды после I ступени водоподогревателя при двухступенчатой схеме присоединения водоподогревавателей, °С.

Dtср — температурный напор или расчетная разность температур между греющей и нагреваемой средой (среднелогарифмическая), °С.

Dtб; Dtм— соответственно большая и меньшая разности температур между греющей и нагреваемой водой на входе или на выходе из водоподогревателя, °С.

ti— средняя расчетная температура внутреннего воздуха отапливаемых зданий, °С.

t1— температура cетевой (греющей) воды в подающем трубопроводе тепловой сети при расчетной температуре наружного воздуха t3, °С.

t01 — то же, в подающем трубопроводе системы отопления, °С.

t2 — то же, в обратном трубопроводе тепловой сети и после системы отопления зданий, °С.

t02 — то же, в обратном трубопроводе тепловой сети при независимом присоединении систем отопления, °С.

t’1 — температура сетевой (греющей) воды в подающем трубопроводе тепловой сети в точке излома графика температуры воды, °С.

t’2 — то же, в обратном трубопроводе тепловой сети и после систем отопления зданий, °С.

t’3 — то же, после водоподогревателя горячего водоснабжения, подключенного к тепловой сети по одноступенчатой схеме, рекомендуется принимать t’3  = 30 °С.

r — плотность воды при средней температуре tср, кг/м3, ориентировочно принимается равной 1000 кг/м3.

k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · °С).

a1 — коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубки, Вт/(м2 . °С).

a2 — то же, от стенки трубки к нагреваемой воде, Вт/(м2 . °С).

aп — коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к горизонтальной стенке трубки, Вт/(м2 . °С).

lст — теплопроводность стенки трубки, Вт/ (м °С), принимается равной: для стали 58 Вт/(м °С), для латуни 105 Вт/(м °С).

lнак — то же, слоя накипи, Вт/(м . °С), принимается равной 2,3 Вт/ (м °С).

Wтр — скорость воды в трубках, м/с.

Wмтр — скорость воды в межтрубном пространстве, м/с.

fтр— площадь сечения всех трубок в одном ходу водоподогревателя, м2.

fмтр  — площадь сечения межтрубного пространства секционного водоподогревателя, м2.

dст — толщина стенки трубок, м.

dнак —толщина слоя накипи, м, принимается на основании эксплуатационных данных для конкретного района с учетом качества воды, при отсутствии данных допускается принимать равной 0,0005 м.

Dвн — внутренний диаметр корпуса водоподогревателя, м.

dвн — внутренний диаметр трубок, м.

dнар — наружный диаметр трубок, м.

dэкв— эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м.

y — коэффициент эффективности, теплообмена.

b — коэффициент, учитывающий загрязнение поверхности труб при определении коэффициента теплопередачи в водоподогревателях.

j — коэффициент, учитывающий накипеобразование на трубках водоподогревателей при определении потерь давления в водоподогревателях.

<< назад / в начало >>

29 Апреля 2014 г.

Определение тепловых потоков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

	ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………..4
	1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ НА ОТОПЛЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЮ И ГОРЯЧЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ. ……………………….……………………………………..5
	2. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ НА ОТОПЛЕНИЕ…………………11 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ МАГИСТРАЛЬНЫХ  ТЕПЛОПРОВОДОВ ДВТРУБНОЙ ВОДЯНОЙ  ТЕПЛОВОЙ СЕТИ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМ…………….16 4.  ПОСТРОЕНИЕ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИХ  ГРАФИКОВ ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНОГО И НЕПОТГОПИТЕЛЬНОГО ПЕРИОДОВ…………………………………………..19
	4.2 ПОДБОР СЕТЕВЫХ И ПОДПИТОЧНЫХ НАСОСОВ…………………………21 5.1  РАСЧЕТ САМОКОМПЕНСАЦИИ………………………………………………23
	5.2.  РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ…………………………………………….24
	5.3. РАСЧЕТ УСИЛИЙ В НЕПОДВИЖНЫХ ОПОРАХ ТЕПЛОПРОВОДА……..27 6.   ПОДБОР ЭЛЕВАТОРА…………………………………………………………….28
	БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………………30

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Тепловое потребление — одна из основных статей топливно-энергетического баланса нашей страны. На удовлетворение тепловой нагрузки страны расходуется ежегодно более 600 млн. т.у.т., т.е. около 30 % всех используемых первичных топливно-энергетических ресурсов. Под теплоснабжением понимают систему обеспечения теплом зданий и сооружений. Централизованные системы теплоснабжения обеспечивают наиболее экономное использование топлива и имеющие наиболее высокие экономические показател

Широкое развитие получила теплофикация, являющаяся наиболее рациональным методом использования топливных ресурсов для тепло- и электроснабжения.

Развитие теплофикации способствует решению многих важных народнохозяйственных и социальных проблем таких, как повышение тепловой и общей экономичности электроэнергетического производства, обеспечение экономичного и качественного теплоснабжения жилищно-коммунальных и промышленных комплексов, улучшение экологической обстановки в городах и промышленных районах, снижение трудозатрат в тепловом хозяйстве.

Наряду с теплофикацией рационально используется теплоснабжение от экономичных котельных установок, а также от теплоутилизационных промышленных установок.

Каждый из этих источников теплоснабжения имеет свою область экономически целесообразного применения.

Теплоснабжение является крупной отраслью народного хозяйства. В условиях ограниченных топливных ресурсов рациональное и экономичное расходование их представляет задачу большой государственной важности. Значительная роль в решении этой задачи отводится централизованному теплоснабжению и теплофикации, которые тесно связаны с электрификацией и энергетикой.

 

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ НА ОТОПЛЕНИЕ,ВЕНТИЛЯЦИЮ И ГОРЯЧЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ.

 

Определить для условий г. Омск расчетные тепловые потоки на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение трех кварталов села (см. рис. 1).

Рисунок 1 Район города.

Расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления t0 = –29 0С. Плотность населения Р = 350 чел/га. Общая площадь жилого здания на одного жителя fобщ = 18 м2/чел. Средняя за отопительный период норма расхода горячей воды на одного жителя в сутки а =115 л/сутки.

 

Расчет тепловых потоков сводим в табл.1. В графы 1, 2, 3 таблицы заносим соответственно номера кварталов, их площадь Fкв в гектарах, плотность населения Р. Количество жителей в кварталах m, определяем по формуле (1.1)

    (1.1)

Для квартала №1 количество жителей составит:

                                         m=350∙20=7000чел   

Общую площадь жилых зданий кварталов А определяем по формуле (1.2)

    (1.2)

 

Для квартала №1

A=18∙7000=126000 м2   

Приняв (см. приложение №4) для зданий постройки после 1985г величину удельного показателя теплового потока на отопление жилых зданий qо = 87 Вт/м2 при t 0= -29 0С, находим расчетные тепловые потоки на отопление жилых и общественных зданий кварталов по формуле (1.3)

   (1.3) 

Для квартала №1 при K1= 0,25 получим

                 Q0max=87∙126000∙(1+0,25)=13702500Вт=13,7 МВт

Максимальные тепловые потоки на вентиляцию общественных зданий кварталов определяем по формуле (1. 4)

   (1.4)

Для квартала №1 при К2= 0,6 получим

            Qv мах=0,25∙0,6∙87∙126000=1644300Вт=1,6 МВт

По приложению №5 учебного пособия укрупненный показатель теплового потока на горячее водоснабжение qh c учетом общественных зданий при норме на одного жителя a = 115 л/сутки составит 407 Вт.

Среднечасовые тепловые потоки на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий кварталов определяем по формуле (1.5)

   (1.5)  

Для квартала №1 эта величина составит

                      Qhm=407∙7000=2849000Вт=2,85 МВт

Суммарный тепловой поток по кварталам QS, определяем суммированием расчётных тепловых потоков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение

                                           (1.6)

Для квартала №1 суммарный тепловой поток составит

                                Q=13,7+1,6+2,85=18,2 МВт

Аналогично выполняем расчёты тепловых потоков и для других кварталов.

Таблица 1 Расчёт тепловых потоков

№ квартала	Площадь квартала Fкв, га	Плотность населения P чел/га	Количество жителей m	Общая площадь, А, м2	Тепловой поток, МВт
					Q 0 max	Q v max	Q hm	Q S
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1 2 3 4 5	20 4 4 5 30	350	7000 1400 1400 1750 10500	126000 25200 25200 31500	13,7 2,74 2,74 3,42 20,55	1,6 0,32 0,32 0,41 2,46	2,85 0,57 0,57 0,71 4,27	18,2 3,64 3,64 4,55 27,3
					43,16	5,18	8,97	57,32

 

Для климатических условий г. Омск выполнить расчет и построение графиков часовых расходов теплоты на отопление вентиляцию и горячее водоснабжение, а также годовых графиков теплопотребления по продолжительности тепловой нагрузки и по месяцам. Расчётные тепловые потоки района города на отопление Q 0 max = 43,16 МВт, на вентиляцию Q v max = 5,18 МВт, на горячее водоснабжение Qhm = 8,97 МВт. Расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления t0 = -29 0C.

Определим, используя формулы (1.7) и (1.8) пересчета и часовые расходы на отопление и вентиляцию при температуре наружного воздуха tн= 7,70С.

      (1.7)   

  (1.8)

Отложив на графике (см. рис. 2.а) значения и при tн= 7,7 0С, а также значения и при tн= t0 = -29 0C и соединив их прямой, получим графики = f (tн) и = f (tн). Для построения часового графика расхода теплоты на горячее водоснабжение, определим, используя формулу пересчёта (1.9), среднечасовой расход теплоты на горячее водоснабжение для неотопительного периода .

 (1.9) 

График среднечасового расхода теплоты на горячее водоснабжение не зависит от температуры наружного воздуха, и будет представлять собой прямую, параллельную оси абсцисс с ординатой 8,8 МВт для отопительного периода и с ординатой 5,65 МВт для неотопительного периода. Просуммировав ординаты часовых графиков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение для диапазона температур tн = +7,7 ¸ -29 0C и соединив их прямой получим суммарный часовой график . Для построения годового графика теплоты по продолжительности тепловой нагрузки находим продолжительности стояния температур наружного воздуха в часах с интервалом 50C и продолжительность отопительного периода для г.Омск n0 = 5280 ч. Данные сводим в таблицу №2.

Таблица 2  Продолжительность стояния температур наружного воздуха

 

Продолжительность стояния, n, час	Температура наружного воздуха
	-40 -35	-35 -30	-30 -25	-25 -20	-20 -15	-15 -10	-10 -5	-5 0	0 +5	+5 +8
n
Темпера туры	-35 и ниже	-30 и ниже	-25 и ниже	-20 и ниже	-15 и ниже	-10 и ниже	-5 и ниже	0 и ниже	+5 и ниже	+8 и ниже
ån	6	64	195	485	950	1660	2480	3310	4250	5280

 

Рисунок 2 а — часовые графики теплового потребления

       б — годовой график по продолжительности тепловой нагрузки

График по продолжительности тепловой нагрузки (см. рис. 2 б) строится на основании суммарного часового графика . Для этого из точек на оси температур (+7,7, 0, -10, -23, -29) восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с линией суммарного часового графика и из точек пересечения проводим горизонтальные прямые до пересечения с перпендикулярами, восстановленными из точек на оси продолжительности, соответствующих данным температурам. Соединив найденные точки плавной кривой, получим график по продолжительности тепловой нагрузки за отопительный период в течение 4920 часов. Затем построим график по продолжительности тепловой нагрузки за неотопительный период, для чего проведем прямую параллельную оси абсцисс с ординатой равной = 5,74 МВт до расчетной продолжительности работы системы теплоснабжения в году равной 8400 часов.

Для построения годового графика теплового потребления по месяцам находим среднемесячные температуры наружного воздуха. Затем, используя формулы пересчета (1.10) и (1.11) определим часовые расходы теплоты на отопление и вентиляцию для каждого месяца со среднемесячной температурой ниже +8 0C. Определим суммарные расходы теплоты для месяцев отопительного периода как сумму часовых расходов на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Для месяцев неотопительного периода (с >+8) суммарный расход теплоты будет равен среднечасовому расходу теплоты на горячее водоснабжение = 5,9 МВт. Выполним расчеты для января

  (1.10)

  (1.11)

 

 

Аналогично выполняем расчёты и для других месяцев отопительного периода. Расчёты сведём в табл. 3. Используя полученные данные, построим годовой график теплового потребления по месяцам (см. рис 3)

Таблица 3 Среднечасовые расходы теплоты по месяцам года

Среднечасовые расходы теплоты по месяцам	Среднемесячные температуры наружного воздуха
	Ян	Фев	Март	Апр	Май	Июнь	Июль	Авг	Сен	Окт	Нояб	Дек
	-19,2	-17,8	-11,8	1,3	10	16,6			10,4	1,4	-8,9	-16,5
	34,16	32,88	26,37	15,34						15,24	24,7	31,68
	4,1	3,95	3,28	1,84						1,83	2,96	3,8
	8,97	8,97	8,97	8,97	5,9	5,9	5,9	5,9	5,9	8,97	8,97	8,97
	47,24	45,8	39,63	26,15	5,9	5,9	5,9	5,9	5,9	26,05	36,64	44,46

Определение теплового потока | Инженеришка.

Ру | enginerishka.ru

Теплопоступления в помещения производственного здания задаются технологией производства и являются исходными данными, выдаваемыми технологами, для выполнения расчетов теплового баланса помещений.

Источниками могут быть непосредственно технологическое оборудование, экзотермические технологические процессы, поступающие в помещения нагретые материалы и изделия, электрооборудование, электроосвещение, люди, теплота фазового перехода расплавленных материалов при их переходе в твердое состояние и др. В помещениях животноводческих основным источником являются теплопоступления от животных.

В тепловом балансе помещения учитываются только регулярно повторяющиеся теплопоступления, поэтому для определения расчетного теплового потока теплопоступлений необходимо учитывать ряд факторов:

— степень загрузки и одновременности работы электрооборудования,

— количество отводимой теплоты системой вентиляции,

— время нахождения нагретых материалов в помещении и другие параметры.

От людей учитываются только явные тепловыделения, величина которых зависит от интенсивности их физической деятельности, параметров воздуха в рабочей зоне и теплозащитных свойств одежды. Если на одного работающего приходится более 50 м³ объема помещения, то тепловыделения от людей не учитываются.

Нерегулярные теплопоступления в тепловом балансе помещения не учитывают, но для обеспечения энергоэффективности здания в этом случае необходимо предусматривать в помещении терморегулятор, уменьшающий тепловой поток отопительного прибора. К нерегулярным теплопоступлениям относится солнечная радиация, поступающая через окна и покрытия.

Теплопоступления в жилых зданиях учитывают в тепловом балансе помещения в виде общих бытовых тепловыделений, которые принимают для жилой комнаты из расчета 21 Вт на 1 м² ее жилой площади.

Дополнительные затраты теплоты расходуются на нагревание холодных материалов, поступающих в помещение, на нагревание транспортных средств, въезжающих с улицы, на испарение воды в мокрых цехах и др. Данные затраты включают в тепловой баланс помещения с учетом периодичности и интенсивности необходимого дополнительного теплового потока. Основные исходные данные по расчету затрат теплоты на нагревание холодных материалов задаются технологами.

Украина Коммунальная — проблемы ЖКХ в Украине, советы экспертов ЖКХ

Как определить, по какой формуле вычислить, максимальная тепловая нагрузка на отопление дома? Например, для двухэтажного панельного 16-ти квартирного дома, паспорта на дом нет

Максимальная тепловая нагрузка потребителя — нагрузка, соответствующая сумме максимальных тепловых потоков на отопление, вентиляцию, кондиционирование, технологические нужды, горячее водоснабжение, определенное проектом.

Согласно ДБН ДБН В.2.5-39-2008 «Тепловые сети» РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
 
К.1 При проектировании тепловых сетей максимальные тепловые потоки на отопление , вентиляцию  горячее водоснабжение Qг.в.макс. жилых, общественных и производственных сооружений следует принимать в соответствии с индивидуальными и типовым проектам. При отсутствии таких проектов допускается определять тепловые потоки в соответствии с требованиями К.3 этого приложения.

К.2 Максимальные тепловые потоки на технологические нужды и количество конденсата, возвращаемого следует принимать по проектам промышленных предприятий.

В случае отсутствия таких проектов допускается определять тепловые потоки для промышленных предприятий по удельным ведомственными показателями (нормами) на единицу продукции или по проектам аналогичных предприятий.

К.3 При отсутствии проектов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения тепловые потоки, Вт, для жилых районов городов и других населенных пунктов определяется по формулам:

а) максимальный тепловой поток на отопление жилых и общественных зданий; (К.1)

б) максимальный тепловой поток на вентиляцию общественных зданий; (К.2)

в) средний тепловой поток на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий в отопительный период  (К.3)

или
      (К.4)

г) максимальный тепловой поток на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий
                  (К.5)

д) средний тепловой поток на отопление, (К.6)
 
то именно на вентиляцию (К.7)

е) средний тепловой поток на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий в неотапливаемый период (К.8)

где q0 — удельный показатель максимального теплового потока на отопление жилых домов на 1 м2 общей площади, Вт, принимается согласно СНиП 2.04.05;

qn — удельный показатель среднего теплового потока на горячее водоснабжение на одного человека согласно таблице К.1;

Расчет и определение тепловой нагрузки на отопление: методики расчета, вывод

Тепловая нагрузка подразумевает под собой количество тепловой энергии, необходимое для поддержания комфортной температуры в доме, квартире или отдельной комнате. Под максимальной часовой нагрузкой на отопление подразумевается количество тепла, необходимое для поддержания нормированных показателей в течение часа в самых неблагоприятных условиях.

Факторы, влияющие на тепловую нагрузку

• Материал и толщина стен. К примеру, стена из кирпича в 25 сантиметров и стена из газобетона в 15 сантиметров способны пропустить разное количество тепла.
• Материал и структура крыши. Например, теплопотери плоской крыши из железобетонных плит значительно отличаются от теплопотерь утепленного чердака.
• Вентиляция. Потеря тепловой энергии с отработанным воздухом зависит от производительности вентиляционной системы, наличия или отсутствия системы рекуперации тепла.
• Площадь остекления. Окна теряют больше тепловой энергии по сравнению со сплошными стенами.
• Уровень инсоляции в разных регионах. Определяется степенью поглощения солнечного тепла наружными покрытиями и ориентацией плоскостей зданий по отношению к сторонам света.
• Разность температур между улицей и помещением. Определяется тепловым потоком через ограждающие конструкции при условии постоянного сопротивления теплопередаче.

Распределение тепловой нагрузки

При водяном отоплении максимальная тепловая мощность котла должна равняться сумме тепловой мощности всех устройств отопления в доме. На распределение устройств отопления влияют следующие факторы:

• Площадь помещения и высота потолка;
• Расположение внутри дома. Угловыми и торцевыми помещениями теряется больше тепла, чем помещениями, расположенными в середине здания;
• Удаленность от источника тепла;
• Желаемая температура в комнатах.

СНиП рекомендует следующие значения:

• Жилые комнаты в середине дома – 20 градусов;
• Угловые и торцевые жилые комнаты – 22 градуса. При этом за счет более высокой температуры не промерзают стены;
• Кухня – 18 градусов, поскольку в ней имеются собственные источники тепла – газовые или электрические плиты и пр.
• Ванная комната – 25 градусов.

При воздушном отоплении тепловой поток, который поступает в отдельное помещение, зависит от пропускной способности воздушного рукава. Зачастую простейшим способом его регулировки является подстройка положения решеток вентиляции с контролем температуры вручную.

При системе отопления, где применяется распределительный источник тепла (конвектора, теплые полы, электрообогреватели и т.д.), необходимый режим температуры устанавливается на термостате.

Методики расчета

Для определения тепловой нагрузки существует несколько способов, обладающие различной сложностью расчета и достоверностью полученных результатов. Далее представлены три наиболее простые методики расчета тепловой нагрузки.

Метод №1

Согласно действующему СНиП, существует простой метод расчета тепловой нагрузки. На 10 квадратных метров берут 1 киловатт тепловой мощности. Затем полученные данные умножаются на региональный коэффициент:

• Южные регионы имеют коэффициент 0,7-0,9;
• Для умеренно-холодного климата (Московская и Ленинградская области) коэффициент равен 1,2-1,3;
• Дальний Восток и районы Крайнего Севера: для Новосибирска от 1,5; для Оймякона до 2,0.

Расчет на примере:

1. Площадь здания (10*10) равна 100 квадратных метров.
2. Базовый показатель тепловой нагрузки 100/10=10 киловатт.
3. Это значение умножается на региональный коэффициент, равный 1,3, в итоге получается 13 кВт тепловой мощности, которые требуются для поддержания комфортной температуры в доме.

Обратите внимание! Если использовать эту методику для определения тепловой нагрузки, то необходимо еще учесть запас мощности в 20 процентов, чтобы компенсировать погрешности и экстремальные холода.

Метод №2

Первый способ определения тепловой нагрузки имеет много погрешностей:

• Разные строения имеют разную высоту потолков. Учитывая то, что обогревается не площадь, а объем, этот параметр очень важен.
• Через двери и окна проходит больше тепла, чем через стены.
• Нельзя сравнивать городскую квартиру с частным домом, где снизу, сверху и за стенами не квартиры, а улица.

Корректировка метода:

• Базовый показатель тепловой нагрузки равняется 40 ватт на 1 кубический метр объема помещения.
• Каждая дверь, ведущая на улицу, добавляет к базовому показателю тепловой нагрузки 200 ватт, каждое окно – 100 ватт.
• Угловые и торцевые квартиры многоквартирного дома имеют коэффициент 1,2-1,3, на который влияет толщина и материал стен. Частный дом обладает коэффициентом 1,5.
• Региональные коэффициенты равны: для Центральных областей и Европейской части России – 0,1-0,15; для Северных регионов – 0,15-0,2; для Южных регионов – 0,07-0,09 кВт/кв.м.

Расчет на примере:

1. Объем здания 300 квадратных метров (10*10*3=300).
2. Базовый показатель тепловой нагрузки 12000 ватт (300*40).
3. С учетом восьми окон и двух дверей тепловая мощность равна 13200 ватт (12000+(8*100)+(2*200)).
4. Для частного дома тепловая нагрузка умножается на региональный коэффициент и получается 19800 ватт (13200*1,5).
5. 19800*1,3=25740 ватт (с учетом регионального коэффициента для Северных регионов). Следовательно, для обогрева потребуется 28-киловаттный котел.

Метод №3

Не стоит обольщаться – второй способ расчета тепловой нагрузки также весьма несовершенен. В нем весьма условно учтено тепловое сопротивление потолка и стен; разность температур между наружным воздухом и воздухом внутри.

Стоит отметить, чтобы поддерживать внутри дома постоянную температуру необходимо такое количество тепловой энергии, которое будет равняться всем потерям через вентиляционную систему и ограждающие устройства. Однако, и в этом методе расчеты упрощены, так как невозможно систематизировать и измерить все факторы.

На теплопотери влияет материал стен – 20-30 процентов потери тепла. Через вентиляцию уходит 30-40 процентов, через крышу – 10-25 процентов, через окна – 15-25 процентов, через пол на грунте – 3-6 процентов.

Чтобы упростить расчеты тепловой нагрузки, подсчитываются тепловые потери через ограждающие устройства, а затем это значение просто умножается на 1,4. Дельта температур измеряется легко, но взять данные про термическое сопротивление можно только в справочниках. Ниже приведены некоторые популярные значения термического сопротивления:

• Термическое сопротивление стены в три кирпича равно 0,592 м2*С/Вт.
• Стены в 2,5 кирпича составляет 0, 502.
• Стены в 2 кирпича равно 0,405.
• Стены в один кирпич (толщина 25 см) равно 0,187.
• Бревенчатого сруба, где диаметр бревна 25 см – 0,550.
• Бревенчатого сруба, где диаметр бревна 20 сантиметров – 0,440.
• Сруба, где толщина сруба 20 см – 0,806.
• Сруба, где толщина 10 см – 0,353.
• Каркасной стены, толщина которой 20 см, утепленной минеральной ватой – 0,703.
• Стены из газобетона, толщина которой 20 см – 0,476.
• Стены из газобетона, толщина которой 30 см – 0,709.
• Штукатурки, толщина которой 3 см – 0,035.
• Потолочного или чердачного перекрытия – 1,43.
• Деревянного пола – 1,85.
• Двойной деревянной двери – 0,21.

Расчет по примеру:

1. Дельта температур в период пика морозов равна 50 градусов: внутри дома плюс 20 градусов, снаружи – минус 30 градусов.
2. Потери тепла через один метр квадратный 50/1,85 (показатель термического сопротивления пола из дерева) равно приблизительно 27 ватт. Весь пол будет иметь 27*100=2700 ватт.
3. Теплопотери через потолок составляют (50/1,43)*100 и равно приблизительно 3500 ватт.
4. Площадь стен (10*3)*4 и равна 120 квадратных метров. К примеру, стены изготовлены из бруса с толщиной 20 см, термическое сопротивление = 0,806. Следовательно, теплопотери составят (50/0,806)*120=7444 ватта.
5. Все полученные значения потерь тепла складываются, и получается значение 13644 ватт. Именно такое количество тепла будет терять дом через стены, пол и потолок.
6. Далее полученное значение умножается на коэффициент 1,4 (потери на вентиляционную систему) и получается 19101 ватт. Следовательно, для отопления такого дома понадобится 20-киловаттный котел.

Вывод

Как видно из расчетов, способы определения тепловой нагрузки обладают существенными погрешностями. К счастью, избыточный показатель мощности котла не навредит:

• Работа газового котла на уменьшенной мощности осуществляется без падения коэффициента полезного действия, а работа конденсационных устройств при неполной нагрузке осуществляется в экономичном режиме.
• То же относится и к соляровым котлам.
• Показатель коэффициента полезного действия электрического нагревательного оборудования равен 100 процентам.

Обратите внимание! Работа твердотопливных котлов на мощности меньше номинального значения мощности противопоказана.

Расчет тепловой нагрузки на отопление является важным фактором, вычисления которого обязательно необходимо выполнять перед началом создания системы отопления. В случае подхода к процессу с умом и грамотного выполнения всех работ гарантируется безотказная работа отопления, а также существенно экономятся деньги на лишних затратах.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Расчет подогревателей СТО 17330282.27.060.003-2008

Главная / Проектировщику / Справочная информация – ГОСТ СНИП ПБ / СТО 17330282.27.060.003-2008 /Версия для печати

Л.1. Расчет поверхности нагрева F, м², водоподогревателей горячего водоснабжения должен производиться при температуре воды в подающем трубопроводе тепловой сети, соответствующей точке излома графика температур воды, или при минимальной температуре воды, если отсутствует излом графика температур.

Л.2. Распределение расчетной тепловой производительности Q^sp_h водоподогревателей между I и II ступенями осуществляется исходя из условия, что нагреваемая вода во II ступени догревается до температуры t_h, а в I ступени — до температуры t^I_h, определяемой технико-экономическим расчетом или принимаемой на 5°С менее температуры сетевой воды в обратном трубопроводе в точке излома графика.

Расчетная тепловая производительность водоподогревателей I и II ступеней Q_h^SPI,II, Вт, определяется по формулам

                                                                                               (1)

                                                                                   (2)

Л.3. Температура нагреваемой воды, °С, после I ступени определяется по формулам:

• при зависимом присоединении системы отопления

t^I_h = τ’₂ — 5                                                                                                                    (3)

• при независимом присоединении системы отопления

t^I_h = τ’₀₂ — 5                                                                                                                   (4)

Л.4. Максимальный расход нагреваемой воды, кг/ч, проходящей через I и II ступени водоподогревателя, следует рассчитывать исходя из максимального теплового потока на горячее водоснабжение Q_hmax, определяемого по формуле 2 прил. Д, и нагрева воды до 60°С во II ступени: учет рециркуляции

                                                                                                    (5)

Л.5. Расход греющей воды G_d^SP, кг/ч:

а) для тепловых пунктов при отсутствии вентиляционной нагрузки расход греющей воды принимается одинаковым для I и II ступеней водоподогревателей и определяется:

при регулировании отпуска теплоты по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения — по максимальному расходу сетевой воды на горячее водоснабжение (формула (7), либо по максимальному расходу сетевой воды на отопление (формула (8)):

                                                                                        (6)

                                                                                                   (7)

В качестве расчетной принимается большая из полученных величин, при регулировании отпуска теплоты по нагрузке отопления расчетный расход греющей воды определяется по формуле

                                                                                                     (8)

                                                                            (9)

При этом следует проверять температуру греющей воды на выходе из водоподогревателя I ступени при Q_hmax по формуле

                                                                                                        (10)

В случае если температура, определенная по формуле (11), получилась ниже 15 °С, то τI2 следует принимать равной 15 °С, а расход греющей воды пересчитать по формуле

                                                                                                     (11)

б) для тепловых пунктов при наличии вентиляционной нагрузки расход греющей воды принимается

G_d^SPI = G_dhmax+G_do.                                                                                                      (12)

G_d^SPII = G_dhmax                                                                                                              (13)

Л.6. Температура греющей воды, °С, на выходе из водоподогревателя II ступени τ₂^II:

                                                                                                        (14)

Л.7. Температура греющей воды, °С, на входе в водоподогреватель I ступени τ₁^I

                                                                                                 (15)

Л.8. Температура греющей воды, °С, на выходе из водоподогревателя I ступени τ₂^I

                                                                                                          (16)

Л.9. Тепловой поток на II ступень водоподогревателя , Вт, при двухступенчатой схеме присоединения водоподогревателей горячего водоснабжения, необходимый только для вычисления расхода греющей воды, при максимальном тепловом потоке на вентиляцию не более 15% максимального теплового потока на отопление определяется по формулам при отсутствии баков-аккумуляторов нагреваемой воды

                                                                                 (17)

при наличии баков-аккумуляторов нагреваемой воды

                                                                                (18)

где Q_ht — тепловые потери трубопроводов систем горячего водоснабжения, Вт.

При отсутствии данных о величине тепловых потерь трубопроводами систем горячего водоснабжения тепловой поток на II ступень водоподогревателя, Вт, Q^SPII_h допускается определять по формулам

• при отсутствии баков-аккумуляторов нагреваемой воды

                                                                   (19)

• при наличии баков-аккумуляторов нагреваемой воды

                                                                       (20)

где k_тп — коэффициент, учитывающий потери теплоты трубопроводами систем горячего водоснабжения, принимается по прил. Д.

Л.10. Распределение расчетной тепловой производительности водоподогревателей между I и II ступенями, определение расчетных температур и расходов воды для расчета водоподогревателей следует принимать по таблице.

Таблица Л.1

Наименование расчетных величин	Область применения схемы
	Производственные здания, группа жилых и общественных зданий с максимальным тепловым потоком на вентиляцию более 15% максимального теплового потока на отопление	жилые и общественные здания с максимальным тепловым потоком на вентиляцию не более 15% максимального теплового потока на отопление
1	2	3
I ступень двухступенчатой схемы
Расчетная тепловая производительность I ступени водоподогревателя
Расход греющей воды, кг/ч
II ступень двухступенчатой схемы
Расчетная тепловая производительность II ступени водоподогревателя
Температура нагреваемой воды, °С, на входе в водоподогреватель	С баками-аккумуляторами tIIh = tIh Без баков-аккумуляторов
Температура греющей воды, °С, на выходе из водоподогревателя
Расход нагреваемой воды, кг/ч	Без баков-аккумуляторов GIIh = Ghmax
	С баками-аккумуляторами при отсутствии циркуляции GIIh = Ghm При наличии циркуляции	С баками-аккумуляторами
Расход греющей воды, кг/ч
Примечания 1. При независимом присоединении систем отопления вместо t’2 следует принимать τ’02. 2. Величина недогрева в I ступени δ, °С, принимается: с баками-аккумуляторами δ = 5 °С, при отсутствии баков-аккумуляторов δ = 10 °С. 3. При определении расчетного расхода греющей воды для I ступени водоподогревателя расход воды от систем вентиляции не учитывается

<< назад / к содержанию / вперед >>

Расход системы отопления

Объемный расход в системе отопления может быть выражен как

q = h / (c _p ρ dt) (1)

, где

q = объемный расход (м ³ / с )

ч = тепловой поток (кДж / с, кВт)

c _p = удельная теплоемкость (кДж / кг ^o C )

ρ = плотность (кг / м ³ )

dt = разница температур ( ^o C)

Это общее уравнение может быть изменено для реальных единиц измерения — СИ или британских единиц — и используемых жидкостей.

Объемный расход воды в имперских единицах

Для воды с температурой 60 ^o F Расход можно выразить как

q = ч (7,48 галлонов / фут ³ ) / ((1 БТЕ / фунт _м ^o F) (62,34 фунта / фут ³ ) (60 мин / ч) dt)

= h / (500 dt) (2)

где

q = расход воды (гал / мин)

ч = расход тепла (БТЕ / ч)

ρ = плотность ( фунт / фут ³ )

dt = разница температур ( ^o F)

Для более точных объемных расходов следует использовать свойства горячей воды.

Массовый расход воды в имперских единицах

Массовый расход воды можно выразить как:

м = h / ((1,2 БТЕ / фунт. ^o F) dt)

= ч / (1,2 дт) (3)

, где

м = массовый расход (фунт _м / ч)

Объемный расход воды в единицах СИ

Объемный расход воды расход в системе отопления можно выразить в единицах СИ как

q = h / ((4.2 кДж / кг ^o C) (1000 кг / м ³ ) dt)

= h / (4200 dt) (4)

где

q = вода расход (м ³ / с)

h = расход тепла (кВт или кДж / с)

dt = разница температур ( ^o C)

Для более При точном объемном расходе следует использовать свойства горячей воды.

Массовый расход воды в единицах СИ

Массовый расход воды можно выразить как:

м = h / ((4,2 кДж / кг ^o C) dt)

= h / (4,2 dt) (5)

, где

м = массовый расход (кг / с)

Пример — расход в системе отопления

A Циркуляция воды системы отопления выдает 230 кВт с перепадом температур 20 ^o C .

Объемный расход можно рассчитать как:

q = (230 кВт) / ((4,2 кДж / кг ^o C) (1000 кг / м ³ ) (20 ^o C) )

= 2,7 10 ^-3 м ³ / с

Массовый расход можно выразить как:

м = (230 кВт) / ((4,2 кДж / кг ^o C) (20 ^o C))

= 2.7 кг / с

Пример — Нагрев воды с помощью электричества

10 литров воды нагревается с 10 ^o C до 100 ^o C за 30 минут . Тепловой поток можно рассчитать как

h = (4,2 кДж / кг ^o C) (1000 кг / м ³ ) (10 литров) (1/1000 м ³ / литр) ( (100 ^o C) — (10 ^o C)) / ((30 мин) (60 с / мин))

= 2.1 кДж / с (кВт)

Электрический ток 24 В постоянного тока , необходимый для обогрева, можно рассчитать как

I = (2,1 кВт) (1000 Вт / кВт) / (24 В)

= 87,5 А

Формула расхода тепла

Количество тепла, которое передается в единицу времени в некотором материале.

Скорость теплового потока в стержне из материала пропорциональна площади поперечного сечения стержня и разности температур между концами и обратно пропорциональна длине.

Тепловой поток = — (коэффициент теплопередачи) * (площадь тела) * (изменение температуры) / (длина материала)

Уравнение:

Q = -k (А / л) (ΔT)

У нас:

Q: теплопередача в единицу времени

K: теплопроводность

A: площадь излучающего тела

л: длина материала.

ΔT: Разница температур.

Вопросы по формуле теплопередачи:

1) Стена дома шириной 7 м и высотой 6 м сделана из 0.Кирпич толщиной 3 м при k = 0,6 Вт / мК. Температура внутри стены составляет 16 ° C, а снаружи — 6 ° C. Найдите тепловой поток.

Ответ:

Разница температур ΔT = T _i — T _O = 16 ° C — 6 ° C = 10 ° C = 283 K.

Тепловой поток определяется по формуле:

Q = -k (А / л) (ΔT)

Подставляя значения коэффициента теплопроводности, площади, длины и разницы температур внутри и снаружи,

Q = -0.6 Вт / м · K (7 м * 6 м / 0,3 м) (283 K) =

Q = -840 Вт

2) Для подачи нагретой воды используется медная труба диаметром 20 мм, внешняя поверхность трубы имеет k = 6 Вт / м · К, ее толщина 2 мм. Найдите тепловой поток на трубе при температуре внешней поверхности 80 ° C и температуре окружающей среды 20 ° C.

Ответ:

Разница температур ΔT = T _i — T _O = 80 ° C — 20 ° C = 60 ° C = 333 K.

Тепловой поток определяется по формуле:

Q = -k (А / л) (ΔT)

Площадь определяется как π (0.02 м) ² = π 0,0004 = 0,0012 м ² .

Подставляя значения коэффициента теплопроводности, площади, длины и разницы температур внутри и снаружи,

Q = -6 Вт / м K (0,0012 м ² / 0,002 м) (333 K) = -1198,8 Вт

Q = -1198 Вт

Теплопередача, удельная теплоемкость и калориметрия — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните явления с участием тепла как формы передачи энергии
• Решение проблем, связанных с теплопередачей

В предыдущих главах мы видели, что энергия — одно из фундаментальных понятий физики. Тепло — это тип передачи энергии, который вызывается разницей температур и может изменять температуру объекта. Как мы узнали ранее в этой главе, теплопередача — это движение энергии от одного места или материала к другому в результате разницы температур. Передача тепла имеет фундаментальное значение для таких повседневных действий, как отопление и приготовление пищи, а также для многих промышленных процессов. Он также составляет основу тем, которые будут рассмотрены в оставшейся части этой главы.

Мы также вводим понятие внутренней энергии, которая может быть увеличена или уменьшена за счет теплопередачи.Мы обсуждаем другой способ изменить внутреннюю энергию системы, а именно выполнение работы над ней. Таким образом, мы начинаем изучение взаимосвязи тепла и работы, которая является основой двигателей и холодильников и центральной темой (и источником названия) термодинамики.

Внутренняя энергия и тепло

Тепловая система имеет внутренней энергии (также называемой тепловой энергией ) , которая является суммой механических энергий ее молекул. Внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре.Как мы видели ранее в этой главе, если два объекта с разной температурой приводят в контакт друг с другом, энергия передается от более горячего объекта к более холодному, пока тела не достигнут теплового равновесия (то есть они имеют одинаковую температуру). Ни один из объектов не совершает никакой работы, потому что никакая сила не действует на расстоянии (как мы обсуждали в разделе Работа и кинетическая энергия). Эти наблюдения показывают, что тепло — это энергия, спонтанно передаваемая из-за разницы температур. (Рисунок) показывает пример теплопередачи.

(а) Здесь безалкогольный напиток имеет более высокую температуру, чем лед, поэтому они не находятся в тепловом равновесии. (b) Когда безалкогольный напиток и лед могут взаимодействовать, тепло передается от напитка ко льду из-за разницы температур, пока они не достигнут одинаковой температуры, что приводит к достижению равновесия. Фактически, поскольку безалкогольный напиток и лед находятся в контакте с окружающим воздухом и скамейкой, конечная равновесная температура будет такой же, как и температура окружающей среды.

Значение «тепла» в физике отличается от его обычного значения.Например, в разговоре мы можем сказать, что «жара была невыносимой», но в физике мы бы сказали, что температура была высокой. Тепло — это форма потока энергии, а температура — нет. Между прочим, люди более чувствительны к тепловому потоку , чем к температуре.

Поскольку тепло — это форма энергии, в системе СИ единицей измерения является джоуль (Дж). Другой распространенной единицей энергии, часто используемой для получения тепла, является калория (кал), определяемая как энергия, необходимая для изменения температуры 1,00 г воды, в частности, между и, поскольку существует небольшая температурная зависимость.Также обычно используется килокалория (ккал), которая представляет собой энергию, необходимую для изменения температуры 1,00 кг воды на. Так как масса чаще всего указывается в килограммах, то килокалория удобна. Как ни странно, пищевые калории (иногда называемые «большими калориями», сокращенно Cal) на самом деле являются килокалориями, что нелегко определить по маркировке упаковки.

Механический эквивалент тепла

Также можно изменить температуру вещества, выполняя работу, которая передает энергию в систему или из нее.Это понимание помогло установить, что тепло — это форма энергии. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провел множество экспериментов, чтобы установить механический эквивалент тепла — работа, необходимая для получения тех же эффектов, что и передача тепла . В единицах, используемых для этих двух величин, эквивалентность равна

.

Мы считаем, что это уравнение представляет преобразование между двумя единицами энергии. (Другие числа, которые вы можете увидеть, относятся к калориям, определенным для температурных диапазонов, отличных от до.)

(рисунок) показывает одну из самых известных экспериментальных установок Джоуля для демонстрации того, что работа и тепло могут производить одни и те же эффекты, и измерения механического эквивалента тепла. Это помогло установить принцип сохранения энергии. Гравитационная потенциальная энергия ( U ) была преобразована в кинетическую энергию ( K ), а затем рандомизирована по вязкости и турбулентности в увеличенную среднюю кинетическую энергию атомов и молекул в системе, что привело к увеличению температуры.Вклад Джоуля в термодинамику был настолько значительным, что в его честь была названа единица энергии в системе СИ.

Эксперимент Джоуля установил эквивалентность тепла и работы. По мере того, как массы спускались, они заставляли весла работать на воде. Результатом стало повышение температуры, измеренное термометром. Джоуль обнаружил, что он пропорционален W , и таким образом определил механический эквивалент тепла.

Увеличение внутренней энергии за счет теплопередачи дает тот же результат, что и увеличение ее за счет выполнения работы.Следовательно, хотя система имеет четко определенную внутреннюю энергию, мы не можем сказать, что она имеет определенное «теплосодержание» или «рабочее содержание». Четко определенная величина, которая зависит только от текущего состояния системы, а не от истории этой системы, называется переменной состояния . Температура и внутренняя энергия являются переменными состояния. Подводя итог этому абзацу, тепло и работа не являются переменными состояния .

Между прочим, увеличение внутренней энергии системы не обязательно увеличивает ее температуру.Как мы увидим в следующем разделе, температура не меняется, когда вещество переходит из одной фазы в другую. Примером может служить таяние льда, которое может быть достигнуто путем добавления тепла или выполнения работы трения, например, когда кубик льда трется о шероховатую поверхность.

Изменение температуры и теплоемкость

Мы отметили, что теплопередача часто вызывает изменение температуры. Эксперименты показывают, что без фазового перехода и без какой-либо работы над системой или ею переданное тепло обычно прямо пропорционально изменению температуры и массы системы в хорошем приближении.(Ниже мы покажем, как действовать в ситуациях, когда приближение неверно.) Константа пропорциональности зависит от вещества и его фазы, которая может быть газом, жидкостью или твердым телом. Мы опускаем обсуждение четвертой фазы, плазмы, потому что, хотя это наиболее распространенная фаза во Вселенной, она редка и недолговечна на Земле.

Мы можем понять экспериментальные факты, заметив, что передаваемое тепло — это изменение внутренней энергии, которая является полной энергией молекул.В типичных условиях полная кинетическая энергия молекул составляет постоянную долю внутренней энергии (по причинам и за исключениями, которые мы увидим в следующей главе). Средняя кинетическая энергия молекулы пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, изменение внутренней энергии системы обычно пропорционально изменению температуры и количеству молекул, N . Математически зависимость от вещества в значительной степени обусловлена ​​разной массой атомов и молекул.Мы рассматриваем его теплоемкость с точки зрения его массы, но, как мы увидим в следующей главе, в некоторых случаях теплоемкость на молекулу одинакова для разных веществ. Зависимость от вещества и фазы также является результатом различий в потенциальной энергии, связанной с взаимодействиями между атомами и молекулами.

Значения удельной теплоемкости обычно необходимо измерять, потому что нет простого способа их точно рассчитать. (Рисунок) показывает типичные значения теплоемкости для различных веществ.Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в 10 раз больше, чем у железа, что означает, что для повышения температуры воды на определенное количество требуется в пять раз больше тепла, чем у стекла, и в 10 раз больше. столько, сколько по железу. Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Удельная теплота газов зависит от того, что поддерживается постоянным во время нагрева — обычно от объема или давления.В таблице первое значение удельной теплоемкости для каждого газа измерено при постоянном объеме, а второе (в скобках) измерено при постоянном давлении. Мы вернемся к этой теме в главе, посвященной кинетической теории газов.

Как правило, удельная теплоемкость также зависит от температуры. Таким образом, точное определение c для вещества должно быть дано в терминах бесконечно малого изменения температуры. Для этого отметим это и заменим на d :

За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая при нормальных температурах.Поэтому мы обычно принимаем удельную теплоемкость постоянными на значениях, указанных в таблице.

(рисунок) иллюстрирует повышение температуры, вызванное работой. (Результат такой же, как если бы такое же количество энергии было добавлено с помощью паяльной лампы, а не механически.)

Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной на грузовике с веществом. Тормоза, используемые для контроля скорости на спуске, выполняют работу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала ((рисунок)).Это преобразование предотвращает преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию грузовика. Поскольку масса грузовика намного больше, чем масса тормозного материала, поглощающего энергию, повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло от тормозов передавалось в окружающую среду; Другими словами, тормоза могут перегреться.

Дымящиеся тормоза тормозной тележки — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Рассчитайте повышение температуры 10 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью, если материал удерживает 10% энергии от спускающегося грузовика массой 10 000 кг 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, приравниваем ее к увеличению внутренней энергии тормозов, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

Решение Сначала мы рассчитаем изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика:

Поскольку кинетическая энергия грузовика не изменяется, закон сохранения энергии говорит нам, что потерянная потенциальная энергия рассеивается, и мы предполагаем, что 10% ее передается внутренней энергии тормозов, так что возьмите.Затем мы рассчитываем изменение температуры от переданного тепла, используя

, где м — масса тормозного материала. Вставьте указанные значения, чтобы найти

Значение Если бы грузовик ехал некоторое время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше, чем температура окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к очень сильному повышению температуры тормозного материала, поэтому этот метод непрактичен.Вместо этого грузовик использовал бы технику торможения двигателем. Другая идея лежит в основе новейшей технологии гибридных и электрических автомобилей, в которой механическая энергия (кинетическая и гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию в аккумуляторе. Этот процесс называется регенеративным торможением.

В задачах общего типа объекты с разными температурами контактируют друг с другом, но изолированы от всего остального, и им позволяют прийти в равновесие.Контейнер, который предотвращает передачу тепла внутрь или наружу, называется калориметром, а использование калориметра для измерения (обычно теплоемкости или удельной теплоемкости) называется калориметрией.

Мы будем использовать термин «проблема калориметрии» для обозначения любой проблемы, в которой рассматриваемые объекты термически изолированы от своего окружения. Важная идея при решении задач калориметрии заключается в том, что во время передачи тепла между объектами, изолированными от их окружения, тепло, полученное более холодным объектом, должно равняться теплу, теряемому более горячим объектом, из-за сохранения энергии:

Мы выражаем эту идею, записывая, что сумма тепла равна нулю, потому что полученное тепло обычно считается положительным; тепло потеряно, отрицательно.

Расчет конечной температуры в калориметрии. Предположим, вы наливаете 0,250 кг воды (примерно чашку) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, стоящую на плите, с температурой 0 ° C. Предположим, что теплопередача не происходит ни к чему другому: кастрюлю кладут на изолирующую подкладку, и не учитывают теплопередачу воздуху за короткое время, необходимое для достижения равновесия. Таким образом, это проблема калориметрии, даже если не указан изолирующий контейнер. Также предположим, что выкипает незначительное количество воды.Какова температура, при которой вода и поддон достигают теплового равновесия?

Стратегия Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Теплопередача восстанавливает тепловое равновесие при соприкосновении воды и поддона; он останавливается, когда достигается тепловое равновесие между поддоном и водой. Тепло, теряемое сковородой, равно теплу, полученному водой — это основной принцип калориметрии.

Решение

1. Используйте уравнение теплопередачи, чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечную температуру:
   
2. Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру:
   
3. Обратите внимание, что, как указано выше, они должны быть в сумме равными нулю:
   
4. Поместите все термины с левой стороны, а все остальные термины с правой стороны.Решение для
   

   
   и введите числовые значения:
   

Значение Почему конечная температура намного ближе к, чем к? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, следовательно, претерпевает меньшее изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры. Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико.Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

Проверьте свое понимание Если для повышения температуры породы необходимо 25 кДж, от какого количества тепла необходимо нагреть камень?

В хорошем приближении теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж. (Как мы увидим в следующем разделе, ответ был бы другим, если бы объект был сделан из некоторого вещества, которое меняет фазу где-то между и.)

Температурно-зависимая теплоемкость При низких температурах удельная теплоемкость твердых тел обычно пропорциональна. Первое понимание этого поведения было связано с голландским физиком Питером Дебаем, который в 1912 году рассмотрел атомные колебания с помощью квантовой теории, которую Макс Планк недавно использовал для излучения. Например, хорошее приближение для удельной теплоемкости соли NaCl: Константа 321 K называется температурой Дебая NaCl, и формула хорошо работает, когда Используя эту формулу, сколько тепла требуется для повышения температуры 24.0 г NaCl от 5 К до 15 К?

Решение Поскольку теплоемкость зависит от температуры, нам нужно использовать уравнение

Мы решаем это уравнение для Q путем интегрирования обеих частей:

Затем подставляем данные значения и вычисляем интеграл:

Значение Если бы мы использовали уравнение и удельную теплоемкость соли при комнатной температуре, мы получили бы совсем другое значение.

3.12: Расчет энергоемкости и теплоемкости

Цели обучения

• Связать теплопередачу с изменением температуры.

Тепло — знакомое проявление передачи энергии. Когда мы прикасаемся к горячему объекту, энергия перетекает от горячего объекта к нашим пальцам, и мы воспринимаем эту поступающую энергию как «горячий» объект. И наоборот, когда мы держим кубик льда в ладонях, энергия перетекает из руки в кубик льда, и мы воспринимаем эту потерю энергии как «холод». В обоих случаях температура объекта отличается от температуры нашей руки, поэтому мы можем сделать вывод, что разница температур является основной причиной теплопередачи.

Удельную теплоемкость вещества можно использовать для расчета изменения температуры, которому подвергнется данное вещество при нагревании или охлаждении. Уравнение, связывающее тепло \ (\ left (q \ right) \) с удельной теплоемкостью \ (\ left (c_p \ right) \), массой \ (\ left (m \ right) \) и изменением температуры \ (\ left (\ Delta T \ right) \) показан ниже.

\ [q = c_p \ times m \ times \ Delta T \]

Поглощаемое или выделяемое тепло измеряется в джоулях. Масса измеряется в граммах.Изменение температуры определяется выражением \ (\ Delta T = T_f — T_i \), где \ (T_f \) — конечная температура, а \ (T_i \) — начальная температура.

Каждое вещество имеет характерную удельную теплоемкость, которая выражается в единицах кал / г • ° C или кал / г • К, в зависимости от единиц, используемых для выражения Δ T .\text{o} \text{C} \right)\)»> 0.233

Направление теплового потока не отображается в heat = mc Δ T . Если энергия поступает в объект, общая энергия объекта увеличивается, и значения тепла Δ T положительны. Если энергия исходит из объекта, общая энергия объекта уменьшается, а значения тепла и Δ T являются отрицательными.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

A \ (15.0 \: \ text {g} \) кусок металлического кадмия поглощает \ (134 \: \ text {J} \) тепла, поднимаясь из \ (24.\ text {o} \ text {C} \]

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Какое количество тепла передается при нагревании блока металлического железа весом 150,0 г с 25,0 ° C до 73,3 ° C? Какое направление теплового потока?

Решение

Мы можем использовать heat = mc Δ T , чтобы определить количество тепла, но сначала нам нужно определить Δ T . Поскольку конечная температура утюга составляет 73,3 ° C, а начальная температура составляет 25,0 ° C, Δ T составляет:

Δ T = T _{конечный} — T _{начальный} = 73.\ circ C) = 782 \: cal} \]

Обратите внимание, как единицы измерения грамм и ° C отменяются алгебраически, оставляя только единицу калорий, которая является единицей тепла. Поскольку температура железа увеличивается, энергия (в виде тепла) должна переходить в металл .

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Какое количество тепла передается при охлаждении блока металлического алюминия массой 295,5 г с 128,0 ° C до 22,5 ° C? Какое направление теплового потока?

Ответ

Тепло уходит из алюминиевого блока.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Образец красновато-коричневого металла массой 10,3 г выделил 71,7 кал тепла при снижении его температуры с 97,5 ° C до 22,0 ° C. Какова удельная теплоемкость металла? Можете ли вы идентифицировать металл по данным в Таблице \ (\ PageIndex {1} \)?

Решение

Вопрос дает нам тепло, конечную и начальную температуры и массу образца. Значение Δ T составляет:

Δ T = T _{конечный} — T _{начальный} = 22.\ circ C)}} \)

c = 0,0923 кал / г • ° C

Это значение удельной теплоемкости очень близко к значению, приведенному для меди в таблице 7.3.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Кристалл хлорида натрия (NaCl) массой 10,7 г имеет начальную температуру 37,0 ° C. Какова конечная температура кристалла, если на него было подано 147 кал тепла?

Ответ

Сводка

Проиллюстрированы расчеты удельной теплоемкости.

Материалы и авторство

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

Учебник по физике

На предыдущих страницах этого урока мы узнали, что тепло — это форма передачи энергии от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Три основных метода теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение — подробно обсуждались на предыдущей странице.Теперь исследуем тему скорости теплопередачи. Эта тема имеет большое значение из-за частой необходимости увеличивать или уменьшать скорость теплового потока между двумя точками. Например, те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, постоянно ищут способы сохранить тепло в своих домах, не тратя слишком много денег. Тепло уходит из домов с более высокой температурой на улицу с более низкой температурой через стены, потолки, окна и двери. Мы прилагаем все усилия, чтобы уменьшить эти тепловые потери, улучшая изоляцию стен и чердаков, уплотняя окна и двери и покупая высокоэффективные окна и двери.В качестве другого примера рассмотрим производство электроэнергии. Бытовая электроэнергия чаще всего производится с использованием ископаемого топлива или ядерного топлива . Метод предполагает выработку тепла в реакторе. Тепло передается воде, и вода переносит тепло к паровой турбине (или другому типу электрического генератора), где вырабатывается электроэнергии . Задача состоит в том, чтобы эффективно передавать тепло воде и паровой турбине с минимально возможными потерями.Следует уделять внимание увеличению скоростей теплопередачи в реакторе и турбине и уменьшению скоростей теплопередачи в трубопроводах между реактором и турбиной.

Итак, какие переменные могут повлиять на скорость теплопередачи? Как можно контролировать скорость теплопередачи? Эти вопросы будут обсуждаться на этой странице Урока 1. Наше обсуждение будет ограничено переменными, влияющими на скорость теплопередачи за счет проводимости . После обсуждения переменных, влияющих на скорость теплопередачи, мы рассмотрим математическое уравнение, которое выражает зависимость скорости от этих переменных.

Разница температур

При теплопроводности тепло передается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой. Передача тепла будет продолжаться до тех пор, пока существует разница в температуре между двумя точками. Как только в двух местах достигается одинаковая температура, устанавливается тепловое равновесие и передача тепла прекращается. Ранее в этом уроке мы обсуждали передачу тепла для ситуации, когда металлическая банка с водой высокой температуры была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой.Если две пробы воды оснащены датчиками температуры, которые регистрируют изменения температуры во времени, то строятся следующие графики.

На графиках выше наклон линии представляет скорость, с которой изменяется температура каждой отдельной пробы воды. Температура меняется из-за передачи тепла от горячей воды к холодной. Горячая вода теряет энергию, поэтому ее наклон отрицательный. Холодная вода набирает энергию, поэтому ее наклон положительный.Скорость изменения температуры пропорциональна скорости передачи тепла. Температура образца изменяется быстрее, если тепло передается с высокой скоростью, и менее быстро, если тепло передается с низкой скоростью. Когда два образца достигают теплового равновесия, теплопередача прекращается и наклон равен нулю. Таким образом, мы можем рассматривать наклоны как меру скорости теплопередачи. Со временем скорость теплопередачи снижается. Первоначально тепло передается с высокой скоростью, что отражается на более крутых склонах.Со временем уклон линий становится менее крутым и более пологим.

Какая переменная способствует снижению скорости теплопередачи с течением времени? Ответ: разница температур между двумя емкостями с водой. Первоначально, когда скорость теплопередачи высока, горячая вода имеет температуру 70 ° C, а холодная вода имеет температуру 5 ° C. Разница температур в двух контейнерах составляет 65 ° C. Когда горячая вода начинает охлаждаться, а холодная вода начинает нагреваться, разница в их температурах уменьшается, и скорость теплопередачи уменьшается.По мере приближения к тепловому равновесию их температуры приближаются к одному и тому же значению. Когда разница температур приближается к нулю, скорость теплопередачи приближается к нулю. В заключение отметим, что на скорость кондуктивной теплопередачи между двумя местоположениями влияет разница температур между двумя местоположениями.

Материал

Первая переменная, которая, как мы определили, влияет на скорость кондуктивной теплопередачи, — это разница температур между двумя местами.Вторая важная переменная — это материалы, участвующие в передаче. В предыдущем описанном сценарии металлическая банка с водой с высокой температурой была помещена в чашку из пенополистирола, содержащую воду с низкой температурой. Тепло передавалось от воды через металл к воде. Важными материалами были вода, металл и вода. Что было бы, если бы тепло передавалось от горячей воды через стекло к холодной воде? Что бы произошло, если бы тепло было передано от горячей воды через пенополистирол к холодной воде? Ответ: скорость теплопередачи была бы другой.Замена внутренней металлической банки стеклянной банкой или чашкой из пенополистирола изменит скорость теплопередачи. Скорость теплопередачи зависит от материала, через который передается тепло.

Влияние материала на скорость теплопередачи часто выражается числом, известным как теплопроводность. Значения теплопроводности — это числовые значения, которые определяются экспериментально. Чем выше значение для конкретного материала, тем быстрее будет передаваться тепло через этот материал.Материалы с относительно высокой теплопроводностью называют теплопроводниками. Материалы с относительно низкими значениями теплопроводности называют теплоизоляторами. В таблице ниже приведены значения теплопроводности (k) для различных материалов в единицах Вт / м / ° C.

Материал		к		Материал	к
Алюминий (-ы)		237		Песок	0.06
Латунь (и)		110		Целлюлоза (и)	0,039
Медь (и)		398		Стекловата (и)	0.040
Золото		315		Вата (и)	0,029
Чугун (чугуны)		55		Овечья шерсть	0.038
Выводы		35,2		Целлюлоза (и)	0,039
Серебро		427		Пенополистирол (-ы)	0.03
Цинк (ов)		113		Дерево (-и)	0,13
Полиэтилен (HDPE)		0.5		Ацетон (л)	0,16
Поливинилхлорид (ПВХ)		0,19		Вода (л)	0.58
Плотный кирпич (и)		1,6		Воздух (г)	0,024
Бетон (низкая плотность)		0.2		Аргон (г)	0,016
Бетон (высокая плотность)		1,5		Гелий (г)	0.142
Лед		2,18		Кислород (г)	0,024
Фарфор (и)		1.05		Азот (г)	0,024

Источник: http://www.roymech.co.uk/Related/Thermos/Thermos_HeatTransfer.html

Как видно из таблицы, тепло обычно передается за счет теплопроводности со значительно более высокой скоростью через твердые вещества (а) по сравнению с жидкостями (l) и газами (g).Передача тепла происходит с максимальной скоростью для металлов (первые восемь пунктов в левом столбце), потому что механизм проводимости включает подвижные электроны (как обсуждалось на предыдущей странице). Некоторые твердые вещества в правом столбце имеют очень низкие значения теплопроводности и считаются изоляторами. Структура этих твердых тел характеризуется карманами захваченного воздуха, которые разбросаны между волокнами твердого тела. Поскольку воздух является отличным изолятором, воздушные карманы, расположенные между этими твердыми волокнами, придают этим твердым телам низкие значения теплопроводности.Одним из таких твердых изоляторов является пенополистирол, материал, используемый в изделиях из пенополистирола. Такие изделия из пенополистирола производятся путем вдувания инертного газа под высоким давлением в полистирол перед впрыском в форму. Газ заставляет полистирол расширяться, оставляя заполненные воздухом карманы, которые способствуют изоляционным свойствам готового продукта. Пенополистирол используется в холодильниках, изоляторах для пластиковых банок, термосах и даже пенопластах для утепления дома. Еще один твердый изолятор — целлюлоза.Целлюлозный утеплитель используется для утепления чердаков и стен в домах. Он изолирует дома от потери тепла, а также от проникновения звука. Его часто выдувают на чердаки как неплотно заполненный целлюлозный утеплитель . Он также применяется как стекловолокно (длинные листы изоляции на бумажной основе) для заполнения промежутков между стойками 2х4 внешних (а иногда и внутренних) стен домов.

Площадь

Другой переменной, влияющей на скорость теплопередачи, является площадь, через которую передается тепло.Например, передача тепла через окна домов зависит от размера окна. Через окно большего размера дом теряет больше тепла, чем через окно меньшего размера того же состава и толщины. Больше тепла будет потеряно из дома через большую крышу, чем через меньшую крышу с такими же изоляционными характеристиками. Каждая отдельная частица на поверхности объекта участвует в процессе теплопроводности. У объекта с большей площадью больше поверхностных частиц, которые проводят тепло.Таким образом, скорость теплопередачи прямо пропорциональна площади поверхности, через которую проходит тепло.

Толщина или расстояние

Последней переменной, которая влияет на скорость теплопередачи, является расстояние, на которое тепло должно проходить. Тепло, выходящее через чашку из пенополистирола, будет уходить через чашку с тонкими стенками быстрее, чем через чашку с толстыми стенками. Скорость теплопередачи обратно пропорциональна толщине чашки.То же самое можно сказать и о тепле, проводимом через слой целлюлозной изоляции в стене дома. Чем толще изоляция, тем ниже коэффициент теплопередачи. Те из нас, кто живет в более холодном зимнем климате, хорошо знают этот принцип. Нам говорят, что перед выходом на улицу нужно одеваться слоями. Это увеличивает толщину материалов, через которые передается тепло, а также задерживает воздушные карманы (с высокой изоляционной способностью) между отдельными слоями.

Математическое уравнение

На данный момент мы узнали о четырех переменных, которые влияют на скорость теплопередачи между двумя точками. Переменными являются разность температур между двумя местоположениями, материал, присутствующий между двумя местоположениями, площадь, через которую будет передаваться тепло, и расстояние, на которое оно должно быть передано. Как это часто бывает в физике, математическая связь между этими переменными и скоростью теплопередачи может быть выражена в форме уравнения.Рассмотрим передачу тепла через стеклянное окно изнутри дома с температурой T ₁ наружу с температурой T ₂ . Окно имеет площадь А и толщину d. Значение теплопроводности оконного стекла составляет k. Уравнение, связывающее скорость теплопередачи с этими переменными, равно

.

Ставка = k • A • (T ₁ — T ₂ ) / d

Единицы измерения скорости теплопередачи — Джоуль в секунду, также известная как ватт.Это уравнение применимо к любой ситуации, в которой тепло передается в том же направлении через плоскую прямоугольную стенку . Он применяется к проводимости через окна, плоские стены, наклонные крыши (без какой-либо кривизны) и т. Д. Несколько иное уравнение применяется к проводимости через изогнутые стены, такие как стены банок, стаканов, стаканов и труб. Мы не будем здесь обсуждать это уравнение.

Пример задачи

Чтобы проиллюстрировать использование приведенного выше уравнения, давайте вычислим скорость теплопередачи в холодный день через прямоугольное окно, равное 1.2 м шириной и 1,8 м высотой, имеет толщину 6,2 мм, значение теплопроводности 0,27 Вт / м / ° C. Температура внутри дома 21 ° C, а температура снаружи -4 ° C.

Чтобы решить эту проблему, нам нужно знать площадь окна. Будучи прямоугольником, мы можем вычислить площадь как ширину • высоту.

Площадь = (1,2 м) • (1,8 м) = 2,16 м ² .

Также нужно будет обратить внимание на единицу по толщине (d).Он указывается в сантиметрах; нам нужно будет преобразовать в единицы метры, чтобы единицы были совместимы с единицами k и A.

d = 6,2 мм = 0,0062 м

Теперь мы готовы рассчитать коэффициент теплопередачи, подставив известные значения в приведенное выше уравнение.

Скорость = (0,27 Вт / м / ° C) • (2,16 м ² ) • (21 ° C — -4 ° C) / (0,0062 м)
Скорость = 2400 Вт (округлено от 2352 Вт)

Полезно отметить, что значение теплопроводности окна дома намного ниже, чем значение теплопроводности самого стекла.Теплопроводность стекла составляет около 0,96 Вт / м / ° C. Стеклянные окна представляют собой двух- и трехкамерные окна со слоем инертного газа низкого давления между стеклами. Кроме того, на окна наносятся покрытия для повышения эффективности. В результате возникает ряд веществ, через которые должно последовательно проходить тепло, чтобы выйти из дома (или в него). Как и электрические резисторы, включенные последовательно, ряд термоизоляторов оказывает аддитивное влияние на общее сопротивление, оказываемое потоку тепла.Накопительный эффект различных слоев материалов в окне приводит к общей проводимости, которая намного меньше, чем у одиночного стекла без покрытия.

Урок 1 этой главы по теплофизике посвящен значениям температуры и тепла. Особое внимание было уделено развитию модели частиц материалов, которая способна объяснить макроскопические наблюдения. Были предприняты попытки развить твердое концептуальное понимание темы в отсутствие математических формул.Это прочное концептуальное понимание сослужит вам хорошую службу по мере того, как вы подойдете к Уроку 2. Глава станет немного более математической, поскольку мы исследуем вопрос: как можно измерить количество тепла, выделяемого системой или получаемого ею? Урок 2 будет относиться к калориметрии.

Проверьте свое понимание

1. Предскажите влияние следующих изменений на скорость передачи тепла через прямоугольный объект, заполнив пробелы.

а. Если площадь, через которую передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость передачи тепла ________________ (увеличивается, уменьшается) в _________ раз (число).

г. Если толщина материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если толщина материала, через который передается тепло, уменьшается в 3 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

г. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, увеличивается в 5 раз, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

e. Если теплопроводность материала, через который передается тепло, уменьшается в 10 раз, то скорость передачи тепла составляет ________________ в _________ раз.

ф. Если разница температур на противоположных сторонах материала, через который передается тепло, увеличивается в 2 раза, то скорость теплопередачи составляет ________________ в _________ раз.

2. Используйте информацию на этой странице, чтобы объяснить, почему слой жира толщиной 2–4 дюйма на белом медведе помогает согреть белых медведей в холодную арктическую погоду.

3. Рассмотрим приведенный выше пример проблемы. Предположим, что место, где расположено окно, заменено стеной с толстым утеплителем. Теплопроводность той же площади будет уменьшена до 0,0039 Вт / м / ° C, а толщина увеличится до 16 см.Определить скорость теплопередачи через эту площадь 2,16 м ² .

17. ТЕПЛО И ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

17,1. Тепло

Два тела, попавшие в тепловой контакт, будут изменять свою температуру до тех пор, пока находятся при одинаковой температуре. В процессе достижения тепловых равновесие , тепло передается от одного тела к другому.

Предположим у нас есть интересующая система при температуре TS в окружении среды с температурой TE. Если TS> TE тепло идет от система в окружающую среду. Если TS

Рисунок 17.1. Тепловой поток.

Тепло это не единственный способ передачи энергии между системами. и его окружение. Энергия также может передаваться между системами и его окружение с помощью работы (W). Единица работы — Джоуль.

Другой обычно используемая единица — калория.Калорийность определяется как количество тепла. это повысит температуру 1 г воды с 14,5 C до 15,5 C. Джоуль и калорийность связаны следующим образом: 1 кал = 4,1860 Дж

17,2. Теплоемкость

Когда к объекту добавляется тепло, увеличивается его температура. Изменение температура пропорциональна количеству добавленного тепла

Константа C называется теплоемкостью объекта.Теплоемкость объект зависит от его массы и типа материала, из которого он изготовлен. В теплоемкость объекта пропорциональна его массе, и тепла емкость на единицу массы , c. В таком случае

где m — масса объекта. Молярная теплоемкость — это теплоемкость на моль материала. Для У большинства материалов молярная теплоемкость составляет 25 Дж / моль К.

В для определения теплоемкости вещества нам не только нужно знать, сколько тепла добавлено, а также условия, при которых перевод состоялся. Для газов, добавление тепла при постоянном давлении и при постоянной температуре приведет к очень разным значениям удельная теплоемкость.

17,3. Пламя трансформации

Когда тепло добавляется к твердому телу или жидкости, температура образца делает не обязательно вставать.Во время фазового перехода (плавление, кипение) нагревают добавляется к образцу без повышения температуры. Количество тепла, передаваемого на единицу массы во время фазового перехода, называется теплотой преобразования (символ L) для процесса. Количество необходимого / отпущенного тепла составляет

где m — масса образца.

Проблема 28П

Что массу пара 100C необходимо смешать со 150 г льда при 0C, в термически изолированный контейнер для производства жидкой воды при температуре 50C?

ср начните с расчета количества тепла, необходимого для преобразования 150 г льда при 0 ° C в 150 г. жидкости при 0С.Теплота превращения воды 333 кДж / кг (см. Таблица 20-2, стр. 555). Превращение льда в вода, следовательно, требует общего тепла, отдаваемого

дается тепло, необходимое для изменения температуры 150 г воды с 0C до 50C по

Таким образом, общее количество тепла, которое необходимо добавить в систему, равно 81,5. кДж. Это тепло должно передаваться паром. Будет выпущено тепло когда пар превращается в жидкость, теплота превращения для этого процесса составляет 2260 кДж / кг.Предположим, что масса пара равна м. Общее количество тепла, выделяемого при преобразовании пара в воду дается

тепло, выделяемое при охлаждении пара с 100 ° C до 50 ° C, определяется параметром

Таким образом, общее количество тепла, выделяемого при охлаждении пара, равно 2470 м кДж. Общее необходимое количество тепла составляет 81,5 кДж, поэтому мы заключаем что масса пара должна быть равна 33 г.

17,4. Работа

Предположим система запускается из начального состояния, описываемого давлением pi, объемом Vi и температурой Ti. Конечное состояние системы описывается давлением pf, объемом Vf и температурой Tf. Переход от начального состояния к конечному может можно достичь разными способами (см., например, рисунок 17.2). В На рис. 17.2a давление и объем изменяются одновременно.На рисунке 17.2b сначала понижают давление в системе при сохранении объема постоянным (это может быть достигнуто, например, охлаждением образца), а затем, объем увеличивается при постоянном давлении (это может быть достигается за счет нагрева газа при увеличении объема).

Если давление газа увеличивается, он может перемещать поршень (это происходит в двигатель). В этом случае работа выполняется системой по мере подъема расширяющихся газовых лифтов. поршень.С другой стороны, если мы увеличим вес поршня, работа над системой будет производиться по мере того, как поршень опускается. Сила проявляется газом на поршне равна p A, где A — площадь поршневой, p — давление газа. Если поршень смещается расстояние ds, объем проделанной работы можно рассчитать следующим образом:

Рисунок 17.2. Два возможных способа добраться от начальное состояние в конечное состояние.

В общая работа, выполняемая во время конечного перемещения поршня, теперь легко для расчета

Если W положительный, работа была выполнена системой (например, расширяющаяся газ поднимает поршневой). Отрицательное значение W говорит о том, что работают было сделано по системе (поршень прижимается, чтобы сжать газ).

объем проделанной работы равен площади под кривой на диаграммах pV показано на рисунке 17.2. Очевидно, что объем проделанной работы зависит от выбранный путь. Работа W для пути, показанного на рисунке 17.2a, равна значительно больше, чем работа W для пути, показанного на рисунке 17.2b. Любой изменение в системе, в которой объем не меняется, не будет производить / стоить любая работа. Работа, проделанная для путей, показанных на рисунке 17.2, может быть легко рассчитывается

Нет работа выполняется для пути, показанного на рисунке 17.2b между (pi, Vi) и (pf, Vi), поскольку нет изменения громкости.Работа сделано для перехода от (pf, Vi) к (pf, Vf) вычисляется легко

Очевидно, W2b всегда меньше W2a, и мы можем сделать объем проделанной работы настолько малым или большим, насколько захотим. Для пример, никакая работа не будет выполнена, если переход будет происходить по следующему пути:

(пи, Vi) (0, Vi) (0, Vf) (pf, Vi)

А система может быть переведена из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью бесконечное количество процессов.В общем, работа W, а также тепло Q будет иметь разные значения для каждого из этих процессов. Мы говорят, что тепло и работа — величин, зависящих от пути.

От предыдущее обсуждение ни Q, ни W не представляет собой изменение некоторых внутренних свойства системы. Однако экспериментально наблюдается что величина Q — W одинакова для всех процессов. По-разному только на начальном и конечном состояниях и неважно на каком пути следует, чтобы перейти от одного к другому.Величина Q — W называется изменение внутренней энергии U системы:

U = Uf — Ui = Q — W

Это Уравнение называется первым законом термодинамики . Для небольших изменений первый закон термодинамики можно переписать как

dU = dQ — dW

17.4.1. Адиабатические процессы

Если система хорошо изолирована, теплообмен между ней и его окружение.Это означает, что Q = 0, и первое начало термодинамики показывает, что

U = — W

Если работа совершается системой (положительная W), ее внутренняя энергия уменьшается. Наоборот, если над системой выполняется работа (отрицательная W), ее внутренняя энергия увеличивается. Для газов, внутренняя энергия связана с температурой: более высокая внутренняя энергия энергия означает более высокую температуру. Адиабатическое расширение газа понижает его температуру; адиабатический сжатие газа повысит его температуру .

17.4.2. Процессы постоянного объема

Если объем системы остается постоянным, система не может работать (W = 0 Дж). Первый закон термодинамики показывает, что

U =

кв.

Если в систему добавляется тепло, увеличивается ее внутренняя энергия; если тепло удаляется из системы, его внутренняя энергия уменьшится .

17.4.3. Циклические процессы;

Процессы которые после определенных обменов тепла и работы возвращаются к своему начальное состояние называют циклическими процессами.В этом случае нет собственных свойства системы изменяются, поэтому U = 0. Первый закон термодинамики немедленно дает

Q =

Вт

17.4.4. Бесплатное расширение

Бесплатно расширение — это адиабатический процесс, в котором никакая работа не выполняется система. Это означает, что Q = W = 0 J и первый закон термодинамики теперь требует, чтобы

U = 0 J

17.5. Передача тепла

передача тепла между системой и окружающей средой может происходить разными способами. Три разных механизма теплопередачи Теперь мы обсудим: проводимость, конвекцию и излучение.

17.5.1. Проводимость

Рассмотрим плиту материала, показанную на рис. 17.3. В левый конец балки поддерживается при температуре TH; правый конец балки выдерживается при температуре ТС.В результате разницы температур тепло будет течь через плиту от горячего конца к холодному. Экспериментально показано, что скорость теплопередачи (Q / t) пропорциональна площадь поперечного сечения плиты, пропорциональная разности температур, и обратно пропорциональна длине плиты

Здесь, k — коэффициент теплопроводности , , постоянная величина, зависящая от типа материала.Большой значения k определяют хорошие проводники тепла. Тепловое сопротивление R связано с теплопроводностью k следующим образом: манера

Рисунок 17.3. Проведение.

Таким образом, чем ниже теплопроводность материала, тем выше тепловая сопротивление R. Из определения R сразу следует, что

Рассмотреть композитная плита состоит из двух разных материалов с длиной L1 и L2, а с теплопроводностью k1 и k2, помещается между двумя термостатами (см. рисунок 17.4). Предполагать что температура поверхности раздела между двумя плитами равна Tx. Количество тепла, поступающего от TH к Tx, равно

.

количество тепла, протекающего от Tx до TC присваивается

Оф Конечно, тепло, протекающее через плиту 1, должно равняться теплу, протекающему через плита 2. Таким образом,

Рисунок 17.4. Передача тепла через композитную плиту.

Это уравнение можно использовать для получения температуры на границе раздела между плита 1 и плита 2:

теплоту, протекающую через плиту, теперь можно легко рассчитать

А композитная плита поэтому имеет тепловое сопротивление, равное сумме термическое сопротивление каждой отдельной плиты.

17.5.2. Конвекция

Тепло перенос конвекцией происходит, когда жидкость, такая как воздух или вода, при контакте с объектом, температура которого выше, чем температура своего окружения. Температура жидкости увеличивается и (в в большинстве случаев) жидкость расширяется. Быть менее плотным, чем окружающий более прохладная жидкость, она поднимается из-за выталкивающей силы. Окружающая более холодная жидкость опускается, чтобы занять место поднимающейся более теплой жидкости и конвективного тираж налажен.

17.5.3. Радиация

Каждые объект излучает электромагнитное излучение. Энергетический спектр испускаемого излучения зависит от температуры объекта; средняя энергия увеличивается при повышении температуры.

Проблема 57П

А емкость с водой находилась на открытом воздухе в холодную погоду до толщины 5,0 см. на его поверхности образовалась глыба льда.Воздух над льдом -10С. Рассчитайте скорость образования льда (в сантиметров в час) на нижней поверхности ледяной плиты. Брать теплопроводность льда — 0,0040 кал / с. см . C и плотность должна быть 0,92 г / см3.

вода на границе между водой и льдом будет иметь температуру 0С. В тепло, передаваемое через 5 см льда, равно

Это тепло выделяется, когда вода превращается в лед.Жара трансформация этого процесса составляет 79,5 кал / г. Предположим, что масса m равна вода каждую секунду превращается в лед. Это дает всего тепло равно

H = 79,5 м кал / с

Это должно быть равно тепловому потоку через лед:

79,5 m = 0,0080 А

А масса льда m (покрывающая площадь A) будет иметь толщину d, где d — предоставлено

Объединение последние два выражения получаем для скорости образования льда:

Комментарии, вопросы и / или предложения направляйте по электронной почте на адрес wolfs @ pas.rochester.edu и / или посетите домашнюю страницу Фрэнка Волки.

Как рассчитать теплопотери

Вы когда-нибудь задумывались, как рассчитать тепловые потери? В этой статье, опубликованной в журнале Process Heating, рассматриваются основные принципы теплопередачи, а также расчеты, которые используются для труб и сосудов. Подробнее читайте здесь.

На Рисунке 1 (ниже) показано сечение типичной системы трубопроводов. Он состоит из трубы, утеплителя, погодного барьера и промежутков между каждым слоем.Если труба и ее содержимое теплее окружающей среды, тепло будет передаваться от трубы к воздуху. Если от трубы передается достаточно тепла, содержимое трубы может утолщаться или затвердеть, что приведет к повреждению труб или насосного оборудования. Тепло передается от одного объекта к другому почти так же, как вода. Объекты с неравными температурами в тепловой системе стремятся к тепловому равновесию. Более горячий объект передает часть своего тепла более холодному объекту до тех пор, пока объекты не станут той же температуры.Тепло может передаваться посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

Проводимость

Электропроводность определяется как передача тепла или электричества через проводящую среду посредством прямого контакта. Скорость теплопередачи зависит от того, какое сопротивление существует между объектами с разными температурами. Во многих случаях желательна передача тепла от одной среды к другой. Приготовление пищи — это повседневный пример предполагаемой теплопередачи. Кроме того, большинство электронных компонентов работают более эффективно, если избыточное тепло, выделяемое оборудованием, отводится в среду, на которую не влияет добавление тепла.

Действует ли вещество как теплопроводник или изолятор, зависит от терморезистивных свойств вещества. Тепловое сопротивление (R) — это мера способности объекта задерживать теплопередачу за счет теплопроводности через заданную толщину вещества.

Математически R равно: R = L / k, где L — толщина изоляции в дюймах, а k — теплопроводность, (BTU) (дюйм) / (фут2) (oF) (ч)

Изменение толщины (L) влияет на значение R или тепловое сопротивление изоляции.Значения K — это константы, которые зависят от физических свойств данного материала. Они измеряют способность материала передавать тепло. Некоторые общие значения K, измеренные при комнатной температуре, для материалов составляют 325,300 для стали, 2750,700 для меди, 0,250 для стекловолокна и 0,167 для воздуха. Новый призыв к действию

Конвекция

Потери из-за конвекции могут быть незначительными в системе без обширных расчетов. В любой трубопроводной системе существуют небольшие воздушные зазоры между поверхностной стеной и изоляцией.Воздушные зазоры обычно небольшие — менее одной десятой дюйма — и препятствуют потоку воздуха, который ограничивает конвекцию. Хотя небольшие воздушные зазоры не влияют на потерю тепла за счет конвекции, их терморезистивные свойства следует проанализировать, чтобы определить вклад в потери тепла в системе за счет теплопроводности.
Для иллюстрации предположим, что труба, показанная на рисунке 1, состоит из стекловолоконной изоляции толщиной 1 дюйм, а воздушный зазор между стенкой трубы и изоляцией составляет 0,05 дюйма. Используя уравнение значения R, вы можете рассчитать сопротивление изоляции и воздушный зазор.Соотношение двух сопротивлений указывает на то, что изоляция оказывает наибольшее влияние на общее тепловое сопротивление, а незначительные дефекты в применении изоляции минимальны.

Процент сопротивления за счет воздушного зазора равен 0,299, деленному на 4,299, или 6,95 процента.

Радиация

Потеря тепла из-за излучения происходит в результате передачи тепла высокоэнергетическими молекулами посредством волн или частиц. Для значительных потерь тепла из-за излучения более горячая поверхность должна быть значительно выше температуры окружающей среды — намного выше, чем наблюдается в типичных применениях с обогревом.Следовательно, потерями тепла из-за излучения можно пренебречь.
На практике при низких и средних температурах конвекция и излучение составляют около 10 процентов общих тепловых потерь системы. Добавив 10 процентов, можно вычислить общую формулу для расчета теплопотерь системы через теплопроводность, конвекцию и излучение.

Расчет тепловых потерь на плоской поверхности

Термин «потеря тепла» обычно относится к теплопередаче объекта в окружающую среду.Это означает, что рассматриваемый объект — например, стена — имеет температуру выше температуры окружающей среды (рис. 2). Математически формула для расчета теплопотерь системы за счет теплопроводности, выраженная в БТЕ / час:

Q = (U) (A) (T)

, где U — проводимость, БТЕ / (фут) ² ( ^o F) (час)

A — площадь поверхности объекта, ft ²
ΔT — разница температур (T1 -T2), ^o F
Проводимость — это величина, обратная сопротивлению, R, и может быть выражена как U = 1 / R или U = k / L.

Следовательно, другой способ выразить основную теплопотери (Q):

Q = [(k) (A) (ΔT) (1.1)] / л Потери тепла, БТЕ / час

БТЕ и ватт: сравнение.

Приведенное выше уравнение вычисляет тепловые потери всей плоской площади в БТЕ / час, но электричество обычно продается в киловатт-часах. Следовательно, уравнение требует коэффициента преобразования для преобразования БТЕ в ватты. Один ватт равен 3,412 БТЕ. Изменение уравнения дает новую формулу:

Q = [(k) (A) (ΔT) (1.1)] / (3,412) (л) Потери тепла, Вт / ч

Не можете получить достаточно информации? Подробнее читайте здесь.

No related posts.