Строительная теплотехника

РЕФЕРАТ

  Расчёт температурного поля и количества аккумулированной теплоты 
при тепловой обработке влажного одномерного тела. Курсовая работа / Маркевич В.А. ПСИиК-4. — Гродно: ГрГУ, 2012 — 16 стр., 1 табл. Ключевые слова: теплопроводность, тепловое излучение, конвекция, метод конечных разностей.

  Содержит: общие положения теории, описание метода расчёта, расчёт температурного поля, количества аккумулированной теплоты.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ОГЛАВЛЕНИЕ                                                                                             Стр

 

ВВЕДЕНИЕ 5

ОСНОВНЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ 6

РАСЧЕТ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ 10

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ  РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 9

ТАБЛИЦА 1 15

ПОСТРОЕНИЕ  ГРАФИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 16

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Строительная физика - совокупность научных дисциплин (разделов 
прикладной физики), рассматривающих физические явления и процессы, 
связанные со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, и разрабатывающих методы соответствующих инженерных расчётов [1].

Основными и наиболее развитыми  разделами строительной физики являются строительная теплотехника, строительная акустика, строительная светотехника, изучающие закономерности переноса тепла, передачи звука и света. Получили развитие и другие разделы строительной физики — теория долговечности строительных конструкций и материалов, строительная климатология, строительная аэродинамика.

При решении задач строительной физики используются: теоретические  расчёты на основе устанавливаемых  общих закономерностей; методы моделирования, с помощью которых исследуемые процессы воспроизводятся или в измененном масштабе, или на базе известных аналогий; лабораторные испытания элементов.

Строительная теплотехника - научная дисциплина, рассматривающая  процессы передачи тепла, переноса влаги и проникновения воздуха в здания и конструкции и разрабатывающая инженерные методы расчёта этих процессов. В строительной теплотехнике используются данные смежных научных областей (теории тепло- и массообмена, физической химии, термодинамики необратимых процессов и др.), методы моделирования и теории подобия (в частности, для инженерных расчётов переноса тепла и вещества), обеспечивающие достижение практического эффекта при разнообразных внешних условиях в различных соотношениях поверхностей

При изучении влажностного состояния конструкций в строительной теплотехнике рассматриваются процессы переноса влаги, происходящие под влиянием разности потенциалов переноса. Перенос влаги в пределах гигроскопической влажности материалов происходит в основном вследствие диффузии в парообразной фазе и в адсорбированном состоянии; за потенциал переноса в этом случае принимается парциальное давление водяного пара в воздухе, заполняющем поры материала.

 

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ  ТЕОРИИ

Обмен между тепами (физическими  средами) происходит самопроизвольно в направлении от более нагретого к менее нагретому. В реальных условиях теплообмен является сложным процессом.

При теплопроводности перенос  теплоты происходит за счет соударений и диффузии частиц тел. а также квантов упругих колебаний кристаллических решеток - фононов - при макроскопической неподвижности всей массы вещества Процесс теплопроводности может протекать при условии, что в разных точках тела температура неодинакова

Конвекцией называется перенос  теплоты при перемещении объемов  газа или жидкости в пространстве. Практически чистого конвективного  переноса тепла не бывает. Поскольку  движущиеся части жидкости или газа находятся в соприкосновении с менее нагретыми то конвективный перенос тепла всегда сопровождается и теплопроводностью, и такой процесс переноса тепла называется конвективным теплообменом. Если жидкость (под жидкостью понимают не только капельное, но и газообразное состояние вещества) вступает в контакт с поверхностью твердого тела, имеющего другую температуру, протекающий процесс обмена тепловой энергией называется конвективной теплоотдачей.

В свободной конвекции  движущая сила обусловлена разностью  плотностей жидкости, вызванной ее контактом с поверхностью, имеющей другую температуру, вследствие чего возникают 'подъемные силы.

 Если движение отдельных  частей подвижной среды происходит  под действием внешних усилий (мешалок, насосов и др). то такая конвекция называется вынужденной

Тепловое излучение - это  перенос энергии с помощью  электромагнитных волн инфракрасной части  светового спектра. Источником инфракрасных волн является сложное колебательное движение заряженных частиц тела -электронов и ионов. Количество энергии переносимое от поверхности в виде теплового излучения, зависит от абсолютной температуры и свойств поверхности.

Теплообмен между твердым  телом и окружающей его средой может происходить одним из рассмотренных трех способов лишь в отдельных случаях. В большинстве случаев передачи тепла участвуют одновременно всетри способа передачи тепла. При этом один или два из способов преобладают. Процесс теплообмена, когда тепло передается одновременно несколькими способами. называется сложным теплообменом.

В общем случае процессы теплообмена могут сопровождаться фазовыми переходами, химическими реакциями  и переносом массы. Массообмен - самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем концентрации (химического потенциала).

Аналитическое исследование процесса теплопроводности сводится к  изучению пространственно-временного изменения температуры, т е к нахождению зависимости значения температуры от времени и координат тела. Таким образом, можно сказать, что температурное поле есть совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства (объекта) для каждого момента времени.

При тепловлажностной обработке  выделяют 3 вида теплового взаимодействия поверхности твердого тела с окружающей средой, которые называют граничными условиями (ГУ). По своему физическому смыслу ГУ отражают баланс теплоты на границе раздела твердой и газовой фаз.

При ГУ I рода задается распределение  температуры на поверхности тела как функция координат и времени. К ГУ I рода можно отнести задачи разогрева и охлаждения системы при весьма интенсивном теплообмене на поверхности, когда температура поверхности близка к температуре окружающей среды или при заданном изменении температуры на границе когда скорость подъема температуры можно обеспечить только регулированием количества подаваемого пара. Тогда температура поверхностного слоя будет рассчитываться по линейному закону.

При ГУ II рода задается распределение  теплового потока по поверхности  тела как координат и времени.

При ГУ III рода на поверхности  тела задается зависимость теплового  по-

тока вследствие теплопроводности со стороны тела от температуры поверхности тела и окружающей среды.

 

Из численных методов  в настоящее время наиболее широко применяются метод конечных элементов  и метод конечных разностей. Метод  конечных элементов. хотя и более прогрессивен, предполагает знание ряда математических понятий из функционального анализа.

В практических расчетах для  решения инженерных задач нагрева  тел при нестационарных условиях наиболее часто используют метод  конечных разностей, позволяющий учитывать изменяющиеся во времени граничные условия (ГУ).

Сущность метода конечных разностей заключается в том. что непрерывный процесс теплообмена заменяют скачкообразным как в пространстве так и во времени. При этом дифференциальное уравнения теплопроводности заменяют уравнением в конечных разностях.

 

При этом уравнение приобретает  вид в котором будущая температура  в рассматриваемой узловой точке  является функцией времени, настоящей  температуры в рассматриваемой точке и настоящей температуры в соседних точках в результате получаем замкнутую систему уравнений, решение которых сводится к выполнению простых алгебраических действий.

В применении к плоской стенке рассматриваемый метод состоит в следующем: стенку делят на слои одинаковой толщины, обозначаемые номерами m-l. m, m-1 и т д. температура по сечению которых одинакова. Время также разбивается на промежутки . обозначаемые номерами к. к+1 и т.д. 
Температурная кривая для плоской стенки при двухстороннем подводе теплоты будет иметь симметричный вид. представленный на рисунке.

Решение уравнения (1) имеет  вид

Если промежутки времени и толщины слоев выбрать таким образом. чтобы

 

выражение (2) примет вид

 

Уравнение (4) позволяет определить температуру в любом слое (кроме  поверхностных) через интервал времени  . Температура же в поверхностных слоях рассчитывается в зависимости от характера теплового воздействия окружающей среды на поверхность тела (ГУ).

 

РАСЧЕТ НАЧАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Исходные данные

Вариант 2

 

Толщина панели δ=0,4 м

Начальная температура панели Т₀=14 ºС=287 К

Коэффициент теплопроводности λ=1,3 Вт/(м*К)

Удельная теплоемкость с=0.9 кДж/(кг-С)

Плотность р=1800 кг/м³

Давление пара P=0,075 МПа

Коэффициенты b₁=15C/ч b₂=20С/ч

Коэффициент температуропроводности

 

Стенку разделим на 11 слоев толщиной

 

Временной интервал

 

 

 

 

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

1. Температуру всех слоев  в момент времени 0 принимаем  Т₀

2. При давлении пара Р=0,075MПа, из приложения 2, Т=91,6⁰С

По условию задачи плотность  потока тепла с двух сторон панели остается неизменной на протяжении всего времени нагрева.

3. Определим температуру поверхностного слоя с двух сторон панели

 

 

Где:

  b_1, b₂  - Коэффициенты

  – Временной интервал

4. Определим температуру внутренних слоев в момент времени k+1, где k – предыдущий интервал времени.

 

Повторяем пункты 3-4 для всех последующих значений времени.

5. Определим количество теплоты, аккумулированной всеми слоями стенки

 

=·1·1 объем одного слоя в панели

 температура  слоя в данный момент времени  (К)

 температура  этого же слоя в прошедший  момент времени (К)

Результаты расчета сводим в таблицу 1.

ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

Температурное поле

 

Поглощение теплоты стенок от времени

 

СПИСТОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Лыков А. В., «Теоретические основы строительной теплофизики» - Минск,1961

2.Лыков А. В. «Теория теплопроводности» - М., 1967.

3.Сырица Г. В. Методические указания к курсовому проекту.