Определение коэффициента теплопередачи материалов

Для чего подбирают определенную толщину стены дома? 

 Естественно для обеспечения необходимых условий проживания: 

— прочности и устойчивости; 
— её теплотехнических характеристик; 
— комфортности проживания в помещении со стенами из данного материала. 

Согласно СНИПу 23-02-2003 нормативное значение сопротивления теплопередаче внешней стены дома зависит от региона. В таблице  необходимое сопротивление теплопередаче наружней стены в Красноярске будет 4,84 м2·°C/В.  

Вычисляем реальное сопротивление теплопередачи стены дома

Значение коэффициента теплопередачи стен зависит от типа и толщины каждого отдельно взятого материала, используемого для их возведения. Для определения этого коэффициента используют показатель Λ — W/(m²·K), т.е нужно разделить толщину материала (м) на коэффициент теплопроводности.

Пример:
Определим коэффициент теплопередачи наружней стены из 3D-панелей

Пенополистирол ПСБ-С-25 — 300 мм

Цементная штукатурка — 250 мм

1. В первую очередь следует определить коэффициенты теплопроводности применяемых материалов. Выбираем из таблицы:
пенополистирол ПСБ-С25   — 0,038  Вт/м*К
штукатурка цементная            — 0,9 Вт/м*К

2. Теперь определяем коэффициенты сопротивления теплопередачи по формуле:

R =D/λ, где D — толщина слоя в м;  λ — коэффициент теплопроводности W/(m²·K) взятый из таблицы

0,30 / 0,038 = 7,89
0,25 / 0,9 = 0,28 

3. Теперь просуммируем полученные величины и узнаем общий коэффициент сопротивление теплопередачи наружней стены 7,89 + 0,28 = 8,17 W/(m²·K)

Коэффициент сопротивление теплопередачи наружной стены из 3D-панелей  8,17 W/(m²·K) Рекомендуемое значение для Красноярска 4,84 (из таблицы), таким образом стена из 3D-панелей не только удовлетворяет «строгому» СНиП 23-02-2003, но и превосходит этот показатель, что гарантирует комфортное проживание в таком доме и позволяет экономить ваши деньги на отоплении и кондиционировании.

Определяем толщину стены из других строительных материалов что бы она соответствовала коэффициенту сопротивление теплопередачи наружней стены 8,17 W/(m²·K), как в 3D-панелях.

Используем формулу: D=λ*R, где
D — толщина слоя в м;
λ — коэффициент теплопроводности, W/(m²·K) взятый из таблицы;
R — Коэффициент сопротивление теплопередачи, м2 °С/Вт (в нашем случае это 8,17)

Мы видим из таблицы, что при одинаковом коэффициенте сопротивление теплопередачи 8,17 м2 °С/Вт толщина стен из различных строительных материалов разная, что влияет на размеры и стоимость дома.

Толщина стен из 3D-панелей 550 мм, а если взять кирпич без утеплителя то нужно стоить стену толщиной 7110 мм.

Таблица требуемого сопротивления теплопередачи стен жилых зданий для регионов России

Общие коэффициенты теплопередачи

Теплопередача через поверхность, подобную стене ), BTU/H)

U = Общий коэффициент теплопередачи (W/(M ² K), BTU/(FT ² H ^O F) )

. A = площадь стены (м ² , FT ² )

DT = (T ₁ — T ₂ )

= Разница температуры по стене ( ^O C, ^O F)

C, ^O F)

9002 9002 C, ^O F)

9002 9002 . общий коэффициент теплопередачи для многослойной стенки, трубы или теплообменника — с потоком жидкости с каждой стороны стенки — можно рассчитать как

1 / U A = 1 / ч _ci A _i + Σ (с _н / к _н А _n ) + 1 / h _co A _o                                      (2)

where

U = the overall heat transfer coefficient (W/(m ² K ,), BTU/(FT ² H ^O F) )

K _N = тепловая проводимость материала в слое N (W/(M K), = тепловая проводимость материала в уровне N (W/(M K), . БТЕ/(час фут °F) )

H _{C I, O} = Внутренняя или наружная стена Индивидуальная конветация (W/W/(M ^{2 777777777 гг. (FT 2 H O F)} )

S _N = Толщина слоя N (M, FT)

8

A RATE STAPE SAPE с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой с районой. слои — можно упростить до

1 / u = 1 / h _Ci + σ (S _N / K _N ) + 1 / H _CO (3)

Термопроизводство — K — для некоторые типичные материалы (не то, чтобы проводимость была свойством, зависящим от температуры)

• Полипропилен ПП: 0,1–0,22 Вт/(м·К)
• Нержавеющая сталь: 16–24 Вт/ (м·К)
• Алюминий : 205 — 250 Вт/ (M k)

Преобразование между метрическими и имперскими единицами

• 1 W/(M K) = 0,5779 1 W/(M k) = 0,5779 1 W/(M K) = 0,5779 BTU/FT H 1 W/(M K) = 0,5779 BTU/FT H . )
• 1 W/(m ² K) = 0.85984 kcal/(h m ^{2 o} C) = 0.1761 Btu/(ft ² h ^o F)

• Кондуктивная теплопередача
• Теплопроводность широко используемых материалов

Коэффициент конвекционной теплопередачи — ч — зависит от

• типа жидкости — если это газ или жидкость
• свойства потока, такие как скорость
• другие свойства, зависящие от потока и температуры

коэффициент конвективной теплопередачи для некоторых Обычные жидкости:

• воздух — от 10 до 100 Вт/м ² K
• Вода — от 500 до 10 000 Вт/м ² K

Многослойные стены.0269

Этот калькулятор можно использовать для расчета общего коэффициента теплопередачи и теплопередачи через многослойную стену. Калькулятор является универсальным и может использоваться для метрических или имперских единиц, если использование единиц является последовательным.

A — Площадь (M ² , FT ² )

T ₁ — Температура 1 ( ^O C, ^O F)

T ₂ —

T ₂ —

T ₂ —

T ₂ —

T _{2 —}

T —

9 температура 2 ( ^O C, ^O F)

H _CI — Коэффициент конвективной теплопередачи внутри стены (W/(M ² K), Btu/(Ft ^{20202020202020202020202020202020202020202020202020202020202020202 2} H ^O F) )

S ₁ — Толщина 1 (M, FT)

K ₁ — Термическая проводимость 1 9003 (W/W/W/W/ ₁ — Термопроизводство 1 9003 (W/W/W/W/ ₁ — Термическая проводимость 1 9003 (w/w/ ₁ — Термопроизводство K), БТЕ/(час·фут·°F) )

s ₂ — толщина 2 (м, фут)

k ₂ — теплопроводность 2 )

s ₃ — толщина 3 (м, фут)

k ₃ — теплопроводность 3 90м·ч °(фут/фут), ) )

h _co — коэффициент конвективной теплопередачи снаружи стены (W/(M ² K), BTU/(FT ² H ^O F) )

Терморезист Передача

Сопротивление может быть выражено как

R = 1 / U (4)

, где

R = Сопротивление теплопередачи (M ² К / Вт, FT ² H ° F F F F. / БТЕ)

Стена разделена на секции теплового сопротивления, где

• теплопередача между жидкостью и стенкой является одним сопротивлением
• сама стена является одним сопротивлением
• передача между стеной и стеной вторая жидкость — тепловое сопротивление

Поверхностные покрытия или слои «обожженного» продукта добавляют стенке дополнительное тепловое сопротивление, снижая общий коэффициент теплопередачи.

Некоторые типовые сопротивления теплопередаче

• статический слой воздуха, 40 мм (1,57 дюйма)   : R = 0,18 м ² К/Вт
• внутреннее сопротивление теплопередаче, горизонтальный ток: КВт2 R = 0,10 м 1 9002
• внешнее сопротивление теплопередаче, горизонтальный ток: R = 0,04 м ² K/Вт
• внутреннее сопротивление теплопередаче, тепловой поток снизу вверх: R = 0,10 м ² K/Вт

1

8
8 внешнее сопротивление теплопередаче, поток тепла сверху вниз: R = 0,17 м ² К/Вт

Пример — теплопередача в теплообменнике воздух-воздух

Пластинчатый теплообменник воздух-воздух с площадью 2 м ² и толщиной стенки 8 мм 0. 09 0 изготавливаться из полипропилена, полипропилена, алюминия или нержавеющей стали.

Коэффициент конвекции теплопередачи для воздуха  50 Вт/м ² K . Внутренняя температура в теплообменнике  100 ^o C , а наружная температура  20 ^или С .


Общий коэффициент теплопередачи U на единицу площади можно рассчитать, изменив (3) на

U = 1 / (1 / ч _ci + s / k + 1 / h _co ) (3B)

Общий коэффициент теплопередачи для теплообменника в

• Полипропилен с теплопроводностью 0,1 Вт/МК —

U _PP = 1 / (1 / ( 50 Вт/м ² K ) + ( 0,1 мм ) (10 ^-3 Вт/м 9,0021 м/мм)/ ( 0 ) + 1 / ( 50 Вт /м ² K ) )


= 24,4 Вт /М ² K

9000 3

. = ( 24,4 Вт / м ² K ) ( 2 м ² ) (( 100 ^o C ) — (2 0 ^O C ))

= 3904 W

= 3,9 кВт


• Стейт -Сти -Сти -Сти -Сти -Стип.

U _{Нерж. сталь} = 1 / (1 / ( 50 Вт/м ² K ) + ( 0,1 мм ) (10 ^-3 Вт/м 1 м/06 мм)/ ( ) + 1 / ( 50 Вт/м ² К ) )


= 25 Вт /м ² K

Теплопередача —

Q = ( 25 W /M ² K ) (9006 2 M 1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111 ) (( 100 ^o C ) — (2 0 ^o C ))

   = 4000 W

   = 4 kW 

алюминий
• с теплопроводностью 205 Вт/м·К :

U _{Алюминий} = 1 / (1 / ( 50 Вт/м ² K ) + ( 0,1 мм/мм 902 — 3 90) (10 / ( 205 W/mK ) + 1 / ( 50 W/m ² K ) )


   = 25 W /m ² K

The heat передача

q = ( 25 Вт/м ² K ) ( 2 м ² ) (( 100 ^o C ) — (2 0 ^o C ))

   = 4000 W

   = 4 kW 

• 1 Вт/(M ² K) = 0,85984 ккал/(H M ^{2 O} C) = 0,1761 BTU/(FT ² H ^O F)

8. Коэффициенты 

• Газ со свободной конвекцией — Газ со свободной конвекцией : U = 1–2 Вт/м ² K  (обычное окно, комнатный воздух через стекло)
• Свободная конвекция Газ – принудительная жидкость (текущая) вода: U = 5–15 Вт/м ² K (типовой радиатор центрального отопления)
• Газ с естественной конвекцией — Конденсация пара Вода: U = 5–20 Вт/м ² K (типичные паровые радиаторы)
• Конвекция с принудительной конвекцией (проточная) Газ — Газ со свободной конвекцией: U = 3 — 10 Вт/м ² K (пароперегреватели)
• Принудительная конвекция (проточная) Газ — Принудительная конвекция Газ: U = 10 — 30 Вт/м ² K (теплообменные газы)
• Принудительная конвекция (проточная) Газ — Принудительная жидкость (текущая) вода 7: 9000 U = 10–50 Вт/м ² K (газоохладители)
• Принудительная конвекция (проточная) Газ — конденсация пара Вода: U = 10–50 Вт/м ² K (калориферы)
• 4 1 1
• 4
• 4
• 4
• 4 Свободная конвекция жидкости — Газ с принудительной конвекцией: U = 10–50 Вт/м ² K (газовый котел)
• Свободная конвекция жидкости — Свободная конвекция Жидкость: U = 25 — 500 Вт/м ² K (масляная ванна для нагрева) ) : U = 50 — 100 Вт/м ² K (нагреватель в воде резервуара, вода без управления), 500 — 2000 Вт/м ² K (нагреватель в воде резервуара, вода с управлением)
• Свободножидкостная конвекция — Конденсация паров воды: U = 300 — 1000 Вт/м ² K (паровые рубашки вокруг сосудов с мешалками, вода), 150–500 Вт/м ² K (другие жидкости)
• Принудительная жидкая (текущая) вода – свободная конвекция Газ: U = 10–40 Вт /м ² K (камера сгорания + излучение)
• Принудительная жидкость (текущая) вода — Свободная конвекция Жидкость: U = 500 — 1500 Вт/м ² K (охлаждающий змеевик — перемешивание)
• Принудительная жидкость (текущая) вода — Принудительная жидкая (текущая) вода: U = 900 — 2500 Вт/м ² K (теплообменник вода/вода)
• Нагнетаемая жидкость (проточная) вода — Конденсация пара вода: U = 1000 — 4000 Вт/м ² K (конденсаторы пар вода)
• Кипящая жидкая вода — Свободная конвекция Газ: U = 10 — 40 Вт/м ² K (паровой котел + излучение)
• Кипящая жидкая вода — Принудительный проток жидкости (вода): U = 300 — 1000 Вт /м ² K (испарительные холодильники или охладители рассола)
• Кипящая жидкая вода — Конденсирующая паровая вода: U = 1500 — 6000 Вт/м ² K (испарители пар/вода)

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ является количественной характеристикой конвективной теплопередачи. между текучей средой (жидкостью) и поверхностью (стенкой), обтекаемой жидкостью. Эта характеристика появляется как коэффициент пропорциональности a в соотношении Ньютона-Рихмана

где — плотность теплового потока на стенку, Т _w температура стенки, T _t характерная температура жидкости, например, температура T _e вдали от стенки во внешнем потоке, температура объемного потока T _b в трубах и т. д. Единица измерения в международной системе единиц (СИ) (см. Международная система единиц) составляет Вт/(м ² К), 1 Вт/(м ² К) = 0,86 ккал/(м ² ч°С) = 0,1761 БТЕ/(hft ² °F) или 1 ккал/(м ² ч°C) = 1,1630 Вт/(м ² К), 1 БТЕ/(hft ² °F) = 5,6785 Вт/(м ² К). Коэффициент теплоотдачи получил широкое распространение в расчетах конвективного теплообмена и при решении задач внешнего теплообмена между теплопроводной твердой средой и окружающей ее средой. Коэффициент теплоотдачи зависит как от тепловых свойств среды, гидродинамических характеристик ее течения, так и от гидродинамических и тепловых граничных условий. Используя методы теории подобия, зависимость коэффициента теплоотдачи от многих факторов во многих практически важных случаях может быть представлена ​​в виде компактных соотношений между безразмерными параметрами, известных как критерии подобия. Эти соотношения называются обобщенными или уравнениями подобия (формулами). В качестве безразмерного числа для теплообмена в этих уравнениях используется число Нуссельта Nu = αl/λf или число Стентона St =, где 1 – характерный размер поверхности в потоке, массовая скорость потока жидкости, λ _f и C _pf теплопроводность и теплоемкость жидкости. При решении задач теплопроводности в твердом теле в качестве граничного условия часто задается распределение коэффициента теплоотдачи α между телом и окружающей его средой. Здесь полезно использовать безразмерный независимый параметр — число Био Bi = αl/λ _s , где λ _s — теплопроводность твердого тела, а 1 — его характерный размер. Зависимость чисел Nu и St от чисел Re и Pr играет существенную роль в переносе тепла принудительной конвекцией. В случае полностью развитого теплообмена в круглой трубе с ламинарным течением жидкости число Нуссельта является константой, а именно Nu = 3,66 при постоянной температуре стенки и 4,36 при постоянном тепловом потоке (см. Трубы (однофазный теплообмен в ) ). В случае свободной конвекции число Nu зависит от чисел Gr и Pr. Когда теплоемкость жидкости существенно варьируется, коэффициент теплопередачи часто определяют через разность энтальпий (h _w – h _f ). Понятие коэффициента теплоотдачи используется также при теплообмене с фазовыми превращениями в жидкости (кипение, конденсация). В этом случае температура жидкости характеризуется температурой насыщения T _s . Порядок величины коэффициента теплоотдачи для различных случаев теплообмена представлен в таблице 1.

При анализе внутреннего теплообмена в пористых телах, т. е. конвективного теплообмена между жесткой матрицей и проницаемой через нее жидкостью, часто используют объемный коэффициент теплоотдачи

где qv — тепловой поток, переходящий от жесткой матрицы к жидкости в единице объема пористого тела, T _w — локальная температура матрицы, T _f — локальная объемная температура жидкости.

Следует подчеркнуть, что постоянство α в широком диапазоне и ΔT (при прочих равных условиях) встречается только в случае конвективного теплообмена, когда физические свойства жидкости при теплообмене изменяются незначительно. При конвективном теплообмене в жидкости с переменными свойствами и при кипении коэффициент теплоотдачи может существенно зависеть от и ΔT . В этих случаях увеличение теплового потока может привести к таким опасным явлениям, как выгорание (переходный тепловой поток) и ухудшение турбулентного теплообмена в трубах. Если (ΔT) является нелинейным, представляется нецелесообразным представлять его через коэффициент α при анализе, например, стабильности кипения.

Общий коэффициент теплопередачи

где T _f1 и T _f2 – температуры нагрева и нагрева жидкости, используется при расчетах теплообмена между двумя жидкостями через разделяющую стенку. Значения U для наиболее часто используемых конфигураций стен определяются по формулам

для плоской многослойной стены,

для цилиндрической многослойной стенки и

для сферической многослойной стены.

Здесь D ₁ и D ₂ — внутренний и внешний диаметры стенки, D — опорный диаметр, по которому определяется эталонная поверхность теплообмена, S _i , D _i , D _i+1 и λ _i — толщина, внутренний и внешний диаметры, теплопроводность i-го слоя. Первое и третье слагаемые в скобках называются термическими сопротивлениями теплопередачи. Для их снижения стенки ребрятся и используются различные способы увеличения теплоотдачи. Второе слагаемое в скобках означает термическое сопротивление стены, которое может значительно увеличиться в результате загрязнения стены, например, отложениями накипи и золы, или плохой теплопередачи между слоями стены. Значения α и U для малого элемента поверхности теплообмена называются локальными. Если они не сильно различаются, то при практических расчетах теплообмена на поверхностях конечных размеров используются средние значения коэффициентов и уравнение теплопереноса

где A — эталонная поверхность теплопередачи и (часто среднее логарифмическое) падение температуры (см.