Теплопроводность
1. Теплопроводность
Основные понятия и определения
Теплопроводность – это передача тепловой энергии частицами вещеста от более нагретых областей к менее нагретым или к частицам другого вещества. Выделение теплоты может происходить в результате горения, трения или ядерных реакций (ядерный синтез, деление ядра). Теплообмен происходит в жидких, газообразных веществах, твердых телах, температура которых в разных областях неоднородна. Тепловая энергия определяется суммарной кинетической энергией молекул, атомов или заряженных частиц. Процесс теплопроводности заключается в передаче этой энергии между частицами или соприкасающимися телами с целью достижения термодинамического равновесия, выравнивания температуры.
Известно, что процент распространения теплоты в пространстве нeразрывно связан с распределением температуры в нем. Совокупность значений температуры в каждый момент времени для всех точек pacсматриваемого пространства называется температурным пoлем. Математически оно выражается уравнением t = (х, у, z, τ), где х, у, z координаты точки, а τ – время.
Если температура вовpeмени не меняется, то поле называется установившимся, или стационарным. Если температура зависит от времени, поле называется неустановившимся, а протекающие в таких условиях тепловые процессы нестационарными, например нагревание или охлаждение тел.
Температурное поле может быть функцией трех, двух и одной координаты. Соответственно оно называется трех, двух- и одномерным.
Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля t = f (х).
Все точки пространства, имеющие одинаковую температуру, образуют" изотермическую поверхность. Eстественно, что изменение температуры в теле может наблюдаться лищь в нaправлениях, пересекающих изотермические поверхности.
При этом наиболее резкое изменение получается в направлении нормали n к изотермическим поверхностям.
Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермами по нормали ∆n при условии, что ∆n→0, называется температурным градиентом, т.е.
lim [∆t/∆n]∆n→0 = ∂t/∂n = grad t.
Частная производная применена здесь потому, что в общем случае
температура может изменяться не только в пространстве, но и во времени (при нестационарном режиме).
Температурный градиент это вектор с положительным знаком при возрастании температуры и с отрицательным при ее падении градиент температуры численно равен производной температуры по нормали.
Количество переносимой теплоты в единицу времени называют тепловым потоком Q, который измеряется в Дж/с (Вт). Тепловой поток, отнесенный в единице поверхности тела, называют поверхностной плотностью теплового потока (или просто плотностью теплового потока)
q = Q/S, которая измеряется в Вт/м.
Величина q является вектором, направление которoго противоположно направлению градиента температуры, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется всегда только в сторону убывания температуры.
Исследуя явления теплопроводности в твердых телах, Фурье установил, что тепловая мощность, передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока т.е.
Q = λS∂t/∂n;
или
Q = λ∂t/∂n.
Множитель пропорциональности λ, входящий в это уравнение, характеризует способность вещества, из которого состоит рассматриваемое тело, проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности, или просто теплопроводностью.
Из уравнения, которое является математическим выражением основного закона распространения теплоты путем теплопроводности (закон Фурье), следует, что теплопроводность λ, Вт/(м∙К), определяет мощность теплового потока, проходящего через 1 м поверхности при градиенте температуры 1 К/м.
Для различных тел теплопроводность имеет определенное значение и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры веществ этих тел. Точные значения λ определяют на основе специальных лабораторных опытов. При технических расчетах обычно используют ориентировочные значения теплопроводности λ, Вт/(м ∙ К).
Таким образом, наиболее высокая теплопроводность у металлов,
значительно ниже у неметаллических строительных материалов и самые
низкие значения у пористых материалов, применяемыx специально
для тепловой изоляции. У теплоизоляционных материалов λ < 0,20
Вт/(м ∙ К).
У большинства металлов с повышением температуры теплопроводность убывает. Содержание примесей в металлах резко снижает их
теплопроводность. Например, для стали при 0,1 % углерода λ = 53, а
при 1 % углерода λ =се 39 Вт/(м ∙ К). Для строительных и теплоизоляционных материалов теплопроводность возрастает с увеличением тeмпературы (исключение составляют магнезитовые огнеупоры). Зависимость λ от температуры для этих материалов может быть выражена равенством.
λ 1 - λ 0 С (1 + βt),
где β – температурный коэффициент, представляющий собой при ращение
λ. материала при повышении eгo температуры на 1С.
У различных строительных материалов в интервале температур 0 - 100 С = 0,0025. Для капельных жидкостей с повышением тeмпературы теплопроводность убывает. Исключение составляют лишь вода и глицерин. У газов с повышением температуры теплопроводность возрастает и практически не зависит от давления, за исключением очень высоких (более 200 МПа) и очень низких (менее 0,003 МПа) давлений.
На теплопроводность влияют общая пористость материала, размер и степень замкнутости пор. Для пористых материалов теплопроводность находится в обратной зависимости от их общей пористости и в прямой
от размеров пор. Это
объясняется увеличением
Для пористых материалов λ является условной величиной, так как наличие пор в материале не позволяет рассматривать eгo как сплошное тело. Поэтому λ пористых материалов представляет собой теплопроводность нeкoтopoгo однородного тела, через которое при одинаковых форме, размерах и тeмпepaтypax на границе eгo поверхности с окрyжающей средой передается та же тепловая мощность, что и через пористое тело.
Материалы с большей плотностью, как правило, обладают большей
теплопроводностью, однако нужно иметь в виду, что теплопроводные свойства материала зависят не только от объема воздуха, заключенного в порах, но главным образом от paвнoмepнoгo распределения воздуха в пористом материале. С этой точки зрения крупнопористый материал будет менее эффективным теплоизолятором, чем мелкопористый материал
с той же плотностью. Среди строительных материалов встречаются тaкие, которые, имея меньшую плотность, обладают большей теплопроводностью, чем материалы с большей плотностью. Примерами могут служить минеральная вата, торфяная крошка, употребляемая в качестве теплоизоляционного сыпучего материала. и др. В частности, у минеральной ваты при плотности около 125 Kг/M теплопроводность наименьшая. При меньшей плотности теплопроводность возрастает в результате увеличения передачи теплоты конвекцией в порах вследствие меньшего уплотнения ваты.
Теплопроводность строительных материалов резко возрастает при их увлажнении, так как значительно отличаются теплопроводности воздуха и воды: теплопроводность воздуха в порах материала 0,025 - 0,028, а воды 0,55 Вт/(м ∙ К), т. е. почти в 20 раз больше, чем воздуха.
Материал становится еще более теплопроводным, если влага, находящаяся в eгo порах, замерзает, так как теплопроводность льда равна 2,5 Вт/(м ∙ К), т. е. примерно в 4 раза выше, чем у воды, и в 80 раз выше, чем у воздуха. Повышение теплопроводности влажных материалов обусловливается также увеличением контактирующих поверхностей частиц основногo вещества материала. Это приводит к тому, что теплопроводность влажного материала значительно выше, чем cyxoгo и воды в отдельности. Например, для cyxoгo кирпича λ равна 0,35, для воды 0,55, а для влажного кирпича 1 Вт/(м' К). Поэтому строительные и особенно теплоизоляционные материалы необходимо предохранять от увлажнения, иначе сильно снижаются их теплозащитныe свойства.
Для анизотропных материалов, которые имеют неодинаковую структуру в различных направлениях (древесина, волокнистые и прессованные материалы, кристаллы), теплопроводность зависит от направления теплового потока. Например, у сосновой древесины при направлении теплового потока параллельно направлению волокон λ увеличивается вдвое по сравнению с теплопроводностью при направлении теплового потока перпендикулярно волокнам. Это объясняется тем, что при направлении, перпендикулярном волокнам, тепловому потоку приходится пересекать большое количество воздушных зазоров, находящихся как внутри волокон древесины, так и между ними и оказывающих сопротивление прохождению теплоты. При направлении теплового потока параллельно волокнам влияние воздуха, заключенного в древесине, будет значительно меньше.
2. Основные типы двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т.д.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.
Двигатели внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.
Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.
А теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.
В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:
- всасывание;
- сжатие;
- горение и расширение;
- выхлоп.
Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Быстрое распространение ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом их положительных особенностей.
Осуществление рабочего цикла ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. Высокая экономичность - одно из положительных качеств ДВС.
Среди ДВС дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.
К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д., т.е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.
Сравнительно невысокая начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.
Установки с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки часов без пополнения горючего.
Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках.
Положительным качеством дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных многотопливных двигателей, а также судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута.
Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.
Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т.е. силовое воздействие, создание больших давлений, которую выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС.
Тепловое расширение
Тепловое расширение - изменение размеров тела в процессе его изобарического нагревания (при постоянном давлении). Количественно тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения B=(1/V)*(dV/dT)p, где V - объем, T - температура, p - давление. Для большинства тел B>0 (исключением является, например, вода, у которой в интервале температур от 0 C до 4 C B<0). Для идеального газа B=1/T, у жидкостей и твердых тел зависимость B от T значительно слабее. Для твердых тел наряду с B вводят температурный коэффициент линейного расширения a, равный отношению относительного изменения длины тела вдоль рассматриваемого направления при изобарическом нагревании тела к приращению температуры: a=(1/l)*(dl/dT)p, где l - длина тела. Для изотропных тел B=3a.
Области применения теплового расширения.
Тепловое расширение нашло свое применение в различных современных технологиях. В частности можно сказать о применении теплового расширения газа в теплотехники. Так, например, это явление применяется в различных тепловых двигателях, т.е. в двигателях внутреннего и внешнего сгорания: в роторных двигателях, в реактивных двигателях, в турбореактивных двигателях, на газотурбинных установках, двигателях Ванкеля, Стирлинга, ядерных силовых установках. Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т.д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются на транспортных установках и сельскохозяйственных машинах. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются на небольших электростанциях, энергопоездах и аварийных энергоустановках. ДВС получили большое распространение также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т.п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах. Турбореактивные двигатели широко распространены в авиации. Паровые турбины - основной двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов. Существуют даже паровые автомобили, но они не получили распространения из-за конструктивной сложности. Тепловое расширение применяется также в различных тепловых реле, принцип действия которых основан на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания
Как было выше сказано, тепловое расширение применяется в ДВС. Но каким образом оно применяется и какую функцию выполняет мы рассмотрим на примере работы поршневого ДВС.
Двигателем называется энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Двигатели, в которых механическая работа создается в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего сгорания.
Классификация ДВС
Как было выше сказано, в качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение поучили ДВС, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. Но в большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания, которые классифицируются по различным признакам:
1. По способу смесеобразования - двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров) - дизели;
2. По способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные и двухтактные;
3. По числу цилиндров - одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;
4. По расположению цилиндров - двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд, V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным);
5. По способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;
6. По виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые и многотопливные ;
7. По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают двигатели высокого (E=12...18) и низкого (E=4...9) сжатия;
8. По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:
а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси
осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе
поршня;
б) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в
рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с
целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя;
9. По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения,
быстроходные;
10. По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные,
судовые, тепловозные, авиационные и др.
3. Вентиляция и кондиционирование.
Система кондиционирование воздуха.
Вентиляцией называется совокупность мероприятий и устройств, используемых при организации воздухообмена для обеспечения заданного состояния воздушной среды в помещениях и на рабочих местах в соответствии со СНиП (Строительными нормами).
Системы вентиляции
обеспечивают поддержание допустимых
метеорологических параметров в помещениях
различного назначения.
При всем многообразии
систем вентиляции, обусловленном назначением
помещений, характером технологического
процесса, видом вредных выделений и т.п.,
их можно классифицировать по следующим
характерным признакам:
1. По способу создания давления для перемещения
воздуха: с естественным и искусственным (механическим)
побуждением.
2. По назначению: приточные и вытяжные.
3. По зоне обслуживания: местные и общеобменные.
4. По конструктивному исполнению: канальные и бесканальные.
Естественная вентиляция
Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит:
вследствие разности температур наружного (атмосферного) воздуха и воздуха в помещении, так называемой аэрации;
вследствие разности давлений «воздушного столба» между нижним уровнем (обслуживаемым помещением) и верхним уровнем — вытяжным устройством (дефлектором), установленным на кровле здания; в результате воздействия так называемого ветрового давления.
Аэрацию применяют в цехах со значительными тепловыделениями, если концентрация пыли и вредных газов в приточном воздухе не превышает 30% предельно допустимой в рабочей зоне. Аэрацию не применяют, если по условиям технологии производства требуется предварительная обработка приточного воздуха или если приток наружного воздуха вызывает образование тумана или конденсата.
В помещениях с большими избытками
тепла воздух всегда теплее наружного.
Более тяжелый наружный воздух, поступая
в здание, вытесняет из него менее плотный
теплый воздух.
При этом в замкнутом пространстве
помещения возникает циркуляция воздуха,
вызываемая источником тепла, подобная
той, которую вызывает вентилятор.
В системах естественной вентиляции,
в которых перемещение воздуха создается
за счет разности давлений воздушного
столба, минимальный перепад по высоте
между уровнем забора воздуха из помещения
и его выбросом через дефлектор должен
быть не менее 3 м. При этом рекомендуемая
длина горизонтальных участков воздуховодов
не должна быть более 3 м, а скорость воздуха
в воздуховодах — не превышать 1 м/с.
Воздействие ветрового давления
выражается в том, что на наветренных (обращенных
к ветру) сторонах здания образуется повышенное,
а на подветренных сторонах, а иногда и
на кровле, — пониженное давление (разрежение).
Если в ограждениях здания имеются
проемы, то с наветренной стороны атмосферный
воздух поступает в помещение, а с заветренной
— выходит из него, причем скорость движения
воздуха в проемах зависит от скорости
ветра, обдувающего здание, и соответственно
от величин возникающих разностей давлений.
Системы естественной вентиляции просты и не требуют сложного дорогостоящего оборудования и расхода электрической энергии. Однако зависимость эффективности этих систем от переменных факторов (температуры воздуха, направления и скорости ветра), а также небольшое располагаемое давление не позволяют решать с их помощью все сложные и многообразные задачи в области вентиляции.
В механических системах вентиляции
используются оборудование и приборы
(вентиляторы, электродвигатели, воздухонагреватели,
пылеуловители, автоматика и др.), позволяющие
перемещать воздух на значительные расстояния.
Затраты электроэнергии на их работу могут
быть довольно большими. Такие системы
могут подавать и удалять воздух из локальных
зон помещения в требуемом количестве,
независимо от изменяющихся условий окружающей
воздушной среды. При необходимости воздух
подвергают различным видам обработки
(очистке, нагреванию, увлажнению и т.д.),
что практически невозможно в системах
с естественным побуждением.
Следует отметить,
что в практике часто предусматривают
так называемую смешанную вентиляцию,
т.е. одновременно естественную и механическую
вентиляцию.
В каждом конкретном проекте
определяется, какой тип вентиляции является
наилучшим в санитарно-гигиеническом
отношении, а также экономически и технически
более рациональным.
Приточные системы служат для подачи в вентилируемые помещения чистого воздуха взамен удаленного. Приточный воздух в необходимых случаях подвергается специальной обработке (очистке, нагреванию, увлажнению и т.д.)
Вытяжная вентиляция удаляет
из помещения (цеха, корпуса) загрязненный
или нагретый отработанный воздух.
В общем случае в помещении
предусматриваются как приточные, так
и вытяжные системы. Их производительность
должна быть сбалансирована с учетом возможности
поступления воздуха в смежные помещения
или из смежных помещений. В помещениях
может быть также предусмотрена только
вытяжная или только приточная система.
В этом случае воздух поступает в данное
помещение снаружи или из смежных помещений
через специальные проемы или удаляется
из данного помещения наружу, или перетекает
в смежные помещения.
Как приточная, так и вытяжная
вентиляция может устраиваться на рабочем
месте (местная) или для всего помещения
(общеобменная).
Местной вентиляцией называется такая, при которой воздух подают на определенные места (местная приточная вентиляция) и загрязненный воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция).
