Лекція 4. Теплопередача та опір.
Матеріал даної лекції поки що знаходиться в розробці. Стежте за оновленнями.
Зміст
Фізика теплопередачі
Сьогодні ми розглянемо тему, яка трохи відходить від процесу тепловізійної зйомки і відноситься безпосередньо до теплотехніки. Ми вже вивчили фізику процесу випромінювання електромагнітних хвиль від поверхонь, навіть зробили кілька термограм, заздалегідь домовившись, що ми їх зробили неправильно. Як їх зробити правильно, залежить від того який технологічний процес піддається тепловізійній перевірці, і в будь-якому випадку фахівець з термографії повинен мати розуміння цього технологічного процесу.
Коли ми отримували термограми фасадів будівлі, це теж був свого роду технологічний процес, а саме процес теплопередачі через огороджувальні конструкції будівлі, які зазвичай є багатошаровою стінкою з різних будівельних матеріалів різної товщини.
Моделювання процесу теплопередачі через багатошарову плоску стінку
Передача тепла є дисципліною теплотехніки, що стосується генерації, використання, перетворення та обміну теплової енергії (тепла) між фізичними системами. Передача тепла класифікується на різні механізми, такі як теплова провідність, теплова конвекція, теплове випромінювання та передачі енергії в результаті фазових змін. Інженери також розглядають передачу маси різних хімічних видів, або холодних або гарячих, для досягнення передачі тепла. Хоча ці механізми мають різні характеристики, вони часто відбуваються одночасно в одній і тій самій системі.
Теплова провідність, також звана дифузією, є прямим мікроскопічним обміном кінетичної енергії частинок через межу між двома системами. Коли об'єкт знаходиться в іншій температурі від іншого тіла або його оточення, тепло тече так, що тіло та околиці досягають тієї ж температури, після чого вони перебувають у тепловій рівновазі. Така спонтанна передача тепла завжди відбувається з високої температури в іншу область нижчої температури, як описано в другому законі термодинаміки.
Теплова конвекція виникає, коли навалом потік рідини (газ чи рідина) несе тепло разом із потоком матерії рідини. Потік рідини може бути викликаний зовнішніми процесами, а іноді (у гравітаційних полях) плавучістю сил, викликаних, коли теплова енергія розширює рідину (наприклад, у вогневому шлейфі), тим самим впливаючи на її власну передачу. Останній процес часто називають «природною конвекцією». Всі конвективні процеси також частково переміщують тепло шляхом дифузії, а також. Інший формою конвекції є примусова конвекція. В цьому випадку рідина змушена текти за допомогою насоса, вентилятора чи інших механічних засобів.
Теплове випромінювання відбувається через вакуум або будь-яке прозоре середовище (тверде або рідина або газ). Це передача енергії за допомогою фотонів у електромагнітних хвилях, керованих тими самими законами. [1]
Оскільки ви інженери електроенергетики, вам найпростіше запам'ятати формулювання законів теплопередачі (закон Фур'є) як аналогію із законом Ома. Ми можемо записати закон Фур'є так:
Ми можемо записати закон Фур'є так:
І порівняти його із законом Ома:
Тут кількість тепла Q, що передається, відповідає силі струму I. Поширення тепла обумовлюється температурним напором (t1-12), який відповідає різниці потенціалів. Відношення b/yA називається термічним опором, що відповідає опору закону ома.
При моделюванні процесу теплопередачі через будівельні конструкції ми маємо справу з усіма трьома основними видами теплопередачі. Але два з них (конвекцію та випромінювання) ми можемо не моделювати докладно, а врахувати за допомогою усереднених коефіцієнтів, і тоді достатньо буде порахувати лише процес теплопровідності.
Загальна формула знаходження опору теплопередачі виглядає так:
де αв, αз - коефіцієнти тепловіддачі внутрішньої та зовнішньої поверхонь огороджувальної конструкції, Вт/(м2 · К)
Ri – термічний опір i-го шару конструкції, м2 · К/Вт
λip - теплопровідність матеріалу i-го шару конструкції у розрахункових умовах експлуатації