Chương 2: Truyền nhiệt ổn định potx

Trang 1/7 Chương Ii Truyền nhiệt ổn định - t.kế cách nhiệt kết cấu mùa lạnh I.. Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt: - Dẫn nhiệt là quá trình truyền động năng của các phân tử, nguyên tử, điện

Trang 1/7

Chương Ii

Truyền nhiệt ổn định - t.kế cách nhiệt kết cấu mùa lạnh

I khái niệm cơ bản về truyền nhiệt:

* Đặc điểm: Nhiệt năng (q) truyền từ nơi có t 0 cao => t 0 thấp

* Có 3 cách truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ

1 Truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt:

- Dẫn nhiệt là quá trình truyền động năng của các phân tử, nguyên tử, điện tử tự do khi chúng tiếp xúc nhau

- Nhiệt lượng truyền bằng dẫn nhiệt tính theo định luật Furiê:

‘’Nhiệt lượng truyền qua 1 đ.vị diện tích trong 1 đ.vị thời gian tỷ lệ thuận với gradian nhiệt

độ’’

x

t q

∂

∂

ư

= λ (Kcal/m2.h)

Trong đó:

-x

t

∂

∂

: Gradian nhiệt độ theo phương x

- λ :Kcal/m.h.0C - là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (xem phụ lục )

k phụ thuộc:

• Tính chất vật liệu (Bê tông cốt thép λb = 1,33; nước λnước = 0,5; không khí tự do λkk = 0,025…)

• Tỷ trọng của vật liệu: γ nhỏ thì λ nhỏ; cùng γ nếu lỗ rỗng to thì λ lớn ( q đối lưu)

• Độ ẩm vật liệu W lớn thì λ lớn

• Cấu trúc vật liệu Với vật liệu có cấu trúc đẳng hướng (tre, gỗ) kdọc thớ kngang thớ

Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp :

Dẫn nhiệt ổn định một chiều qua vách thẳng một lớp d(m) chiều rộng lớn, bằng vật liệu có hệ

số dẫn nhiệt λ, nhiệt độ 2 bề mặt τt và τn ổn định

) ( t n

d

q = λ τ ư τ (Kcal/m2.h hay W/m2)

-

d

λ

(Kcal/m2.h.C0) : nhiệt dẫn của vách

- R =

λ

d

(m2.h.C0/Kcal) : nhiệt trở của vách

2 Truyền nhiệt bằng đối lưu:

- Truyền nhiệt đối lưu là phương thức truyền nhiệt chủ yếu của chất lỏng và chất khí

- Trong truyền nhiệt đối lưu tồn tại hai trạng thái vận động: chuyển động chảy tầng và chuyển

động chảy rối

+ Trong lớp chảy tầng các phần tử chất khí chuyển động song song với mặt kết cấu, song song với nhau theo phương vuông góc phương truyền nhiệt Nhiệt được truyền đi chủ yếu bằng dẫn nhiệt Nhiệt trở lớn, biểu diễn bằng đường cong (dạng Hypecbôn dốc) Lớp chảy tầng rất mỏng

+ Trong lớp chảy rối các phần tử chuyển động tự do Nhiệt được truyền đi bằng sự dịch chuyển vị trí của các phầ tử nở nhiệt

- Tính nhiệt truyền đối lưu: Theo định luật Niutơn - Risman

qd = αđ ( τ - tt) , Kcal/m2.h

- αđ : là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phụ thuộc:

- Tốc độ dịch chuyển của khí thể

- Hiệu nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ không khí ( τ - t)

- Tính chất vật lý thể khí

- Vị trí, trạng thái bề mặt kết cấu

Phụ thuộc vị trí αđ mặt bằng> αđ tường > αđ dưới trần

Phụ thuộc trạng thái: α đ (nhẵn) > α đ (sù sì)

αđ thường xác định theo thực nghiệm

3 Truyền nhiệt bằng bức xạ:

Mọi vật thể khi ở nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối đều không ngừng bức xạ năng lượng vào không gian dưới dạng sóng điện từ

- Tính nhiệt truyền bằng bức xạ theo định luật Stêfan - Bônzman:

Trang 3/7

4

) 100 ( T

C

q b = , Kcal/m 2 h Trong đó:

- T : nhiệt độ bề mặt của vật, 0K

- C : hệ số bức xạ nhệt (Kcal/ m 2 h 0 K 4 )

(Bêtông: C = 3,10 ; Gạch nung màu đỏ: 4,6 -4,7 ; Gạch xây trát vữa: 4,66)

- Nếu hai vật gần nhau thì cũng xảy ra hiện tượng trao đổi nhiệt với nhau và phụ thuộc vào:

+ Nhiệt độ trên bề mặt hai vật

+ Diện tích và vị trí tương hỗ giữa các bề mặt

Trường hợp hai bề mặt song song với nhau:

q b =α b (τ1 -τ2 ) , Kcal/ m2.h Trong đó:

+ τ1 ,τ2 : nhiệt độ trên hai bề mặt, 0C

+ αb : hệ số troa đổi nhiệt hai bề mặt, Kcal/m2.h.0C

II truyền nhiệt ổn định vμ Tính cách nhiệt trong mùa lạnh

1 Điều kiện:

Truyền nhiệt ổn định qua kết cấu diễn ra trong 2 điều kiện:

- tt = const; tn = const

- q1 = q2 = q3 = q0 = const

2 Quá trình truyền nhiệt:

3 giai đoạn :

• Giai đoạn 1: Thu nhiệt

Nhiệt truyền từ không khí trong nhà có nhiệt độ tt đến mặt trong kết cấu có nhiệt độ τt , theo hình thức đối lưu và bức xạ nhiệt

q1 = α d(tt - τt) + α b(tb - τt) , Kcal/m2.h

Trong đó:

- tb - nhiệt độ bức xạ trong phòng không kể nhiệt độ bề mặt kết cấu, nếu coi tb= tt thì ta có:

- q1 = α t(tt - τt) với α t = α d + α b: hệ số trao đổi nhiệt bên trong

• Giai đoạn 2:

Nhiệt truyền từ mặt trong có nhiệt độ τt đến mặt ngoài kết cấu có nhiệt độ τn , theo hình thức dẫn nhiệt:

q 2 = d

λ

(τ1 - τn ) =

R

n

t τ

, Kcal/m2.h

Trong đó:

- R : nhiệt trở của kết cấu

• Giai đoạn 3:

Nhiệt truyền từ mặt ngoài kết cấu ra không khí ngoài nhà (tương tự như giai đoạn 1):

q3 = α n(τt - tn) Trong đó:

- α n = α d + α b: hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài

Trong điều kiện truyền nhiệt ổn định :

q1 = q2 = q3 = q Giải hệ 4 phương trình trên bằng phương pháp thay thế, chuyển vế và cộng lại ta được :

1 1

1

n t

n t

t t

+ +

α λ α

, Kcal/m2.h

Đặt : R0 =

n t

d

α λ α

1

1 + + = R + R + Rn (m2.h.0C/Kcal) : là tổng nhiệt trở của kết cấu

- Rt =

t

α

1

: nhiệt trở mặt trong kết cấu

- R =λ

d

: nhiệt trở kết cấu

- Rn =

n

α

1

: nhiệt trở mặt ngoài kết cấu

Trang 5/7

Ta có nhiệt lượng truyền từ trong ra ngoài nhà tính theo công thức sau:

) (

1

0

R

q = ư , Kcal/m2.h

Nếu tính truyền nhiệt qua một bề mặt có diện tích F (m2) và trong khoảng thời gian t (h-giờ) :

t F q

Q = 0 . , Kcal

Gọi : U =

0

1

R tổng hệ số truyền nhiệt qua kết cấu (U - value)

• Chú thích :

- Khi phòng đóng kín cửa : α t = 6,5 – 7,5

- Khi phòng mở cửa thông thoáng : α t = 4,3 – 3,8 vt0,8 (v : vận tốc gió trong phòng m/s)

- Mặt ngoài tường: α n = 5 + 10 v n

- Mặt ngoài mái: α n = 7,5 + 2,2 v n

- Trong tầng hầm mái: α n = 10

• Có thể lấy gần đúng:

- Mùa đông: α n = 20 Kcal/m2.h.0C

- Mùa hè: α n = 16 Kcal/m2.h.0C

Chúng ta có thể xác định nhiệt độ bề mặt trong và mặt ngoài của kết cấu:

t n t t

R

t t t

0

ư

ư

=

τ

) (

0

t n

t t

R

t t

t ư ư +

=

τ

• Chú ý : Khi xác định trở nhiệt của kết cấu nhiều lớp ta có thể gặp 3 trường hợp sau đây :

1 Kết cấu có nhiều lớp đồng chất đặt song song với nhau theo chiều dày khi đó nhiệt trở R là:

i n

d R

R R R R

λ

Σ

= + + + +

2 Kết cấu có nhiều lớp và có lớp không khí kín:

Nhiệt trở được xác định như trên, nếu lớp có không khí kín thì xác định theo bảng dưới đây:

3 Kết cấu 1 lớp có nhiều màng vật liệu khác thì nhiệt trở là:

tb

d R

λ

=

∑

∑

=

i

i i

F

λ λ

Trong đó:

• Fi : diện tích tiếp nhiệt của bề mặt các mảng kết cấu

Thay trị số λtb vào công thức tính R và biến đổi sẽ được công thức thứ hai tính R của loại kết cấu này:

Trang 7/7

∑

∑

=

i i i

R F

F R

3 Yêu cầu thiết kế cách nhiệt cho kết cấu ngăn che theo yêu cầu chống lạnh :

• Mục đích nhằm xác định được giá trị nhiệt trở yêu cầu (R 0 yc

)

• Nhiệt trở yêu cầu xác định theo hai điều kiện sau:

a Điều kiện tiện nghi nhiệt:

Dựa theo nhiệt độ cho phép của mặt trong kết cấu ngăn che lớn hơn một giá trị: τt ≥ τtcf , ta có

nhiệt trở yêu cầu tính theo công thức sau:

t cf t t

n t yc

R t

t t R

τ

ư

ư

≥

0

b Điều kiện chống đọng sương bề mặt trong kết cấu :

Để tránh hiện tượng đọng sương hay đổ mồ hôi bên trong kết cấu thì nhiệt độ bề mặt trong kết cấu lơn hơn nhiệt độ điểm sương của không khí trong nhà : τt ≥ ts , khi đó nhiệt trở yêu cầu tính theo công thức sau:

t s t

n t yc

R t t

t t R

ư

ư

≥

0

Kết luận :

Khi đánh giá tính hợp lý của kết cấu mái và tường nhà theo yêu cầu chống lạnh, ta có thể dựa vào hai tiêu chí sau đây :

• Nhiệt độ mặt trong kết cấu không quá thấp, do đó không quá chênh lệch với nhiệt độ phòng : (tt - τ1 ) ≤ 5 0 C

Trường hợp ngược lại sẽ dẫn đến :

o Tăng sự mất nhiệt của cơ thể, làm giảm điều kiện tiện nghi VKH

o Tăng tốn hao nhiệt khi dùng các thiết bị sưởi ấm

o Có thể gây đọng sương trên bề mặt kết cấu

• Dòng nhiệt truyền ra ngoài nhỏ nhất:

Nếu dòng nhiệt lớn sẽ làm giảm chất lượng vệ sinh trong phòng có chế độ tự nhiên và làm tăng kinh phí thiết bị trong phòng có điều hoà nhân tạo

- Hết Chương II -