Дипломная (вкр): Расчетно-экспериментальное исследование теплоэффективного многослойного строительного материала

Расчетно-экспериментальное исследование теплоэффективного многослойного строительного материала

Содержание

Введение

1. Основные положения теплообмена

1.1 Теплота. Температура. Температурное поле

1.2 Тепловой поток. Коэффициент теплопроводности

1.3 Теплопередача и теплоотдача

1.4 Количественная оценка конвективной теплоотдачи

2. Исходные данные

2.1 Описание здания

2.2 Теплоэффективный трехслойный блок

3. Методика компьютерного моделирования температурного поля

3.1 Описание программы Ansys Fluent

3.2 Построение геометрии в Geometry

3.3 Результаты компьютерного моделирования

4. Сравнительный анализ результатов физического эксперимента и численного решения

4.1 Разработка лабораторной работы

4.1.1 План лабораторной работы

4.1.2 Подготовка к испытаниям

4.1.3 Описание приборной базы

4.1.4 Проведение эксперимента

4.1.5 Градуировка термопары

4.1.6 Построение графиков зависимости изменения ТЭДС от температуры

4.1.7 Определения теплозащитных характеристик многослойной ограждающей конструкции

4.2 Результаты лабораторной работы

4.3 Сравнение результатов FLUENT с результатами эксперимента

5. Сравнительный анализ тепловых потерь при различных теплопроводностях ограждающих конструкций

5.1 Определение сопротивления теплопередаче

5.2 Расчет тепловых потерь

5.3 Сравнение тепловых потерь

6. Экономические показатели

6.1 Технико-экономическая оценка строительства малоэтажного дома из теплоблоков

7. Автоматизация экспериментальных исследований

7.1 Спецификация технических средств автоматизации эксперимента

7.2 Описание и технические характеристики основных элементов экспериментальной установки

7.2.1 Аналого-цифровой преобразователь

7.2.2 Термоэлектрический преобразователь

7.2.3 Термопары и схемы их включения

7.2.4 Градуировка и калибровка термопар

7.2.5 Удлинительные провода

8. Безопасность жизнедеятельности

8.1 Потенциально-опасные и вредные производственные факторы при работе на ПЭВМ

8.2 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ

8.3 Режим труда и отдыха

8.4 Вывод

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Тепловая защита и теплоизоляция строительных конструкций зданий и сооружений имеют огромное значение в современном строительстве. Правильное ее применение в значительной мере определяет возможность поддержания требуемых технологических процессов, энергоэффективности и эксплуатации оборудования, комфортных условий жизни и труда человека, повышение эффективности энергетических систем в целом.

Большую роль в этих вопросах играет разработка новых методов определения теплофизических свойств и теплофизических характеристик строительных материалов, которые позволят эффективно оценить тепловой и воздушно-влажностный режимы зданий и сооружений различного назначения.

Конец XX и начало ХХ1 века характеризуются постоянным ростом цен на нефть, природный газ и электроэнергию, что связано с исчерпанием запасов традиционных источников энергии и что послужило естественным толчком для рационального использования энергоресурсов, для поиска решений, ведущих к их экономии.

Научно-техническая и промышленная революции прошлого столетия привели к созданию огромного количества предприятий и различных форм производства, для работы которых необходимы миллионы тонн условного топлива. При этом следует учитывать постоянный рост объектов производства, а, следовательно, и потребляемой энергии. С одной стороны, строительство объектов какой-либо индустрии на территории государства ведёт к обеспечению населения рабочими местами и к росту экономики в целом. С другой стороны, появляется новый источник энергопотребления.

В конце 2010 года Правительство утвердило "Государственную программу Российской Федерации энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года". Данная программа нацелена на обеспечение за счёт реализации, включенных в неё мероприятий снижения энергоёмкости ВВП на 13,5% к 2021 году и на обеспечение годовой экономии первичной энергии в объёме не менее 100 млн т у. т. к 2016 году и 195 млн т у. т. к 2021 году. Главная задача разработчиков программы - отход от концепции прямого финансирования проектов, но при этом нацеленность на стимулирование софинансирования их выполнения.

В последние годы в России уделяется всё больше внимания вопросу экономии энергоресурсов. Несмотря на отдельные успехи в некоторых отраслях промышленности, в целом мы существенно отстаём в этом от достижений стран Запада и Америки. Расход электрической энергии на 1 доллар валового продукта составляет на мировом рынке 0,46 кВтч, в США - 0,52 кВтч, в России же - 4,7 кВтч. Доля энергии в структуре и себестоимости валового продукта составляет около 50%, тогда как в промышленно развитых странах она меньше 5%. Нерациональное использование энергоресурсов наносит ежегодно ущерб в размере 40 млрд. у. е.

Серьёзных продвижений и результатов по данному вопросу в области строительства можно добиться активной пропагандой, агитацией и внедрением в массы идеи экономии ресурсов и разумного использования природных ископаемых, а также путём проведения широкого фронта исследований по повышению энергоэффективности зданий и их ограждающих конструкций. Затраты на подобные мероприятия малы по сравнению с прогнозируемой экономией.

Действительно, строительство выделяется среди основных энергоёмких отраслей экономики страны. Из общего энергопотребления данной отраслью 90% расходуется при эксплуатации зданий. Наибольшим энергопотреблением характеризуются жилые здания - 50-55%, несколько меньшим - 35-45% - промышленные здания, а на долю гражданских зданий приходится около 10%.

В целом, для теплоснабжения гражданских зданий требуется до 30% добываемого в нашей стране твёрдого и газообразного топлива. Потенциал энергосбережения в России составляет 40-45% современного энергопотребления в стране, что находится в пределах 360-430 млн т. у. т. Свыше трети этого потенциала сосредоточена в жилищно-коммунальном хозяйстве, а в строительстве и промышленности - свыше одной трети [1,2,3,4].

Цель работы: получение теплотехнические свойства многослойной ограждающей конструкции на физической и компьютерной моделях.

Задачи исследования:

1.       Провести натурные исследования состояния ограждающих конструкций, особенностей их конструктивных решений, влияющих на теплофизические показатели тепломассопереноса.

2.       Провести компьютерное моделирование в программе "ANSYS".

Объект исследования: наружные ограждающие конструкции жилых зданий.

Предмет исследования: процессы тепломассопереноса, обеспечивающие повышение тепловой эффективности наружных ограждающих конструкций и требуемые условия микроклимата помещений.

Методы исследования включали: натурные исследования тепловой защиты зданий, компьютерное моделирование процессов тепломассопереноса через наружные ограждающие конструкции (теплопередача).

1. Основные положения теплообмена

1.1 Теплота. Температура. Температурное поле

Вcе изучаемые нами тела имеют различную температуру, т.е. они обладают различной внутренней энергией. Температура тела, выражающая степень его нагретоcти, является физической характеристикой запаса внутренней энергии, обусловленной кинетической энергией молекул этого тела. Чем выше температура тела, тем больший запас внутренней (тепловой) энергии оно имеет. Из опыта известно, что эта энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому или от области тела c более высокой температурой к облаcти c менее высокой. Количеcтво передаваемой энергии в этом процессе называется количеством теплоты.

Теплота - cинонимы: тепловая энергия, тепло - один из видов энергии, которая представляет собой кинетическую энергию микрочастиц, в основном молекул. Тепловая энергия может превращаться в химическую энергию при изменении агрегатного состояния тела. Для того чтобы превратить лёд в воду, нужно затратить некоторое количество теплоты; при этом тепловая энергия "уничтожается", а взамен возникнет химическая энергия, которую часто называют скрытой теплотой (хотя в действительности теплоты уже не сущеcтвует, а имеется лишь возможность при определенных условиях превращения химической энергии вновь в тепловую).

Другим видом превращения теплоты является ее переход в электромагнитную энергию. Для этого нагретое тело излучает (теряет) тепловую энергию, при этом теплота нагретого тела превращается в электромагнитную энергию.

Кинетическая энергия микрочастиц (т.е. теплота) превращается в механическую (кинетическую или потенциальную) энергию микрочастиц тела; еще чаще встречаются обратные переходы - механической энергии в тепловую, например, при движении воды (диссипация энергии).

Переход энергии из одного вида в другой, естественно, подчиняются закону сохранения энергии, что служит основой для составления уравнения энергетического баланса.

Производными от теплоты являются такие понятия, как:

)        тепловой поток - количество теплоты, проходящей через изотермическую поверхность в единицу времени;

2)      интенсивность (плотность) теплового потока - тепловой поток, проходящий в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности;

)        мощность источника теплоты - количество теплоты, выделяющейся в единицу времени в точке, на поверхности или в объеме;

)        теплосодержание - количество теплоты, содержащейся в теле.

Процесс передачи теплоты в природе от одного тела к другому довольно сложный и часто осуществляется одновременно несколькими путями.

Общее количество передаваемой теплоты измеряется в джоулях (Дж) и обозначается через Q. Джоуль - это единица работы (энергии), произведенной силой в 1 H на пути в 1 м, в случае, когда сила и путь совпадают по направлению.

Индексом Q будем обозначать и количество внутренней энергии (теплоты), которым обладает тело при данной температуре t. Эту энергию принято называть энтальпией. Для однородного тела ее определяют по формуле

Q=crVt, Дж, (1.1)

Где с - удельная теплоемкость материала тела,;

r-плотность материала тела,;

V - объем тела;

m=rV - масса тела,.

Энтальпия, как и количество теплоты, измеряется в джоулях.

Из практики известно, что каждая точка природных объектов (грунт, лед, снег, вода и другие вещества) и инженерных сооружений (плотина, разделяющая стенка, трубопровод, железнодорожная насыпь и др.) характеризуется температурой.

Температура физическая величина, характеризующая тепловое состояние микроскопических объемов тела. Температура позволяет судить не только о тепловой энергии тела, но и о возможностях отдачи или получения тепловой энергии извне, о перераспределении теплоты внутри тела и ее переходе в другие виды энергии.

Два тела могут иметь одинаковую тепловую энергию, но различную температуру; при этом их состояния оказываются весьма разными. Прежде всего, различие состояния в этот момент времени, но не менее важно различие, которое представляют два объекта по вероятности дальнейшего хода тепловых процессов. Так, еcли имеется водохранилище глубиной 100 м c температурой воды 0,5°С и водохранилище глубиной 10 м с температурой воды 5°С, то хотя их запасы теплоты одинаковы (относительно температурного порога льдообразования - 0°С), при прочих равных условиях ледяной покров раньше образуется на первом водохранилище. Однако даже при одинаковых глубинах и равных запасах тепла условия в двух водохранилищах могут быть весьма разными из-за разного характера распределения температуры по глубине.

Если температура тела изменяется от точки к точке, то оно может быть охарактеризовано пространственным температурным полем, а если температура изменяется к тому же и во времени, то пространственно-временным. Температурное поле может быть представлено в виде функциональной зависимости:

t =f_{1 (}x, у, z, τ),°С. (1.2)

где х, у, z - координаты точки;

τ - время.

Так совокупность температур всех точек тела в какой-либо момент времени называют температурным полем.

Температурные поля бывают стационарные и нестационарные. Если температура тела является функцией координат и времени, что соответствует зависимости (1.2), то такое температурное поле будет нестационарным (градиент температуры по времени ∂t/∂τ ≠ 0). В том случае, когда температура тела с течением времени не изменяется (∂t/∂τ = 0) и является функцией только координат, температурное поле будет стационарным:

t =f_{2 (}x, у, z),°С. (1.3)

Бывают температурные поля трехмерные (пространственные), двухмерные (плоские) и одномерные (линейные). К первым относятся поля, описываемые зависимостями (1.2) и (1.3), ко вторым - поля, описываемые зависимостями:

t =f_{3 (}x, у, τ),°С (1.4)

t =f_{4 (}x, у),°С (1.5)

к третьим - поля, описываемые зависимостями:

t =f_{5 (}x, τ),°С (1.6)

t =f_{6 (}x),°С. (1.7)

Соединим в двухмерном температурном поле точки с одинаковой температурой - получается система линий, соответствующих выбранной температуре. Эти линии называются изотермами. Они не пересекаются и заканчиваются на контуре или же замыкаются сами на себя (рисунок1.1).

Выделим какие-либо две расположенные рядом изотермы, например, с температурой t и t - ∆t, и проследим между ними расстояние ∆n. Оно окажется различным.

Отношение перепада температуры ∆t к расстоянию между изотермами ∆n по нормали n при стремлении ∆n к нулю называют градиентом температуры, т.е.

,, (1.8)

Градиент температуры наибольший там, где расстояние по нормали между изотермами наименьшее, и наоборот.

Градиент температуры - вектор, направленный по нормали к изотерме в сторону возрастания температуры. Из-за в направлении убывания температуры он отрицательный.

Рисунок 1.1 - Двухмерное температурное поле (водоем в плане): 1 - изотерма; 2 - линия тока теплоты.

Температурное поле дает исчерпывающую информацию о тепловом состоянии тела и обладает свойствами:

теплоизоляция тепловая защита здание

температура в теле меняется во всех направлениях непрерывно; никаких скачков температуры в теле нет;

между точками, имеющими разные температуры, непременно имеются точки со всеми промежуточными температурами;

изотермические поверхности всегда замкнуты на себя или на границы тела;

любое тело может быть представлено как cовокупность бесконечного числа примыкающих друг к другу изотермических поверхностей;