Дипломная (вкр): Расчетно-экспериментальное исследование теплоэффективного многослойного строительного материала
изотермические поверхности не могут переcекать друг друга (так как одна и та же точка тела не может иметь одновременно две температуры), но одно тело может иметь несколько одинаковых изотерм;
поверхности максимальных градиентов не имеют разрывов, но могут иметь изломы и, кроме того, в отличие от изотермических поверхностей значения градиентов могут меняться скачкообразно;
в твердом изотропном теле поверхности максимальных градиентов
являются одновременно поверхностями, совпадающими с направлением теплового
потока.
1.2 Тепловой поток. Коэффициент теплопроводности
Пусть в среде имеют место различные значения температуры, т.е. имеется градиент температуры, тогда в этой среде будет существовать тепловой поток (распространение теплоты). Тепловой поток направлен в сторону убывания температуры.
Линии теплового потока совпадают с линиями максимальных градиентов лишь в изотропных телах, где они создают с изотермами криволинейную, но ортогональную сетку.
Французский ученый Фурье, изучая перенос теплоты в средах, открыл эмпирический закон, согласно которому удельный тепловой поток (или интенсивность теплового потока) прямо пропорционален градиенту температуры:
q = λ ( - 
t/n), Вт/м2,
(1.9)
гдеλ - коэффициент пропорциональности;
n - нормаль к изотермической поверхности.
Формула (1.9) в настоящее время носит название закона Фурье. Коэффициент пропорциональности λ называют коэффициентом теплопроводности. Для получения положительного значения теплового потока в уравнении (1.9) необходимо ставить знак минус.
Зная удельный тепловой поток, можем определить тепловой поток, проходящий через некоторую площадь F, выделенную на изотермической поверхности:
Q = qF = - λ t/n F, Вт/м2. (1.10)
Теплопроводность вещества, воды и льда, имеет исключительное значение в природе. Благодаря теплопроводности (передаче теплоты) происходит выравнивание температуры в теле или среде. В твердых телах передача теплоты (теплопередача) осуществляется от молекулы к молекуле вcледствие их соприкосновения. Для твердых тел она является единственно возможной и называют ее кондукцией, касанием или молекулярной. В жидких средах молекулярная теплопередача играет существенную роль только в том случае, если жидкость находится в покое. Для жидкостей, в том числе и для воды, характерно существование еще двух видов теплопередачи, обусловленных турбулентностью потока и конвекцией.
Характеристикой молекулярной теплопередачи является
коэффициент теплопроводности λ. Он является физическим
параметром вещества и зависит от его структуры, плотности, влажности,
температуры и давления. Коэффициент теплопроводности определяется опытным путем
с использованием уравнения (1.10), которое можно представить в виде:
λ = - Q/ [Fτ Δt/ (Δn)], Вт/ (м·°С). (1.11)
где τ - время.
Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, которая проходит через 1 м2 изотермической поверхности в один час при слое вещества в один метр и разности температуры на границах слоя в 1°С.
Теплопроводность материалов подразделяются на твердые тела, газы и жидкости.
Коэффициент теплопроводности твердых тел составляет 20-400 Вт/ (м·°С) (металлы) и 0,02-3,00 Вт/ (м·°С) (строительные материалы), газов - 0,005-0,500 Вт/ (м·°С) и жидкостей 0,08-0,70 Вт/ (м·°С).
Коэффициент теплопроводности большинства жидкостей с
повышением температуры убывает. Вода в этом отношении является исключением. C увеличением температуры
от 0 до 127°С коэффициент теплопроводности воды увеличивается, а при дальнейшем
возрастании температуры - уменьшается рисунок 1.2 При 0°С коэффициент
теплопроводности воды равен 0,569 Вт/ (м·°С). С увеличением минерализации воды
коэффициент ее теплопроводности уменьшается, но очень незначительно.
Рисунок 1.2 - Зависимость коэффициента теплопроводности от
температуры: 1 - лед; 2 и 3 - вода и переохлажденная вода.
Давление оказывает влияние на теплопроводность жидкости, однако, в большей степени на теплопроводность газов. У воды теплопроводность при изменении давления в больших пределах практически не изменяется. Это связано с малой сжимаемостью воды, которая определяется характером сил межмолекулярного взаимодействия.
Как вода среди жидкостей, так и лед среди твердых материалов
являются исключением по проводимости теплоты. C повышением температуры
коэффициент теплопроводности пресноводного льда не повышается, а понижается,
достигая при 0°С 2,24 Вт/ (м·°С) рисунок 1.2 Эта связь близка к линейной и
может быть выражена, по данным Якоба и Эрка, эмпирической формулой:
λл = 2,24 (1-0,0048t), Вт/ (м·°С). (1.13)
где t - температура льда с учетом знака,°С.
Теплопроводность cоленого льда уменьшается c ростом его солености, но увеличивается c понижением температуры, так как при этом возрастает концентрация рассола во льду.
Для ледяного покрова озер и рек характерно распределение
коэффициента теплопроводности по его толщине. Это обусловлено более высокой
температурой льда в нижних слоях (на нижней границе 0°С) и низкой температурой
в расположенных выше слоях, а также пористостью, которая в верхних слоях
больше, чем в нижних.
1.3 Теплопередача и теплоотдача
Теплопередача (теплообмен) охватывает совокупность явлений передачи теплоты из более нагретой подвижной среды в менее нагретую, через разделяющую их твердую стенку. Например, теплопередача от воды к воздуху, между которыми расположена стенка. Твердая стенка может быть и многослойной. При рассмотрении переноса теплоты от воды, движущейся по трубопроводу теплотрассы, к окружающему воздуху.
Теплоотдача охватывает совокупность явлений переноса теплоты только между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной подвижной средой. В практике гидрологов и метеорологов часто встречаются задачи о теплообмене между двумя подвижными средами, исключая твердую стенку, - это случай теплоотдачи водной поверхностью в окружающую ее среду - воздух.
В широком понимании теплопередача и теплоотдача осуществляются теплопроводностью, конвекцией, лучистым теплообменом, при изменении агрегатного состояния вещества, биологических процессах в живых организмах и др. Способы передачи тепла (теплоперенос или теплопередача) в твердом теле и в жидкости различны.
Перенос теплоты вследствие теплопроводности подчиняется закону Фурье. Рассматриваемая форма переноса теплоты в основном присуща твердым телам, в которых теплота распространяется передачей кинетической энергии от одних микрочастиц к другим путем соударений; перемещение самих частиц в твердом теле, естественно, исключено. Теплопроводность имеет место также в жидкостях и газах (воздухе). Но в последних теплота передается также путем перемещения частиц, носителей тепловой энергии. Такой способ называется конвективным теплопереносом. Заметим, что в первом случае теплота передается, а носители теплоты, частицы жидкости, остаются на месте, в то время как во втором случае теплота переносится вместе с жидкостью. Таким образом, в жидких и газообразных средах теплопроводность проявляется в чистом виде лишь в том случае, когда наблюдается прямая стратификация плотности. Для воды такому состоянию плотности соответствует повышение температуры с высотой при ее значении более 4°С и понижение с высотой - при ее температуре менее 4°С.
Перенос теплоты конвекцией происходит в результате перемещения частиц теплоносителя и наблюдается только в жидких и газообразных средах. В зависимости от причины, побуждающей частицы жидкости перемещаться, различают свободную и вынужденную конвекции.
Свободной (естественной, плотностной) конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое неоднородностью плотности частиц жидкости (газа), находящихся в поле тяготения. Поэтому свободно конвективный перенос теплоты обусловлен перемещением частиц жидкости лишь в силу изменения их плотности, что, в свою очередь, обусловлено нагреванием или охлаждением ее или изменением концентрации (солености). Например, если воду в сосуде, находящуюся при температуре выше 4°С, охлаждать сверху, то в воде возникнет свободная конвекция, т.е. активный перенос частиц воды снизу вверх. Одновременно будет происходить перенос более охлажденных частиц в обратном направлении. В этом случае наблюдается нестационарная свободная конвекция. Увеличение плотности поверхностных слоев водоема может произойти также за счет увеличения мутности, обусловленной притоками, или осолонения при испарении.
Вынужденной конвекцией это движение жидкости (газа), вызываемое воздействием внешних сил (ветер, насос и т.д.), а также однородного поля массовых сил в жидкости (уклон и т.д.). Таким образом, перенос теплоты вынужденной конвекцией обусловлен турбулентным перемешиванием водных или воздушных масс потока, а также связан с переносом теплоносителя. При вынужденной конвекции осуществляется перенос тепла, связанный, например, с течением водных и воздушных потоков, с ветровым перемешиванием и ветровым течением водных масс суши. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т.е. перенос больших объемов жидкости.
Таким образом, гидравлика жидкости (поле скоростей) при вынужденной конвекции мало зависит от температуры и поэтому может и должна определяться до начала теплового расчета; она является заданным условием решения тепловой задачи, в то время как гидравлика при свободной (естественной) конвекции прямо связана с тепловым режимом рассматриваемого водного объекта, и поэтому здесь вопросы гидравлики и термики должны рассматриваться совместно, что принципиально существенно усложняет задачу.
Третья форма передачи теплоты обусловлена лучистым (радиационным) теплообменом и совершается путем двойного превращения энергии: сперва из тепловой в электромагнитную в месте излучения, а затем, после того как она прошла весь путь в теплопрозрачной среде, обратно в тепловую в месте поглощения. Таким образом, эта форма передачи теплоты характеризуется тем, что часть энергии тела, определяемая температурой его поверхности, преобразуется в энергию теплового излучения и уже в таком виде передается в окружающее пространство. Встречая на своем пути другое тело, лучистая энергия частично отражается от его поверхности и частично поглощается им, т.е. проникает на некоторую его глубину, зависящую от прозрачности тела.
Скорости передачи теплоты указанными способами различны. Радиационным способом совершается практически мгновенная передача теплоты; так, в воздухе скорость передачи равна 300 000 км/с. При конвективном способе скорость передачи теплоты полностью зависит от скорости движения жидкости; так, например, в реке она может составлять 1-2 м/с.
Особая форма передачи теплоты имеет место в случае изменения агрегатного состояния вещества, например при кристаллизации воды и таянии льда, при конденсации водяного пара и испарении воды и т.д.
Биологические и химические процессы также сопровождаются
тепловыми процессами. При кристаллизации и конденсации воды и биологических
процессах происходит выделение теплоты, а при испарении воды, таянии льда - ее
поглощение. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции
происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т.е. перенос
больших объемов жидкости
1.4 Количественная оценка конвективной теплоотдачи
При передаче теплоты конвекцией интенсивность теплового потока прямо пропорциональна температуре жидкости или газа в данной точке и скорости течения в данном направлении:
q =c r vi t, Вт/м2 (1.14)
где-vi - проекция скорости движения жидкости v на направление i.
Особый интерес представляет определение передачи теплоты у границ жидкости, например от речного потока к его ложу или от воздушного потока к поверхности ледяного покрова. Как известно, в непосредственной близости от границы скорость жидкости (газа) равна нулю, здесь теплота передается через пограничный слой механизмом конвективной теплопроводности. А конвективный теплообмен в природе определяется разницей между температурой подстилающей поверхности (может быть как твердой, так и жидкой) и температурой находящейся над ней жидкой или газообразной среды, в которой имеет место молярный перенос теплоты.
Принимая температуру подстилающей поверхности за tп, а температуру
прилегающей к этой поверхности окружающей подвижной среды за θ, по закону Ньютона можно определить количество теплоты Qк (Вт/м2),
теряемое 1м2 этой поверхности в единицу времени (интенсивность
теплового потока при передаче теплоты конвекцией):
Qк = α (tп - θ), Вт/м2, (1.15)
где α - эмпирический коэффициент теплоотдачи от подстилающей поверхности в окружающую среду.
Следует заметить, что зависимость (1.15) - далеко не физический закон, так как постоянная α скрывает, а не раскрывает множество различных факторов, от которых зависит теплоперенос к поверхности. Соотношение (1.15) получило широкое распространение благодаря тому, что оно позволяет резко упростить расчеты; кроме того, его определению посвящено много экспериментов, постановка и обработка результатов которых основывается на теории подобия.
Коэффициент теплоотдачи α определяется экспериментально. Он зависит от большого числа
характеристик подстилающей поверхности и окружающей среды: шероховатости
(формы) подстилающей поверхности, скорости движения, температуры и физических
параметров окружающей среды [5].
2. Исходные данные
2.1 Описание здания
Объект строительства - спортивный корпус в городе Вологде.
Исходными данными для данной работы являются расчетные
параметры воздуха. Расчетные параметры разделяются на внутренние и наружные. По
[9] определяем параметры наружного и внутреннего воздуха для г. Вологда, и
сводим их в таблицу 2.1.
Таблица 2.1 - Расчетные параметры воздуха
Наименование
параметра
Обозначение
Значение
Единица
измерения
1
2
3
4
Наружные
расчетные параметры
Температура
холодной пятидневки
text
-32
оС
Средняя
температура наружного воздуха за отопительный период
tср
-4,1
оС
Продолжительность
отопительного периода
z
231
сут
Применение теплоэффективных блоков в
строительстве домов и коттеджей приносит застройщику ощутимый экономический
эффект. Незначительный вес теплоэффективных блоков снижает транспортные расходы
и избавляет стройку от необходимости иметь подъемные устройства. Применение
клея, а не цементных растворов, исключает доставку большого количества воды,
цемента и песка на стройку, дает постоянно высокое качество кладки, сводит к
минимуму тяжелый, не продуктивный ручной труд. Четкие геометрические размеры
блока и продуманная его номенклатура позволяет использовать персонал более
низкой квалификации. Скорость кладки не соизмерима ни с каким другим
материалом, тем более, что при возведении стен строитель избавлен от дальнейшей
ее наружной обработки. Стена просто красится при помощи краскопульта или любым
другим традиционным способом. Прочность стены, уложенной на клей, становится
максимальной в течение всего нескольких часов. Это позволяет не ограничивать
производительность бригады каменщиков при кладке стены технологическими
перерывами.
В идеальном случае бригада из четырех
человек может выложить один этаж дома за одни сутки! Скорость возведения домов
из теплоэффективных блоков в несколько раз превосходит скорость строительства
домов из любых других материалов. Строитель получает возможность при более
низких затратах, за то же время, и теми же бригадами, построить в несколько раз
больше современных прекрасных каменных домом, спрос на которые очень высок.
Теплоэффективный блок с успехом может применяться и при возведении многоэтажных
каркасных домов в качестве ограждающего самонесущего материала.
Рядовой Блок (по размерам больше обычного
кирпича в 12-13 раз) состоит из трех слоев, скрепленных двумя
стеклопластиковыми стержнями, выдерживают нагрузку на разрыв до 1000 кг,
некоррозийные, щелочестойкие, легче металлических аналогов (для достижения
такой же прочности необходима арматура диаметром 12 мм).
Толщина наружного, защитно-декоративного
слоя фактурного бетона всего 5 см.
Затем идет слой
пенополистирола-утеплителя.
Завершает сэндвич-конструкцию несущий слой
керамзитобетона.
Таким образом, толщина стены, сложенной из
теплоблоков, всего равна около 40-сантиметров.
Фасадный слой блока это керамзитобетон
повышенной прочности. Защитно-декоративный слой может иметь различную фактуру.
Фасадная часть блока может быть окрашена, что придаст дому эксклюзивность и
индивидуальность.
Внутренний слой это пенополистерол ПСБС-25
плотностью от 15 до 25 кг/м³. Высокая плотность
пенополистерола это отличные теплосберегающие характеристики и большой срок
службы. Для увеличение качества пенополистерола используется. Пенополистерол
высокой плотности так же обладает отличными свойствами шумоизоляции.
Для производства блока используются:
1. Керамзит
. Цемент
. Песок - речной, мытый
. Пенообразователь
. Пластификатор
. Стеклопластиковая арматура
Технологическим недостатком всех
существующих способов возведения домов является то, что "Точка росы"
у стен находится в толще бетона, и здесь не обойтись без утеплителя, чтобы
стены не промерзали. В данной технологии эта проблема с успехом решена
2.3 Преимущества строительства домов из
"ТЕПЛОБЛОКОВ":
1. Потери тепла через стены меньше в 5
раз, а отопление в 3 раза экономичнее.
. Возможно строительство зданий до 3-х
этажей включительно, без применения каркаса, класть плиты перекрытия.
. Морозостойкость теплоблоков составляет
50 циклов (кирпича 25 циклов, газобетона 35 циклов).
. Экологичность (для производства
используются цемент, песок, керамзит и вода).
. Пожаробезопасность (утеплитель надежно
"замурован" внутри каждого блока).
. Эстетичность (наличие фактурного
лицевого слоя позволяет имитировать любые виды каменных, кирпичных и лепных
покрытий фасадов).
. Экономия при сооружении фундаментов
составляет 15-20% (стены из трехслойных тепло эффективных блоков в 2-3 раза
легче кирпичных).
. Экономия (кладка стен ведется в один
ряд, исключается наружная отделка, что всегда связано с большими затратами
труда и материалов, толщина стен возведенных из "ТЕПЛОБЛОКА" меньше,
что приводит к увеличению площади квадратных метров в помещениях без
дополнительных затрат).
. Скорость при возведении стен
(строительство из "ТЕПЛОБЛОКА" существенно сокращает сроки возведения
объекта, не теряя качества (строительство 2-х этажного дома 200 кв. м занимает
порядка 40-45 дней)).
В длину он равен 350 мм, в ширину 340 мм, а в высоту 170 мм и
общим весом примерно 23 кг. Геометрия Теплоблока предоставлена на рисунке
2.1:
Рисунок 2.1 - Геометрия Теплоблока
Программный модуль ANSYS FLUENT имеет широкий спектр
возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с
учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. К примерам применения FLUENT можно отнести задачи
обтекания крыла, горение в печах, течение внутри барботажной колонны, внешнее
обтекание нефтедобывающих платформ, течение в кровеносной системе, конвективное
охлаждение сборки полупроводника, вентиляция в помещениях, моделирование
промышленных стоков. Специализированные модели горения, аэроакустики,
вращающихся/неподвижных расчетных областей, многофазных течений серьезно
расширяют области применения базового продукта.
ANSYS FLUENT - это удобный, отказоустойчивый инструмент,
позволяющий даже новичкам достигать высокой производительности труда.
Интеграция модуля ANSYS FLUENT в рабочую среду ANSYS Workbench, а также возможность
использования модуля ANSYS CFD-Post для обработки результатов создает комплексное
решение для выполнения инженерного анализа в области моделирования течений
жидкостей и газов.
Техническая поддержка компании предлагает всестороннее
обучение, нацеленное на достижение пользователями успехов в решении задач.
Важнейшие компоненты - всесторонние модели, простота в использовании,
техническая поддержка - объединены друг с другом, что позволяет использовать
модуль ANSYS FLUENT во многих отраслях промышленности [6].
1) Запускаем Workbench,
) добавляем модуль Geometry, как показано на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 - добавление модуля Geometry
) Запускаем Design Modeler,
4) Рисуем слои Теплоблока с помощью команды Create>Primitives>Box как показано на рисунке
3.2, рисунок 3.3, рисунок 3.4:
Рисунок 3.2 - Создание 1 слоя
Рисунок 3.3 - Создание 2 слоя
Рисунок 3.4 - Создание 3 слоя
) В модуле Mesh разбиваем полученную геометрию на конечные
элементы с настройками, представленными на рисунке 3.5 Задаем названия границ (Named Selection).
Рисунок 3.5 - Создание сетки
) Задаем граничные условия в модуле Fluent рисунок 3.6, рисунок
3.7, рисунок 3.8, рисунок 3.9.
Рисунок 3.6 - Включение модели энергии
Рисунок 3.7 - Создание материала 1 слоя
Рисунок 3.8 - создание материала для 2 слоя
Рисунок 3.9 - создание материала для 3 слоя
) Задаем граничных условий 2 рода рисунок 3.10, рисунок 3.11,
рисунок 3.12
Рисунок 3.10 - Задание граничных условий 2 рода на внутренней
поверхности
Рисунок 3.11 - Задание граничных условий 2 рода на наружной
поверхности
Рисунок 3.12 - Задание граничных условий 2 рода по остальным
поверхностям
) Производим инициализацию расчета рисунок 3.13
) Запускаем расчет
Рисунок 3.13 - инициализация расчет
) Производим обработку результатов моделирования
теплопередачи в Теплоблоке после решения 2-х задач, когда теплопроводность
задавалась по нормативам и по экспериментальным значениям в модуле Results рисунок 3.14.
Рисунок 3.14 Результаты моделирования по Fluent
В данной работе были исследованы конвективные течения в
цилиндрическом слое жидкости с локализованным нагревом в центральной области в
пакете ANSYS. Результаты проведенного исследования показали, что варьирование
мощности нагрева в рамках используемой численной модели не приводит к
существенным изменениям в структуре течений. От жидкости и мощности нагревателя
зависят только количественные характеристики: изменение интенсивности движения
и частоты появления конвективной струи. С увеличением мощности нагрева
увеличивается средняя кинетическая энергия течения, и частота появления
вторичных структур в виде конвективных струй.
В ходе решения задачи было проведено сравнение решений,
полученных различными решателями CFX и FLUENT и экспериментом: значения частоты генерации
мелкомасштабных структур, полученных в CFX и FLUENT, являются похожими. На
масле и CFX и FLUENT хорошо согласуются с экспериментом, но только для малых мощностей
нагрева. Таким образом, нужно переходить к трехмерным расчетам и искать
механизм который обуславливает отличие осесимметричного случая и трехмерного.
Были исследованы конвективные течения в неподвижном
цилиндрическом слое жидкости со стоком в центре. В осесимметричной постановке
задачи в неподвижном слое жидкости вихревые движения не возникают. Это
означает, что это явление имеет трехмерную природу и нужно переходить к
трехмерным расчетам для изучения вихревых движений в неподвижном слое жидкости.
В данной лабораторной работе будет экспериментальным методом
определен коэффициент теплопроводности. Работа будет проводится с помощью
приборной базы. По результатам проведения эксперимента будут выявлены
теплотехнические свойства Теплоблока.
Лабораторная работа представляет из себя следующую
последовательность действий:
. Установка Теплоблока в климатическую камеру
. Градуировка термопар
. Измерение приборной базы
. Выход на стационарный процесс и последующей измерение
результатов
. Обработка результатов
. Определение теплопроводности
. Вывод
Подготовку к экспериментальному определению сопротивления
теплопередаче ограждающей конструкции начинают с составления программы
испытаний и схемы размещения первичных преобразователей температур и тепловых
потоков. В программе испытаний определяют вид испытания (лабораторные,
павильонные, натурные), объекты, район, ориентировочные сроки, объем испытаний,
виды ограждающих конструкций, контролируемые сечения и др. данные, необходимые
для решения поставленной задачи.
Схему размещения первичных преобразователей температур и
тепловых потоков составляют на основе проектного решения конструкции или по
предварительно установленному температурному полю поверхности испытываемой
ограждающей конструкции. Для этого при испытаниях в климатических камерах или
павильонах полностью смонтированную ограждающую конструкцию подвергают
временному тепловому воздействию при помощи оборудования, после чего, не
дожидаясь установления стационарного режима, с целью выявления теплопроводных
включений и термически однородных зон, их конфигурации и размеров, снимают
температурное поле с помощью тепловизора, терморадиометра и термощупа. Контуры
основных температурных зон по результатам термографирования наносят на
поверхность ограждающей конструкции.
При натурных испытаниях сразу приступают к измерению
температур поверхностей и устанавливают термически однородные зоны и места
расположения теплопроводных включений.
Тепловизор устанавливают таким образом, чтобы в поле зрения
попала по возможности вся конструкция. Полученные на мониторе термограммы
фиксируют с помощью фотоаппарата или видеомагнитофона. Допускается получение
изображения всей площади испытываемого фрагмента ограждающей конструкции
последовательным термографированием участков.
При измерении температур термощупом внутреннюю и наружную
поверхности ограждающей конструкции разбивают на квадраты со сторонами не более
500 мм. Зоны с теплопроводными включениями разбивают на более мелкие квадраты в
соответствии с конструктивными особенностями. Температуру поверхности измеряют
в вершинах этих квадратов и непосредственно против теплопроводных включений.
Значения температур наносят на эскиз ограждающей конструкции. Точки с равными
температурами соединяют изотермами, определяют конфигурацию и размеры
изотермических зон. Для выявления термически однородных участков допускается
ограничиться измерением температур внутренней поверхности ограждающей
конструкции в случае невозможности измерения температур с наружной стороны.
Первичные преобразователи температур и тепловых потоков
располагают в соответствии со схемой. Пример схемы размещения термопар по
сечению и на поверхности ограждающей конструкции и подключения их к
измерительной аппаратуре приведен в приложении.
При необходимости схему размещения первичных датчиков
уточняют по результатам термографирования поверхности испытываемой ограждающей
конструкции.
Для определения сопротивления теплопередаче части ограждающей
конструкции, равномерной по температуре поверхности, Ro, преобразователи
температур и тепловых потоков устанавливают не менее чем в двух характерных
сечениях с одинаковым проектным решением.
Для определения сопротивления теплопередачи термодатчики
располагают в центре термически однородных зон фрагментов ограждающей
конструкции (панелей, плит, блоков, монолитных и кирпичных частей зданий,
дверей) и дополнительно в местах с теплопроводными включениями, в углах, в стыках.
Для измерения термического сопротивления отдельных слоев
ограждающей конструкции чувствительные элементы термодатчиков монтируют в
сечениях в толще фрагмента ограждающей конструкции при его изготовлении с шагом
50-70 мм и для многослойных конструкций дополнительно на границах слоев.
При наличии в ограждающих конструкциях вентилируемых прослоек
чувствительные элементы термодатчиков устанавливают с шагом не менее 500 мм на
поверхностях и в центре прослойки.
Преобразователи тепловых потоков закрепляют на внутренней и
наружной поверхностях испытываемого ограждения не менее чем по два на каждой
поверхности.
Для измерения температур внутреннего воздуха чувствительные
элементы термодатчиков устанавливают по вертикали в центре помещения на
расстоянии 100, 250, 750 и 1500 мм от пола и 100 и 250 мм от потолка. Для
помещений высотой более 5000 мм термодатчики по вертикали устанавливают
дополнительно с шагом 1000 мм.
Для измерения температур внутреннего и наружного воздуха
вблизи ограждающей конструкции термодатчики устанавливают на расстоянии 100 мм
от внутренней поверхности каждой характерной зоны и на расстоянии 100 мм от
наружной поверхности не менее чем двух характерных зон.
Чувствительные элементы термодатчиков плотно прикрепляют к
поверхности испытываемой конструкции.
При использовании термопар допускается закреплять их на
поверхности ограждающей конструкции с помощью клеящих составов: гипса или
пластилина, толщина которых должна быть не более 2 мм. Степень черноты
используемых клеящих материалов должна быть близка к степени черноты
поверхности ограждающей конструкции.
При этом термометрический провод от места закрепления
чувствительного элемента отводят по поверхности ограждающей конструкции в
направлении изотерм или минимального градиента температур на длину не менее 50
диаметров провода.
Сопротивление электрической изоляции между цепью
термопреобразователя и наружной металлической арматурой должно быть не менее 20
МОм при температуре (25 ± 10) °С
и относительной влажности воздуха от 30 до 80 %.
Свободные концы термопар помещают в термостат с температурой
0 °С. Допускается использовать в качестве термостата сосуд Дьюара.
При этом в нем должны быть одновременно пар, вода и лед
дистиллированной воды.
Термопары подключают к вторичному измерительному прибору
через промежуточный многоточечный переключатель.
Для измерения плотности теплового потока, проходящего через
ограждающую конструкцию, на ее внутренней поверхности устанавливают по одному
преобразователю теплового потока в каждой характерной зоне.
Для измерения разности давления воздуха концы шлангов от
микроманометра располагают по обе стороны испытываемой конструкции на уровне
1000 мм от пола.
Гигрографы, гигрометры, аспирационные психрометры и
термографы, предназначенные для контроля и регулирования температуры и
относительной влажности воздуха, устанавливают в центре помещения или отсека
климатической камеры, на высоте 1500 мм от пола.
При испытаниях в климатической камере после проверки
готовности оборудования и измерительных средств теплый и холодный отсеки с помощью
герметичных дверей изолируют от наружного воздуха.
На регулирующей аппаратуре устанавливают заданные температуру
и влажность воздуха в каждом отсеке и включают холодильное, нагревательное и
воздух увлажняющее оборудование камеры.
1) Testo 830-T1
Пирометр Testo 830-T1 рисунок 4.1 предназначен для быстрого и точного
дистанционного измерения температуры поверхности в диапазоне от - 30 до +400° C в промышленном секторе и
в быту.
Прибор оснащен лазерным целеуказателем, соотношение пятна
измерения к расстоянию составляет 10: 1, имеется возможность установки
минимальных и максимальных пороговых значений температуры, при превышении
которых происходит визуальная и звуковая сигнализация.
Высокое разрешение 0.1 0С и регулируемый
коэффициент излучения позволяют получать очень точные результаты.
Рисунок 4.1 - Прибор Testo 830-T1
Особенности пирометра Testo 830-T1
Диапазон измерений от - 40 до 400 С.
Оптическое соотношение пятна к расстоянию 10: 1.
Быстрая регистрация.
Регулируемые пределы сигналов тревоги.
Звуковая и визуальная сигнализация при превышении предельных
значений.
Легкое управление благодаря эргономичному пистолетному
дизайну.
Функция удержания данных с одновременным отображением
текущего значения.
Дисплей с подсветкой.
Регулируемый коэффициент излучения (от 0,2 до 1,0).
Лазерный целеуказатель.
Измеритель плотности теплового потока серии ИПП-2
Прибор ИПП-2 МК рисунок 4.2 предназначен для измерения
плотности тепловых потоков по ГОСТ 25380-92, проходящих через однослойные и
многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений, через облицовку и
теплоизоляцию энергообъектов при экспериментальном исследовании и в условиях
эксплуатации.
Рисунок 4.2 - Прибор ИПП-2 МК
Приборы серии ИПП-2 МК нашли широкое применение в
строительстве, научных организациях и на различных объектах энергетики.
Принцип действия прибора основан на измерении перепада
температур на "вспомогательной стенке". Величина температурного
перепада пропорциональна плотности теплового потока. Измерение температурного
перепада осуществляется с помощью ленточной термопары, расположенной внутри
пластинки зонда, выступающей в роли "вспомогательной стенки".
В рабочем режиме прибором производится циклическое измерение
выбранного параметра. Осуществляется переход между режимами измерения плотности
теплового потока и температуры, а также индикации заряда аккумуляторов в
процентах 0%…100%. При этом при переходе между режимами на индикаторе отображается
соответствующая надпись выбранного режима. Прибор также может производить
периодическую автоматическую запись измеренных значений в энергонезависимую
память с привязкой ко времени. Включение/выключение записи статистики,
настройка параметров записи, считывание накопленных данных осуществляется с
помощью программного обеспечения, поставляемого по заказу.
Возможность установки порогов звуковой и световой
сигнализации. Пороги - это верхняя или нижняя границы допустимого изменения
соответствующей величины. При превышении верхнего порогового значения или
снижении ниже нижнего порогового значения прибор обнаруживает это событие и на
индикаторе загорается светодиод. При соответствующей настройке прибора
нарушение порогов сопровождается звуковым сигналом.
Под настройкой порога подразумевается выбор вида порога:
нижний или верхний, уровня сигнализации: предупреждение или тревога и
собственно значение порога (параметр предупреждение/тревога выражается только в
разной звуковой сигнализации нарушения порога).
Передача измеренных значений на компьютер по интерфейсу RS 232. Скорость обмена с
компьютером может быть выбрана из следующих значений: 1200, 2400, 4800, 9600 в
зависимости от удаления прибора от компьютера и качества линии связи.
Возможность попеременного подключения к одному прибору до
восьми различных зондов теплового потока. Каждый зонд (датчик) имеет свой
индивидуальный калибровочный коэффициент (коэффициент преобразования Kq) показывающий насколько
напряжение с датчика изменяется относительно теплового потока. Данный
коэффициент используется прибором для построения калибровочной характеристики
зонда, по которой определяется текущее измеренное значение теплового потока.
2) Термогигрометр Testo
625
Рисунок 4.3 - Термогигрометр Testo 625
Прибор рисунок 4.3 для измеренные значения
относительной влажности и температуры (или температуры мокрого термометра и
точки росы) индицируются одновременно на большом 2-х строчном дисплее. Прибор
имеют функции удержания текущих, максимальных и минимальных показаний,
сигнализации о разряде источника питания, а также функцию самоотключения
прибора.
Компактный прибор со встроенным зондом
влажности и температуры в комплекте. Большой двухстрочный дисплей отображает
значения влажности, температуру воздуха, температуру мокрого термометра и точку
росы. При измерении в труднодоступных местах зонд влажности легко отсоединяется
и крепится к рукоятке с кабелем (опционально).
) МИТ-1 Измеритель теплопроводности
мобильный
Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1 предназначен для
оперативного определения теплопроводности широкого спектра строительных
материалов зондовым методом (ГОСТ 30256-94) при технологическом и лабораторном
контроле качества материалов, обследовании объектов с целью определения их
теплозащитных свойств, а также для контроля теплопроводности различных
композиционных материалов, утеплителей, природного камня. Область применения:
предприятия, производящие строительные и теплоизоляционные материалы,
строительные организации и лаборатории, проводящие обследование зданий,
сооружений и конструкций.
Преимущества измерителя теплопроводности материалов
МИТ-1:
расширенный диапазон измерения теплопроводности;
повышенная достоверность измерений;
применение новых технических решений и методов обработки
информации;
уменьшено время измерительного цикла;
возможность выполнения измерений с теплопроводящей пастой и
без нее (с воздушной прослойкой в зазорах);
силовой аккумуляторный блок, обеспечивающий автономную,
непрерывную работу нагревательного устройства зонда в течение 10 часов без
подзарядки;
встроенное в прибор зарядное устройство для быстрой зарядки
аккумуляторов;
минимальные массогабаритные показатели.
Основные функции измерителя теплопроводности
материалов МИТ-1
автоматический цикл измерений;
режим расчета термического сопротивления;
энергонезависимая память с автоматической архивацией 1600
результатов и условий выполнения измерений, а также возможностью просмотра
результатов по номерам и датам; полноценное отображение результатов на графическом дисплее с
регулируемой контрастностью и подсветкой;
автоматический контроль состояния аккумуляторной батареи
прибора с переходом в режим экономии энергии и выдачей сообщения о
необходимости ее заряда;
автоматический ускоренный заряд аккумуляторной батареи;
автоматическое отключение неработающего прибора;
выбор языка текстовых сообщений (русский / английский);
USB-интерфейс, сервисная компьютерная программа.
В данном исследование проводился эксперимент над Теплоблоком
производителя приложение 6. Нам нужно было выявить определение теплозащитных
характеристик ограждающих конструкций.
Теплоблок состоит из 3 частей соединенными внутри
стеклопластиковыми стержнями. Он состоит по бокам из пемзобетона марки М125, а
по середине из пенополистерола марки псб 25. Теплоблок предоставлен на рисунке
4.1.
Рисунок 4.1 - Теплоблок
Для калибровки термопар мы проводили опыты, для этого нам
понадобились сосуды с горячей и с холодной водой (температура которой должна
быть равна нулю), а также пенопласт. Также использовался компьютер. Пенопласт
использовался в качестве теплоизолятора для уменьшения погрешности измерения, а
его температура приближена к комнатной (температура воздуха в этом помещении
примерно равна Первым делом была сделана градуировка термопара при 0°С.
Полученные данные ТЭДС представлены ниже в таблице 4.1
Таблица 4.1 - Градуировка термопар при 0°С
0
1
2
3
0,703
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
1,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
2,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
3,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
4,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
5,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
6,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
7,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
8,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
9,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
10,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
11,687
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
0,4
Время
т.2
т.1
т.4
т.3
0,482208
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
После чего была выполнена градуировка термопры при 100°С (в
кипящей воде). Полученные данные предоставлены в таблице 4.2
Таблица 4.2 - Градуировка термопры при 100°С
0
1
2
3
0,375
3,3
3,3
3,3
3,3
1,375
3,3
3,3
3,3
3,3
2,375
3,3
3,3
3,3
3,3
3,375
3,3
3,3
3,3
3,3
4,375
3,3
3,3
3,3
3,3
5,375
3,3
3,3
3,3
3,3
6,375
3,3
3,3
3,3
3,3
7,375
3,3
3,3
3,3
3,3
8,375
3,3
3,3
3,3
3,3
9,375
3,3
3,3
3,3
3,3
10,375
3,3
3,3
3,3
3,3
11,375
3,3
3,3
3,3
3,3
12,375
3,3
3,3
3,3
3,3
13,375
3,3
3,3
3,3
3,3
14,375
3,3
3,3
3,3
3,3
15,375
3,3
3,3
3,3
3,3
16,375
3,3
3,3
3,3
3,3
17,375
3,3
3,3
3,3
3,3
время
т2
т.1
т.4
т.3
3,3
3,3
3,3
3,3
После нахождения ТЭДС термопар были выполнены графики
зависимости изменения ТЭДС от температуры в нескольких точках т.к.
характеристики многих термопар являются прямолинейными. Для построения графиков
использовались значения полученные после градуировка термопар при 0°С и 100°С
Нашли средние значения термо-ЭДС при Таблица 4.3 - Зависимость ТЭДС от температуры воды
Зависимость
ТЭДС от температуры воды
Градусы
t2
t1
t4
t3
среднее
0
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
100
3,3
3,3
3,3
3,3
3,3
Рисунок 4.3 - Результаты тарирования термопар в точках
1,2,3,4
Для определения теплозащитных характеристик ограждающих
конструкций в лабораторных условиях применяют теплоизолированную климатическую
камеру, состоящую из теплого и холодного отсеков, разделенных испытуемой
конструкцией.
Анализ микроклимата аудиторий климатической камеры проведен
на базе парка измерительных приборов кафедры "Теплогазоснабжение и
вентиляция". Для измерения температуры и относительной влажности
внутреннего и наружного воздуха, поверхностей ограждающих конструкций
применялось следующее измерительное оборудование: пирометр Testo 830-T1; термогигрометр Testo 625; измеритель
плотности теплового потока серии ИПП-2; Влагомер ВИМС - 1. У.
После определения теплофизических параметров помещения и
установки всех приборов к климатической камеры, были выполнены расчеты термопар
подсоединенных к теплоблоку. Измерение температуры теплоблока проводились в
течение 4 дней. На четвертый день в климатической камере образовался
стационарный процесс, как показано на рисунке 4.4 Все измерения в климатической
камере показаны в Приложении 1.
Рисунок 4.4 - Основные экспериментальные параметры
В результате исследования мы нашли теплопроводность
теплоблока, после чего полученные данные сравнили со СНиП и фактическими
данными производителя. Сравнения представлены на рисунке 4.5 Результаты
теплопроводности СНиП, эксперимента и производителя представлены в таблице 4.4
Таблица 4.4 - Теплопроводность
Теплопроводность
СНиП
Эксперимент
ОНИКС
λ1
0,9300
1,1124
1,4310
λ2
0,0380
0,0403
0,0420
λ3
0,9300
0,9942
1,4310
Рисунок 4.5 - Сравнение результатов теплопроводности
Выводы
В ходе данной лабораторной работы был определен
экспериментальным методом коэффициент теплопроводности каждого слоя теплоблока.
По полученным результатам мы определили сопротивление теплопередач и
теплотехнические свойства теплоблока.
После получения данных эксперимента, были построены графики
изменения температуры в Теплоблоке. Они были выполнены в MS EXCELи ANSYS FLUENT и приведены на рисунке
4.6 и рисунке 4.7 На рисунке 4.8 представлено сравнение распределения
температур в толще многослойной ограждающей конструкции, полученных на
экспериментальной и компьютерной моделях.
Рисунок 4.6 - Изменение температуры в Теплоблоке в MSEXCEL
Рисунок 4.7 - Изменение температуры в Теплоблоке в ANSYS FLUENT
Рисунок 4.8 - Изменение температуры в Теплоблоке полученное
экспериментально и с помощью компьютерного моделирования в ANSYS FLUENT
Из графика, представленного на рисунке 4.8, видно, что
значения температур, полученных экспериментально и во FLUENT, являются схожими.
Экспериментальные данные удобно согласуются с численными данными при
фактических и нормативных значениях коэффициентов теплопроводности слоев
многослойной ограждающей конструкции. Это объясняется малым влиянием
коэффициента теплопроводности на значения температур на стыках слоев
ограждающей конструкции. Однако методика компьютерного моделирования
пространственного температурного поля в программе Ansys предлагается к
использованию для получения приведенных значений коэффициентов сопротивления
теплопередачи, т.к. в настоящее время этот вопрос является актуальным.
Фактическое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции ( Расчет будем производить по предписывающему подходу.
Для расчета системы отопления спортивного комплекса г. Вологда
необходимо знать следующие параметры наружного и внутреннего воздуха согласно
[9].
Наружные параметры воздуха:
температура наиболее холодной пятидневки за отопительный период
tн. о= - 32 ºС,
средняя температура наружного воздуха за отопительный период
tн. ср. =-4.1ºС,
продолжительность отопительного периодаnо=231сут.
Внутренние параметры воздуха согласно [9]:
Температура внутреннего воздуха tвндля
спортивного корпуса согласно СНиП 2.08.01-89 принимается для проектирования
отопления tвн=16ºС. Температура внутреннего воздуха
принимается: для раздевальных кабинетов tвн=16°С, для тамбуров tвн=16°С, для венткамеры tвн=10ºС, для
спортивного зала tвн=15°С.
В зданиях, сооружениях и помещениях с постоянным тепловым режимом
в течение отопительного сезона для поддержания температуры на заданном уровне
сопоставляют теплопотери и теплопоступления в расчетном установившемся режиме,
когда возможен наибольший дефицит теплоты.
Произведем расчет сопротивления теплопередаче несущих стен.
Рисунок 4.1 - Эскиз Теплоблока
. Значения теплотехнических характеристик и коэффициентов в
формулах по [7]:
text= - 32 оС с обеспеченность
0,92,tht= - 4,1 оС,zht=231 сут,tint=16 ºС,
λ1=1,11 Вт/ (мºС), λ2=0,04 Вт/ (мºС),λ3=0,99 Вт/ (мºС),αint=8,7 Вт/ (м2ºС), ºС Δtn=4 ºС,n=1,0, αext=23 Вт/ (м2ºС).
. Первоначально определяем требуемое сопротивление
теплопередаче по формуле (5.1):
. По формуле (5.2) рассчитываем градусо-сутки отопительного
периода:
. Величина сопротивления теплопередаче ограждения с учетом
энергосбережения по формуле (5.3) равна:
. Сравнивая сопротивления теплопередаче ограждения, принимаем для
дальнейших расчетов большее значение, т.е. Rreq=3,09м2∙˚С/Вт.
. Уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех
слоев ограждения по выражению для эксперимента теплоблока (5.4):
. Уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех
слоев ограждения по выражению для СНиП (5.5):
. Уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех
слоев ограждения по выражению для ОНИКС (5.6):
. Уточняем общее фактическое сопротивление теплопередаче для всех
слоев ограждения по выражению для кирпича (5.7):
Таким образом, условие теплотехнического расчета выполнено, так
как . Коэффициент теплопередачи для данной ограждающей конструкции
определяем по уравнению (5.8):
Для расчета тепловых потерь здания требуется определить
расчетные сопротивления теплопередаче всех остальных ограждающих конструкций
(наружной стены, перекрытия, пола, окон). Но, по условию, для упрощения
расчетов принимаем их требуемые значения по таблице 3 источника [7].
Потери тепла через наружные ограждения при заданном тепловом
режиме определяются величиной теплового потока и зависят от конструкции и
теплофизических свойств строительных материалов и ограждений. Правильный выбор
наружных ограждений, обладающих достаточными теплофизическими свойствами, и
хорошо продуманные строительные конструкции здания позволяют получить
оптимальную расчетную тепловую нагрузку на отопительную установку.
Выбор теплозащитных качеств наружных ограждений и оптимальных
конструктивных решений зависят от назначения здания и допускаемых нормами
параметров воздуха в помещении.
На рисунке 5.1 показана общая конструкция наружной стены
спортивного комплекса.
Рисунок 5.1 - Ограждение конструкции стены: 1,2 - Кирпич
глиняный обыкновенный на цементно-песчанном растворе; 3 - Рихтовочный зазор; 4
- Плиты ISOVER марки DachotermGλ=0.049 Вт/ (м ОС); 5 -
Внутренняя штукатурка (раствор цементно-песчанный);
На рисунке 5.2 показана общая конструкция чердачного
перекрытия спортивного комплекса.
Рисунок 5.2 - Ограждение чердачного перекрытия:
-Железобетонная плита (гост 26633), δ=220 мм; 2 - Цементная стяжка (раствор цементнопесчанный), δ=10 мм; 3 - Пароизоляция, λ=0.04 Вт/ (м ОС), δ=2 мм; 4 - Плиты ISOVER марки DachotermGλ=0.049 Вт/ (м ОС); 5 - Плиты ISOVER марки DachotermSLλ=0.049 Вт/ (м ОС); 6 - Рубероид, δ=20 мм; 7 - Гравий керамзитовый плотностью 500 кг/м3, δ=50 мм
На рисунке 1.3 показана общая конструкция пола спортивного
комплекса.
Рисунок 5.3 - Покрытие спортивного комплекса (пола):
- Дуб вдоль волокон, δ=35 мм; 2 - Цементная стяжка (раствор цементно-песчанный), δ=10 мм; 3 - Гидроизоляция, λ=0.04 Вт/ (м ОС), δ=2мм; 4 -
Цементный-шлаковый раствор, плотностью 1400 кг/м3, δ=20 мм; 5 - Пароизоляция, λ=0.04 Вт/ (м ОС), δ=2мм; 6 - Плиты ISOVER марки OL-P, λ=0.046 Вт/ (м ОС); 7 - Железобетонная плита (гост 26633), δ=220 мм;
Сопротивления теплопередаче, рассчитанные по формуле (5.4),
(5.5), (5.6), (5.7) сведены в таблицу 5.1.
В таблица 5.1 приведены расчетные сопротивления теплопередач
ограждающих конструкций.
Таблица 5.1 - Расчетные сопротивления ограждающий конструкций
для кирпича
Наименование
ограждения
По кирпичу
По СНиП
По ОНИКС
По эксперименту
Окно
Покрытие
Пол
Сопротивление
теплопередаче Rо, м2*оС/Вт
3,2
4,32
3,75
3,96
1,513
0,374
0,256
Потери тепла исчисляются для каждого отапливаемого помещения
последовательно через отдельные ограждения и состоят из основных и добавочных.
Также учитывается расход теплоты на нагревание инфильтрующегося в помещение
наружного воздуха.
Основные и добавочные потери теплоты через ограждающие
конструкции помещений, Вт, определяются по формуле согласно [8]:
Qосн=F/Rо* (tвн-tн. о) * (1+β) *n, Вт (5.9)
где F - расчетная площадь ограждающей конструкции, м2,
по плану
торгового центра, правила обмера приведенные в [8], линейные
размеры ограждений следует определять с точностью до 0,1м, площадь с точностью
до 0,1м2, если в наружной стене имеются окна, балконные двери или
входная дверь, то при определении площади наружной стены необходимо вычесть
сумарную площадь световых проемов и дверей;
Rо - сопротивление теплопередаче ограждающей
конструкции, м2*оС/Вт, принимаем согласно табл.1;
β - коэффициент,
учитывающий добавочные потери теплоты на ориентацию здания, на угловые
помещения, на высоту помещения в долях от основных потерь, для типового
проектирования принимаем β=0,08;
n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения
наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху,
согласно [7] для наружных стен n=1, для чердачных перекрытий n=0,9, для перекрытий над
неотапливаемыми подвалами n=0,75.
Потери теплоты могут заметно изменятся под влиянием
инфильтрации и эксфильтрации воздуха через толщу ограждений, а также под
действием облучения солнцем. Теплопотери могут значительно возрасти за счет
изменения температуры по высоте, взрывания холодного воздуха через открываемые
проемы.
Эти дополнительные теплопотери обычно учитывают добавками к
основным теплопотерям, которые представлены в [10], [11].
Добавочные потери теплоты через ограждающие конструкции
следует принимать в долях от основных потерь
a) в помещениях любого назначения через наружные вертикальные
и наклонные (вертикальная проекция) стены, двери и окна, обращенные на север,
восток, северо-восток и северо-запад в размере 0,1, на юго-восток и запад в
размере 0,05; в угловых помещениях дополнительно по 0,05 на каждую стену, дверь
и окно, если одно из ограждений обращено на север, восток, северо-восток и
северо-запад и 0,1 в других случаях;
б) в помещениях, разрабатываемых для типового проектирования,
через стены, двери и окна, обращенные на любую из сторон света, в размере 0,08
при одной наружной стене и 0,13 для угловых помещений (кроме жилых), а во всех
жилых помещениях 0,13;
в) через необогреваемые полы первого этажа над холодными
подпольями зданий в местностях с расчетной температурой наружного воздуха минус
40°C и ниже (параметры Б) в
размере 0,05;
г) через наружные двери, не оборудованные воздушными или
воздушно - тепловыми завесами, при высоте зданий H, м, от средней
планировочной отметки земли до верха карниза, центра вытяжных отверстий фонаря
или устья шахты в размере:
,2*H для тройных дверей с двумя тамбурами между ними;
,27*H для двойных дверей с тамбурами между ними; ,22*H для одинарных дверей;
д) через наружные ворота, не оборудованные воздушными и
воздушно тепловыми завесами, в размере 3 при отсутствии тамбура и в размере 1 при
наличии тамбура у ворот.
Примечание. Для летних и запасных наружных дверей и ворот
добавочные потери теплоты по подпунктам "г" и "д" не
следует учитывать.
Потери теплоты на нагревание инфильтрующегося наружного
воздуха учитывают потери через неплотности в наружных ограждениях в результате
действия теплового и ветрового давления Qинф определяются по формуле
согласно [9]:
Qинф1=0,24*c*ΣG* (tвн-tн) *k, Вт, (5.10)
где c - коэффициент, учитывающий единицы измерения потерь теплоты,
c=1,163;
G - количество инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через
ограждающие конструкции помещения;
k - коэффициент, учитывающий влияние встречного теплового
потока, для стыков панелей стен и окон с тройными переплетами k=0,8;
Количество инфильтрующегося воздуха, кг/ч, можно определить:
G=Gн *ΣF, м2*ч (5.11)
гдеGн - нормативная воздухопроницаемость, принимаем
G=14кг/ (м2*ч),
F - расчетная площадь окон, м2.
Потери теплоты помещениями, Вт, определяются как:
Qпом=Qосн+Qинф, Вт (5.12)
Расчет теплопотерь помещениями спортивного комплекса ведется
с применением компьютерной программы MicrosoftExcel. Результаты расчета
теплопотерь сведены в приложениях 2,3,4,5.
Суммарные теплопотери помещениями составляют 43550 Вт для
кирпича, для Теплоблока по эксперименту36049 Вт, по Теплоблоку Оникс 37465 Вт,
по СНиП 33958 Вт.
Сравнение тепловых потерь ограждающих конструкций
представлены на рисунке 5.4
Рисунок 5.4 - Сравнение тепловых потерь
Так же был произведен удельный отопительная характеристика,
она была рассчитана в MSEXSEL и предоставлена на рисунке 5.5
Рисунок 5.5 - Сравнение удельной отопительная характеристика
Вывод
В результате расчет тепловых потерь здания мы пришли к
выводу, что при использование Теплоблока по СНиП будут тепловых потерь 33958
Вт/ (м·°С) на 12,7% меньше по сравнению с кирпичом, при использование
Теплоблока по эксперименту будут тепловых потерь 36049 Вт/ (м·°С) на 12% меньше
по сравнению с кирпичом, при использование Теплоблока ОНИКС будут тепловых
потерь 37465 Вт/ (м·°С) на 11,5% меньше по сравнению с кирпичом, а при
использование кирпичной кладки будут самые большие тепловые потери здания 43350
Вт/ (м·°С).
Экономические показатели малоэтажной
постройки 2-х этажного жилого дома показаны в таблице 6.1, общей площадью 240
кв. м.
Таблица 6.1 - Экономические показатели
малоэтажной постройки 2-х этажного жилого дома
Наименование
показателей и конструкций стен
Стены из 3-х
слойных теплоэффективных блоков
Стены толщиной
в 2,5 кирпича с утеплителем т.120 им.
Срок возведения
стен (дни)
15
180
Скорость кладки
стены (мЗ/час)
1
0,15
Количество
рейсов автотранспорта
6
28
Средняя
стоимость 1-го рейса (руб.)
3 000
3 000
Всего
транспортных расходов (руб.)
18 000
84 000
Стоимость
стеновых материалов (руб.)
400 000
369 600
Стоимость
раствора (клея) (руб.)
9 000
105 000
Стоимость
утеплителя (руб.)
-
36 000
Стоимость
работы (руб.)
205 000
369 000
Всего стоимость
стен с транспортными расходами (руб.)
632 000
964 200
Себестоимость
м2 стены (руб.)
2528
3857
Можно укладывать блоки как на
цементно-песчаный раствор, так и на клеевую основу. Но рекомендуется
производить укладку на клеевую смесь, так как это экономически выгоднее.
Несмотря на её высокую стоимость, расход на 1кв. м. меньше, нежели в случае с
цементно-песчаным раствором. Это обусловлено тем, что толщина шва из клеевой
смеси в 2-3 раза меньше толщины шва из цементно-песчаного раствора, кроме того,
смесь наносится зубчатым шпателем расход клея на 1м2 составляет 8-10
кг. сухой смеси.
Спецификация на технические средства автоматизации
эксперимента разработана приведена в таблице 7.1.
Таблица 7.1 - Спецификация технических средств автоматизации
эксперимента
№ п/п
Наименование
оборудования
Погрешность
измерения
Фирма
производитель и поставщик
1.
Хромель-алюмелевые
термопары
±2,5°
-
2.
Блок АЦП
ICPCONI-7014
0,05%
ICP DAS
3.
Измеритель
плотности теплового потока ИПП-2
±5° Вт/м2
Россия
4.
Термометр
инфракрасный Testo 830-T1
±0,5°+0,3%
Testo AG,
Германия
5.
Термогигрометр
Testo 625
±0,5°C
Testo AG,
Германия я
Принципиальная климатическая камера и электронных средств снятия
и обработки измерений показана на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 - Принципиальная - схема
лабораторно-экспериментальной установки:
- ПК; 2 - электрический понижающий блок питания;
- блок АЦП; 4 - хромель-алюмелевые термопары; 5 - теплоблок;
6 - климатическая камера; 7 - приемник энергии;
В качестве устройства преобразующего электрические импульсы
идущие от термопреобразователей сопротивления применяется аналого-цифровой
преобразователь ICPCONI-7014 (рисунок 7.2). После получения потока данных модуль
выполняет следующие действия:
выделяет из потока данных пакеты данных, т.е. данные которые
возвращает компьютер;
проверяет ответ компьютера на наличие признаков начала и/или
окончания пакета данных, а также его длину;
если включена контрольная сумма, то проверяет ее;
проверяет время ожидания ответа. Если время ожидания
превышено, то игнорирует пакет данных;
если пакет данных прошел проверку, то модуль разделяет пакет
данных на переменные.
Модуль управляется удаленно с помощью набора команд, которые
называются протоколом DCON. Обмен данными между модулем и управляющим
компьютером (хостом) осуществляется в формате ASCII через двунаправленную
линию связи стандарта RS-485.
Этот модуль запроса и обработки данных позволяет считывать и
обрабатывать текущие значение из различных DAQ модулей. Модуль
обработки данных может проверять контрольную сумму пакетов данных и
преобразовывать пакеты данных в переменные.
Рисунок 7.2 - Аналого-цифровой преобразователь ICPCONI-7014
Описание технических характеристик, возможностей и
необходимых минимальных условий для полноценной работы преобразователя
термоэлектрических импульсов приведено в таблице 7.2.
Таблица 7.2 - Технические характеристики АЦП ICPCONI-7014
Тип модуля
АЦП
Количество
аналоговых входов АЦП
2
Тип аналоговых
входов АЦП
Дифференциальные
(1 по напряжению, 1 по току)
Максимальная
частота выборки
10 Гц
Разрешение АЦП
16 бит
Напряжение
изоляции аналоговых входов
3000 В
Входной
диапазон по напряжению
от - 150 ~ +
150 мВ до - 10 ~ + 10 В
Входной
диапазон по току
-20 ~ +20 мА
Полоса
пропускания
5,24 Гц
Точность
аналогового ввода
0,05 %
Входной
импеданс при измерении напряжения
30 кОм
Тип модуля
АЦП
Входной
импеданс при измерении тока
125 Ом
(необходим внешний шунт 125 Ом)
Каналы
цифрового ввода
1
Изоляция
цифрового ввода
нет
Количество
каналов цифрового вывода
2 с ОК
Продолжение
таблицы 7.2
Изоляция
цифрового вывода
нет
Напряжение
логического "0"
+1 В (макс)
Напряжение
логической "1"
+3,5 ~ +30 В
Максимальная
нагрузка
30 В, 30 мА
Напряжение
питания
+10 ~ +30 В
Потребляемая
мощность
1,9 Вт
ЖК-индикатор
4 1/2 цифр
В данном подразделе приведены основные технические
характеристики преобразователя термоэлектрического (далее ТП), а также
рекомендации по правильному выбору термопреобразователей, их установке,
подключению и обслуживанию по.
Термоэлектрический эффект - генерирование
термоэлектродвижущей силы, возникающей из-за разности температур между двумя
соединениями различных металлов или сплавов, образующих часть одной и той же
цепи.
Термопара - два проводника из разнородных
материалов, соединенных на одном конце и образующих часть устройства,
использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.
Основные технические характеристики
хромель-алюмелевой термопары приведены в таблице 7.3.
Термопара хромель-алюмель ХА (K) обладает наиболее близкой
прямой термоэлектрической характеристикой. Термоэлектроды изготовлены из
сплавов на никелевой основе. Хромель (НХ 9,5) содержит 9.10 % Сr; 0,6.1,2 % Со; алюмель
(НМцАК) - 1,6.2,4 % Al, 0,85.1,5 % Si, 1,8.2,7 % Mn, 0,6.1,2 % Со. Алюмель
светлее и слабо притягивается магнитом; этим он отличается от более темного в
отожженном состоянии совершенно немагнитного хромеля. Благодаря высокому
содержанию никеля хромель и алюмель лучше других неблагородных металлов по
стойкости к окислению. Учитывая почти линейную зависимость термо-ЭДС термопары
хромель-алюмель от температуры в диапазоне Таблица 7.3 - Технические характеристики хромель-алюмелевой термопары
Тип ТП
Класс допуска
Диапазон
измеряемых температур,°С
Предел
допускаемого отклонения от НСХ,°С
Хромель-алюмелевый
ХА (K)
1
-40…+375
+375…+1000
±1,5 ±0,004
2
-40…+333
+333…+1200
±2,5 ±0,0075
3
-200…-167
167…+40
±2,5 ±0,0075
Рабочий конец термопары погружается в среду, температуру
которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору.
Если температура свободных концов постоянна и известна, то подключение может
быть сделано медным проводом, а если не постоянна и неизвестна, то оно
выполняется специальными удлинительными (компенсационными) проводами. В
качестве последних используются два провода из различных материалов. Провода
подбираются так, чтобы в паре между собой они имели такие же термоэлектрические
свойства, как и рабочая термопара. При подсоединении к термопаре
компенсационные провода удлиняют ее и дают возможность отвести холодный спай до
измерительного прибора.
Для получения надежных результатов измерений температуры с
помощью термопар необходима не только предварительная градуировка термопар
перед работой, но и периодическая проверка этой градуировки в процессе их
использования.
Градуировка термопар производится в специальных учреждениях
или непосредственно в лабораторных условиях. Она состоит в сличении показаний
изготовленной термопары с показаниями эталонной (термометра сопротивления). При
низких температурах могут быть использованы образцовые ртутные термометры.
Условия градуировки термопар и их дальнейшей работы должны
быть одинаковы в отношении глубины погружения термопар, температуры холодного
спая и класса точности измерительного прибора. При использовании в качестве
измерительного прибора гальванометра сопротивление электрической цепи термопары
при градуировке и измерениях должно быть неизменно по величине. Градуировка
термопар проводится при различных температурах, охватывающих весь температурный
интервал исследования. На основании данных градуировки составляются таблицы, графики
или аппроксимирующие уравнения для зависимости термо-ЭДС термопары от
температуры. Данные градуировочных опытов сопоставляются с данными,
существующими для стандартных термопар [12].
Для калибровки термопар мы проводили опыты, для этого нам
понадобились сосуды с горячей и с холодной водой (температура которой должна
быть равна нулю), а также пенопласт. Также использовался компьютер. Пенопласт
использовался в качестве теплоизолятора для уменьшения погрешности измерения, а
его температура приближена к комнатной (температура воздуха в этом помещении
примерно равна Для калибровки термопар провели опыт: измерили термо-ЭДС 7и
термопар в воде при температуре Таблица 7.4 - Калибровка термопар
Температура,°С
Термо-ЭДС, мВ
0
1
2
3
Средний
0
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
-0,8
100
3,3
3,3
3,3
3,3
3,3
Стандартные удлинительные провода маркируются. При включении
этих проводов в цепь ТП необходимо соблюдать полярность, иначе при измерениях
возникает погрешность, равная удвоенной погрешности, которую старались
устранить с помощью удлинительных проводов. Промышленность выпускает
удлинительные провода в виде скомплектованного (двухжильного) кабеля с жилами
различных цветов.
В связи с высокой стоимостью термопарных кабелей по
сравнению, например, с медными, при значительной удаленности прибора от датчика
более целесообразно в ряде случаев присоединение датчика к прибору осуществлять
четырехжильным медным кабелем. При этом две жилы кабеля подключаются к
термоэлектродам термопары, а две - к термосопротивлению, контролирующему
температуру свободных концов термопары. Как в этом случае, так и при
подключении термопары непосредственно к зажимам прибора, необходимо обеспечить
хороший тепловой контакт термосопротивления с выводами термопары.
Основные характеристики термопар и удлинительных проводов
представлены в таблице 7.5.
Таблица 7.5 - Основные характеристики термопар и
удлинительных проводов
Хромель-алюмель
Термопара
ХА (К)
Условное
обозначение НСХ
Продолжение
таблицы 7.5
Хромель (89% Ni + 9,8% Cr + 1% Fe +
0,2% Mn)
положительного
Материал
термоэлектрода
Алюмель (94% Ni + 2% Al + 2,5% Mn +
+1% Si + 0,5% Fe)
отрицательного
Медь М, красный
или разовый
положительного
Материал
удлинительного провода, марка и цвет оплетки
Константан
(42%Ni+58%Cu), коричневый
отрицательного
4,10 ± 0,16
Термо-ЭДС,
мВ при t = 100°С, t = 0°C
0,52
1
Сопротивление
1 м · Ом для сечения, мм2
0,02
2,5
Основные технические характеристики прибора Testo 625 предоставлены в
таблице 7.6.
Таблица 7.6 - Технические характеристики термогигрометра Testo 625
Рабочая
температура
-20. +50°C
Температура
хранения
-40. +85°C
Элемент питания
9 В батарейка,
6F22
Ресурс батареи
70 часов (без
радио)
Вес
195 г.
Габариты
182 x 64 x 40
мм
Материал/Корпус
ABS
Тип зонда
Датчик
влажности, емкостной
Диапазон
измерений
0. +100 %
относительной влажности
Погрешность
±2.5 %
относительной влажности (+5. +95 % отн. влажн.)
Разрешение
0.1 %
относительной влажности
Тип зонда
NTC
Диапазон
измерений
-10. +60°C
Погрешность
±0.5°C
Разрешение
0.1°C
Основные технические характеристики прибора Testo 830-T1 предоставлены в таблице
7.7.
Таблица 7.7 - Технические характеристики пирометра Testo 830-T1
Диапазон
измерений
от - 30 до
+400° C
Скорость
измерения
0,5 сек
Разрешение
0,1° C
Погрешность
± 2° C (от - 30
до 0,1° C) ± 1,5° C (от 0,1 до 400° C)
Оптическое
соотношение D: S
10: 1
Регулировка
тепловой эмиссии
от 0.1 до 1
Спектральный
диапазон лазера
8 … 14 мкм
Источник
питания
батарея 9В,
время непрерывной работы около 15 часов
Материал
корпуса
ABS пластик
Температура
эксплуатации
от - 20 до +55°
C
Температура
хранения
от - 40 до +65°
C
Размеры
39х75х191 мм
Основные технические характеристики прибора ИПП-2
предоставлены в таблице 7.8
Таблица 7.8 - Технические характеристики
прибораИПП-2
Наименование
параметра
Значение
Приведенная
погрешность измерения плотности теплового потока при 20°С, % (не более)
5
Единицы
представления плотности теплового потока
Вт/м2
Единицы
представления температуры
°С
Индикация
теплового потока и температуры
светодиодная
Разрешающая
способность измерения плотности теплового потока, Вт/м 2
1
Разрешающая
способность измерения температуры,°C
0,1
Разрешающая
способность индикации:
-
температуры,°C
0,1
- плотности
теплового потока, Вт/м 2
1
Количество
поддерживаемых прибором зондов теплового потока
до 8
Количество
точек автоматической статистики, не менее
10000
Питание прибора
напряжением от
+2,2 до +2,8В от 2 аккумуляторов типоразмера AAA, емкостью 750 мАч или от
сетевого адаптера напряжением от +6 до +8 В
Потребляемая
мощность, мВт, не более:
- в режиме
индикации
200
- в спящем
режиме (режим "SLEEP")
10
- во время
зарядки
2000
Время
непрерывной работы при питании от батареек, часов (не менее):
- в спящем
режиме (режим "SLEEP")
200
Время заряда
аккумуляторов, ч, (не более)
4
Интерфейс связи
с компьютером
RS-232
Максимальное
расстояние от прибора до компьютера
15
Схема
подключения температурного зонда
четырехпроводная
Максимальная
длина соединительного кабеля температурного зонда, м
100
Максимальная
длина соединительного кабеля зонда плотности теплового потока, м
20
Масса, кг, не
более
0,2
Габаритные
размеры, мм, не более
130х70х25
Условия
эксплуатации:
- температура
окружающего воздуха, оС
от - 20 до +50
-
относительная влажность (без конденсации влаги), %
от 10 до 95
- атмосферное
давление, кПа (мм рт. ст.)
от 84 до 106,7
(от 630 до 800)
Основные технические характеристики прибора МИТ-1
предоставлены в таблице 7.9
Таблица 7.9 - Технические характеристики прибора МИТ-1:
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
). Пенопласт нужен для того, чтобы оградить
термопары от внешних воздействий, т.е. от перемены температур и т.д. Холодная
вода должна иметь температуру, приближенную к 
, и для этого в ледяной
воде должны плавать кусочки льда.
4.1.6
Построение графиков зависимости изменения ТЭДС от температуры
и при 
и привели их в таблице 4.3 Далее по средним значениям построили
графики зависимости температуры от термо-ЭДС. Получили уравнение графика 
, с помощью которого можно определить
температуру по значению термо-ЭДС. [8], [9].
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
) должно быть не менее нормируемого значения сопротивления
теплопередаче ограждающих конструкций (
), при этом выбор теплозащитных показателей здания осуществляется
по одному из двух альтернативных подходов.
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)
(5.7)
.
. (5.8)
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
, ее часто применяют в
терморегуляторах. [12]
7.2.3
Термопары и схемы их включения
7.2.4
Градуировка и калибровка термопар
). Пенопласт нужен для того, чтобы оградить
термопары от внешних воздействий, т.е. от перемены температур и т.д. Холодная
вода должна иметь температуру, приближенную к 
, и для этого в ледяной
воде должны плавать кусочки льда.
(талый снег), потом при 
(кипящая вода). Результаты
опыта представлены в таблице 7.4.
7.2.5
Удлинительные провода