Тплопроводность материалов и потеря тепла через стену
Чтобы понять, как считать теплопроводность — необходимо представить материал в виде вымышленной стены. На практике такие стены будут реальными. Данная статья поможет нам рассчитать теплопотери стены. Сложив все теплопотери стен — получим теплопотери всего дома. Но это только один фактор из трех составляющих теплопотерь дома. Не забывайте про вентиляцию и излучение тепла. О них поговорим в других статьях.
Также решим задачку для реального события. Смотри ниже.
Смотри изображение:
t1, t2 — точки температур. L — толщина стены. S — площадь стены.
Теплопроводность представляет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу толщины слоя материала.
Если быть точнее! То это отношение поверхностной плотности теплового потока к температурному градиенту.
Температурный градиент — это произведение толщины стенки материала на разность температур между противоположными плоскостями одной стенки.
Температурный градиент = L х ( t1 — t2 ).
Плотность теплового потока — это количество теплоты в единицу времени. Количество теплоты измеряется в Калориях. О калориях поговорим ниже.
Сначала я Вам покажу формулу нахождения теплопроводности и связи между ними.
λ — Коэффициент теплопроводности.
t1,t2 — температуры стенки по разные стороны. Измеряется либо в Цельсиях [°C] либо в Кельвинах [K].
°С = K — 273,15
Из-за того, что температура измеряется в разных единицах, то коэффициент теплопроводности, тоже имеет различные единицы измерения:
[ Вт / (м•°С) ] либо [ Вт / (м•K) ]
В редких случаях за место (Вт) может использоваться (Калория).
L — Толщина стенки, измеряется в метрах(м).
Q — Количество теплоты, измеряется в калориях(K) или в ваттах(Вт).
Эталоном значения одной калории является: Количество теплоты необходимое для того, чтобы нагреть один грамм воды на 1 градус Цельсия или Кельвина, при атмосферном давлении (101325 Па).
1000 Калорий = 1 кКалория = 1,163 Ватт • час
1 Калория = 4,1868 Дж
Для глубокого понимания коэффициента теплопроводности, нужно понимать, как находят количество теплоты. То есть нам нужно найти количество теплоты, которое расходуется между наружными плоскостями одной стены. Мы фактически находим потерянное тепло через стену.
Можно представить тепло как некую жидкость, проходящую в сквозь стенку. И количество этой некой тепловой жидкости проходящей в единицу времени и будет являться той самой теплотой. Чем больше ее проходит, тем больше мы теряем тепло и тем больше теплопроводность. Теплоизоляторы понижают теплопроводность, и мы теряем меньше тепла.
Данная формула помогает нам найти проходящее количество теплоты в сквозь стену.
Также еще выражаются в такой форме:
R — Температурное сопротивление, измеряется: (м2 • °С) / Вт, или: (м2 • K) / Вт
Q — Количество теплоты. Измеряется в Ваттах (Вт) или Калориях (К)
t1,t2 — температура стенки по разные стороны. Измеряется либо в Цельсиях [°C] либо в Кельвинах [K].
S — площадь стенки, измеряется в квадратных метрах (м2). Площадь находится умножением высоты на длину стенки. S = a • b.
При расчетах не забывайте, переводить единицы измерения в одно измерение! Например, если температура в Цельсиях, то все переменные должны быть указаны или переведены в градусы Цельсия. Расстояния и длины должны быть указаны и переведены к количеству метров (а не сантиметров или милиметров) и тому подобное.
Чем больше значение λ, тем большей теплопроводностью обладает вещество. В общем случае теплопроводность для данного вещества не является величиной постоянной: для твердых тел λ зависит от температуры, а для жидких и газообразных — еще и от давления.
Для металлов (кроме алюминия) теплопроводность с увеличением температуры несколько убывает, что означает, что холодный металл проводит теплоту лучше, чем нагретый. Теплопроводность металлов λ составляет 2,3-420 Вт/(м•К).
Для изоляционных и огнеупорных материалов λ при повышении температуры возрастает. Последнее объясняется тем, что большинство изоляционных материалов не представляют монолитной массы, а являются пористыми телами — конгломератом отдельных частиц с воздушными прослойками между ними. Эти воздушные прослойки уменьшают теплопроводность, но лучистый теплообмен, происходящий в этих прослойках, в итоге увеличивает суммарный теплоперенос при повышении температуры пористого тела. Для таких материалов λ зависит не только от свойств собственно материала, но и от степени его уплотнения, т.е. от плотности. Кроме того, на теплопроводность указанных материалов большое влияние оказывает влажность. С увеличением влажности теплопроводность возрастает. Для влажного материала λ выше, чем для сухого материала и воды, взятых в отдельности. Так, например, для сухого кирпича λ = 0,35 Вт/(м•К), для воды λ = 0,58 Вт/(м•К), а для влажного кирпича λ = 1,05 Вт/(м•К). Это объясняется тем, что адсорбированная в капиллярно-пористых телах вода отличается по физическим свойствам от свободной воды. Поэтому по отношению к такого рода веществам правильнее говорить о так называемой видимой теплопроводности. Теплопроводность теплоизоляционных материалов составляет 0,02—3,0 Вт/(м•К).
Для газов с увеличением температуры теплопроводность также возрастает, но от давления λ практически не зависит, кроме очень низких (менее 2,5 кПа) и очень высоких (более 200 МПа) давлений. Теплопроводность газов колеблется от 0,006 до 0,6 Вт/(м•К).
Для большинства капельных жидкостей теплопроводность находится в пределах 0,09—0,7 Вт/(м•К) и с повышением температуры уменьшается. Вода является исключением: с ростом температуры от 0 до 150 °С теплопроводность возрастает, а при дальнейшем увеличении температуры уменьшается.
Задача:
У меня дома в квартире, в комнате имеется наружная не утепленная стена площадью ( 2,5 х 5метров ), зимой очень холодно. Температура стены 20 °C. Стена без окна. Определить сколько уходит тепла через стену на улицу зимой, когда на улице температура -30 градусов. Стена кирпичная. Толщина 80 см.
Поскольку процесс конвекции хорошо проветривает стену с обоих сторон, то следует пренебречь разницу температур у сомой стенки, и принять температуру воздуха. А с наружи еще естественные ветра проветривают так, что приближают температуру стены к температуре воздуха. Но на будущее имейте в виду, что температура поверхности стены отличается от температуры воздуха, но не значительно. Для реальных событий даже не превысит 5%. Мы это возможно обсудим в других статьях.
Дано:
S=2,5 х 5 = 12,5 м2
t1 = 20 °C, K1 = t1 + 273,15 = 293,15
t2 = -30 °C, K2 = t1 + 273,15 = 243,15
L = 80см = 0,8 метров.
Для кирпича из других источников:
λ = 0,44 Вт/(м•К) в переводе на Цельсия: = 0,44 Вт/(м•°С)
Величины получаются одинаковыми, так как величины Цельсия и Кельвина пропорциональны друг другу, просто сдвинуты на 273,15 единиц. Поэтому разница температур одинакова.
Решение простое: Просто вставляем в формулу имеющиеся значения и занимаемся арифметикой.
Q = 0,44 х (20-(-30))/0,8 х 12,5 = 0,44 х 50/0,8 х 12,5 = 343,75 Вт
Ответ: Теряется тепло стены на 344 Вт.
Если посчитать за месяц, то это будет: 344 Вт х 24 часа х 30 дней = 247,7 кВт•ч.
И это одна только стена столько потребляет! А сколько таких стен может быть?
Конечно, точность расчетов зависит от значения коэффициента теплопроводности для материала, из которого сделана стена. Влажность, тоже имеет значение. Так что этих коэффициентов в инете полным-полно, можете подобрать из различных таблиц.
В целом такой расчет очень даже полезный и почти совпадает с реальными цифрами.
Но не вздумайте пока рассчитывать свой дом по такому методу. Так как существуют еще кое-какие дополнительные расчеты, о которых будет рассказано в следующих статьях.
Таблицы я позже приготовлю! В других статьях будут. А так продолжение следует…
На счет задачи — это шутка конечно! Была бы у меня такая стена — я бы ее давно уже утеплил, так как знаю технологии, как это делать.
Пишите вопросы, обязательно отвечу!
В разделе ремонт отопления, можете подробно ознакомиться с нашими услугами. Что мы делаем:
- работаем круглосуточно;
- собственная аварийная служба;
- большое количество офисов по Москве и Московской области;
- используем только профессиональный инструмент;
- гарантия на выполненные работы;
- сервисное обслуживание систем отопления.
ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ
Надежный помощник по ремонту отопления.
+7(495)744-67-74
Рассчитать стоимость отопления можно в разделе калькулятор отопления
Узнать подробнее про водоснабжение
Ознакомиться с котельными тут