Миф о коэффициенте сопротивления теплопередаче

Контактное термическое сопротивление

Увеличение сопротивления тепловому потоку на 2-х поверхностных точках
контакта обусловлено меньшей теплопроводностью газового слоя
по сравнению с твердым, отклонением теплового потока от нормали
к контактной поверхности, а также увеличением теплового сопротивления
поверхностного слоя за счет оксидной пленки и загрязнения. Если
не учитывать радиационный теплообмен между поверхностями, разделенными
слоем газа、 Сопротивление соизмеримо. Когда теплопроводность
контактирующего твердого тела высока, большая часть тепла передается
через точку контакта.

Если зазор между контактными поверхностями заполнен высокопроводящим газом (например, гелием) или жидкостью, то большая часть передаваемого тепла будет проходить через промежуточный слой. По мере увеличения силы сжатия тепловое сопротивление реальных контактов будет значительно уменьшаться, но тепловое сопротивление газовой прослойки изменится только на 20% или менее. Величина контактного термического сопротивления зависит от силы сжатия, чистоты и твердости контактной поверхности, температуры и свойств газа или жидкости, заполняющих пространство между контактными поверхностями.

Показана экспериментально полученная прочность на сжатие в парах медь-медь и зависимость контактного термического сопротивления от поверхности finish. As как видно из рисунка, при увеличении нагрузки тепловое сопротивление резко уменьшается, а затем становится плавным. При силе сжатия более 200 бар контактное тепловое сопротивление больше не будет зависеть от величины этой силы. Это правило подтверждается большинством металлов, особенно если поверхность контакта имеет высокую чистоту.

На рис. 3.9 показано, что увеличение класса чистоты обработки снижает
контактное термическое сопротивление и ослабляет зависимость от силы
сжатия. Когда твердость контактной поверхности уменьшается, фактическая
площадь контакта увеличивается и тепловое сопротивление уменьшается.
Температура контактной зоны также влияет на ее тепловую resistance.
As температура повышается, контактное тепловое сопротивление
уменьшается. Именно поэтому при контакте с предметами из дюралюминия
температура повышается с 88°С до 214°с, контактное тепловое
сопротивление уменьшается на 40-60%.

При покрытии контактной поверхности мягкими металлами (медь, олово
и др.) или кладки из мягких материалов, контактное тепловое
сопротивление значительно снижается. Контактное тепловое сопротивление
вызывает резкое изменение температуры на границе раздела между двумя
слоями. Это можно считать скачком температуры. Из уравнения (3.7)видно,
что величина этого скачка пропорциональна тепловой нагрузке
и контактному тепловому сопротивлению. Поэтому, если вы обрабатываете
поверхность в соответствии с чистотой 6-го класса! В стали марки мг и Р
=30 повышение температуры контактной поверхности составляет 20-400 бар,
в стали 30-дюралюминиевой-около 290-70°С, для стальных пар 400-100°С.

Решение задач по теплотехнике

Ссылки [ править ]

1. Теплопроводность материалов

   Тони Эбби. «Использование FEA для термического анализа». Журнал Desktop Engineering. 2014 июнь. п. 32.

2. .
3. ^ Ласанс, CJM (2008). «Десять лет независимого от граничных условий компактного теплового моделирования электронных деталей: обзор». Теплообменная техника . 29 (2): 149–168. Bibcode : . DOI : .
4. Хо-Мин Тонг; И-Шао Лай; КП Вонг (2013). . Springer Science & Business Media. стр.  -461. ISBN 978-1-4419-5768-9.
5. Юнес Шабани (2011). Теплообмен: тепловое управление электроникой . CRC Press. С. 111–113. ISBN 978-1-4398-1468-0.
6. Клеменс Дж. М. Ласанс; Андраш Поппе (2013). Управление температурным режимом для светодиодных приложений . Springer Science & Business Media. п. 247. ISBN. 978-1-4614-5091-7.
7. . 2013-02-22.
8. Швейцер, Д .; Pape, H .; Chen, L .; Kutscherauer, R .; Уолдер, М. (2011). «Переходное измерение двойного интерфейса — новый стандарт JEDEC для измерения термического сопротивления перехода между корпусом». 2011 27-й ежегодный симпозиум IEEE Semiconductor по тепловым измерениям и управлению . п. 222. DOI . ISBN 978-1-61284-740-5.
9. ^ Incropera, Девитт, Бергман, Лавин, Фрэнк П., Дэвид П., Теодор Л., Эдриенн С. (2013). Принципы тепломассообмена . Джон Уайли и сыновья; 7-е издание, международное издание. ISBN 978-0470646151.

10. К. Эйналипур, С. Садегзаде , Ф. Молаи. «Инженерия межфазного термического сопротивления гетероструктуры полианилин (C3N) -графен», Журнал физической химии, 2020. DOI:

• Михаэль Ленц, Гюнтер Стридл, Ульрих Фрелер (январь 2000 г.) . Infineon Technologies AG , Мюнхен , Германия .
• Directed Energy, Inc./IXYSRF (31 марта 2003 г.) . , Форт-Коллинз, Колорадо. Пример расчета теплового сопротивления и рассеиваемой мощности в полупроводниках.

Для чего нужен расчет

Чтобы сэкономить на отоплении и способствовать созданию здорового микроклимата в помещении, нужно правильно рассчитать толщину стен и утеплительных материалов, которые будем использовать при строительстве. По закону физики, когда на улице холодно, а в помещении тепло, то через стену и кровлю тепловая энергия выходит наружу.

Если неправильно рассчитать толщину стен, сделать их слишком тонкими и не утеплить, это приведет к негативным последствиям:

• зимой стены будут промерзать;
• на обогрев помещения будут затрачиваться значительные средства;
• сместиться точка росы, что приведет к образованию конденсата и влажности в помещении, заведется плесень;
• летом в доме будет так же жарко, как и под палящим солнцем.

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность

Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Факторы, влияющие на теплопроводность

Коэффициент теплопроводности материала зависит от нескольких факторов:

При повышении данного показателя взаимодействие частиц материала становится прочнее. Соответственно, они будут передавать температуру быстрее. А это значит, что с повышением плотности материала улучшается передача тепла.

Пористость вещества. Пористые материалы являются неоднородными по своей структуре. Внутри них находится большое количество воздуха. А это значит, что молекулам и другим частицами будет сложно перемещать тепловую энергию. Соответственно, коэффициент теплопроводности повышается.

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Мокрые поверхности материала пропускают большее количество тепла. В некоторых таблицах даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Выбирая материал для утепления помещений, важно учитывать также условия, в которых он будет эксплуатироваться

Основные параметры, от которых зависит величина теплопроводности

Не все строительные материалы одинаково теплоэффективны. На это влияют следующие факторы:

Пористая структура материала говорит о том, что подобное строение неоднородно, а поры наполнены воздухом. Тепловые массы, перемещаясь через такие прослойки, теряют минимум своей энергии. Поэтому пенобетон именно с замкнутыми порами считается хорошим теплоизолятором. Замкнутые поры пенобетона наполнены воздухом, который по праву считается лучшим теплоизолятором
Повышенная плотность материала гарантирует более тесную взаимосвязь частиц друг с другом. Соответственно, уравновешивание температурного баланса происходит намного быстрее. По этой причине плотный материал обладает большим коэффициентом проводимости тепла. Поэтому железобетон считается одним из самых «холодных» материалов. Высокая плотность даёт хорошую прочность железобетону, но также и «обделяет» его теплоэффективностью
Влажность – злокачественный фактор, повышающий скорость прохождения тепла

Поэтому так важно качественно произвести гидроизоляцию необходимых узлов здания, грамотно организовать вентиляцию и использовать максимально инертные к намоканию строительные материалы.

«Холодно, холодно и сыро. Не пойму, что же в нас остыло…» Даже Согдиана знает о том, что сырость и холод − вечные соседи, от которых не спрячешься в тёплом свитере

Зная, что такое проводимость тепла, и какие факторы на неё влияют, можно смело пробовать применять свои знания для расчётов будущих строительных конструкций. Для этого нужно знать коэффициенты используемых материалов.

Еще одна хорошая новость: СИП-панели

СИП-панели теплее, чем это требуется по ГОСТам, поэтому дома из них не нужно дополнительно утеплять. Рассмотрим тот же самый домик 8,12х9,25 метров, но сделанный из СИП-панелей. Обычно стены делают из панелей с толщиной утеплителя 150, а перекрытия — 200 мм. Кроме утеплителя каждая панель содержит 2 слоя OSB-фанеры толщиной 12 мм, которые также дают свой вклад в теплосопротивление. Коэффициент теплопроводности для ППС-утеплителя равен 0,041 Вт*м/град, для OSB — 0,18 Вт*м/град, поэтому Rстен=0,15/0,041+2х0,012/0,18=3,79, Rпер=0,2/0,041+2х0,012/0,18=5,01. Позже мы еще учтем отделку, которая увеличивает R и внутренний деревянный каркас, который уменьшает R. Площадь стен мы сразу возьмем за вычетом окон и наружной двери, а сами окна возьмем более теплыми с коэффициентом R=0,7. В результате при -30 градусах за окном мы получим:

Qстен = 50х(192,5-21,3)/3,79 = 50х45,17 = 2259 Вт (32%)

Qпер  = 50х2х75/5,01 = 50х29,94 = 1497 Вт (22%)

Qокон = 50х21,3/0,7 = 50х30,43 = 1521 Вт (22%)

Qвент = 50х100/2,98 = 50х33,56 = 1678 Вт (24%)

Qоб    = 50х139,1 = 6955 Вт (100%)

Мы можем видеть, что разница температур везде идет первым множителем, т.е. если за окном теплее, то и энергии надо тратить меньше — пропорционально этой разнице. Теперь мы можем вместо таблицы для стандартного дома без окон и дверей написать новую — для дома из СИП-панелей с окнами и вентиляцией:

Дополнительные хитрости

Есть факторы, которые позволяют уменьшить теплопотери или затраты на отопление.

• Внутренняя отделка стен 2-мя слоями гипсокартона не только повышает пожаробезопасность, но и увеличивает теплосопротивление, делая стены на 4% теплее. Еще больший эффект даст любая внешняя облицовка стен (даже без утеплителя).
• Вентиляцию можно отключать в отсутствие жильцов.
• Увеличение толщины СИП-стен на 50 мм делает стены на 24% теплее, но требует немного больше денег при строительстве.

Есть и факторы, которые увеличивают теплопотери:

• Каркасная стена СИП-дома содержит внутри деревянные элементы, которые имеют более высокую теплопроводность. Это делает стены примерно на 9% холоднее.
• Самым плохим фактором могут быть сквозняки в районе входной двери и тамбура, но это уже тема другой публикации.

Без окон без дверей, но по ГОСТам

Сначала мы не будем учитывать окна, двери и вентиляцию и будем считать, что тепло уходит только через стандартные стены и перекрытия.

Площадь всех внешних стен равна периметру, умноженному на высоту: S=34,75 x 5,54=192,5 кв.м. Площадь нижнего и верхнего перекрытий 2 х 75 = 150 кв.м.  Теплосопротивление берем по госту: R-стен=3,0; R-перекр=3,9. Потери тепла Qоб=(192,5/3+150/3,9)х50=102,63х50=5131 Вт. При -30 градусах на улице мощность отопительных приборов должна превышать 5 кВт. При цене 4 руб/кВт*час за 1 день мы потратим 492 рубля, а за месяц — аж 15000 рублей!

Люди, которые никогда не топили большой дом в лютые морозы, ужаснутся от этих цифр, те же, кто жил в плохо утепленных домах зимой, посмотрят на эти расчеты с оптимизмом и потребуют доказательств.

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающихконструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т.д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Источники

• https://utepdom.ru/tolschina_uteplitelya_sten.html
• https://www.stroiysam.ru/teplotekhnicheskiy_raschet_steny
• https://akak7.ru/koefficient-teploprovodnosti-stroitelnyx-materialov-chto-eto-takoe-tablica-znachenij.html
• https://gidrotgv.ru/spravka-po-koefficientu-teploprovodnosti-spravochnyj-dannye-po-koefficientu-teploprovodnosti-materialov/
• https://santehmen.ru/steny/kak-rasschitat-teploprovodnost-steny.html
• https://termoizol.com/polnaya-tablitsa-teploprovodnosti-razlitchnh-stroitelynh-materialov.html
• https://svoydom.info/%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2-%D1%82%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D1%86%D0%B0/
• https://stroychik.ru/strojmaterialy-i-tehnologii/teploprovodnost-stroitelnyh-materialov

Испытания по определению коэффициента сопротивления теплопередаче

Тест был разработан с целью получить величину, которая – как ожидалось – будет иметь важное значение и станет показательной. К сожалению, разработанная методика давала систематическую погрешностью. Метод испытаний, используемый для определения коэффициента сопротивления теплопередаче – это тест ASTM (Американского Сообщества Материалов и Испытаний; American Society for Testing and Materials)

Тест был разработан с целью получить величину, которая – как ожидалось – будет иметь важное значение и станет показательной. К сожалению, разработанная методика давала систематическую погрешностью. Из-за способа испытаний тест оказывает предпочтение волокнистым теплоизоляционным материалам: стекловолокну, каменной вате и целлюлозному волокну. Очень коротко в методике упоминаются сплошные теплоизоляционные материалы, такие, как пеностекло, пробковый материал, монтажный полистирол или пенополиуретан

Метод испытаний, используемый для определения коэффициента сопротивления теплопередаче – это тест ASTM (Американского Сообщества Материалов и Испытаний; American Society for Testing and Materials)

Тест был разработан с целью получить величину, которая – как ожидалось – будет иметь важное значение и станет показательной. К сожалению, разработанная методика давала систематическую погрешностью

Из-за способа испытаний тест оказывает предпочтение волокнистым теплоизоляционным материалам: стекловолокну, каменной вате и целлюлозному волокну. Очень коротко в методике упоминаются сплошные теплоизоляционные материалы, такие, как пеностекло, пробковый материал, монтажный полистирол или пенополиуретан.

В тесте никак не учитывается движение воздуха (ветер) или количество влаги (водяного пара). Другими словами, тест, проводимый для определения коэффициента сопротивления теплопередаче – это исследования в нереальных условиях. Например, коэффициент сопротивления теплопередаче стекловолокна составляет R-3,5. Такое значение имеет место при абсолютном отсутствии ветра и нулевой влажности. А отсутствие ветра и нулевую влажность трудно назвать реальными условиями. Во всех домах есть протечки воздуха, и они зачастую водопроницаемы. Водяной пар из атмосферы, из душа, при приготовлении пищи, из выдыхаемого воздуха, т.д. постоянно циркулируют в помещениях. Если помещения не вентилируются должным образом, водяной пар изнутри дома будет очень быстро вбираться изоляцией над потолком. Даже малое количество влаги вызовет значительное падение коэффициента сопротивления теплопередаче волокнистого изоляционного материала: не меньше, чем на 50%, а то и больше.

Теплотехнический расчет.

Приступаем непосредственно к теплотехническому расчету, а именно — нам необходимо подобрать толщину 2-го слоя (утеплителя) исходя из условий места строительства.В первую очередь — определяем норму тепловой защиты из условий соблюдения санитарных норм.Согласно формулы 3 из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» рассчитывается нормативное (или другими словами максимально допустимое) сопротивление теплопередачи, формула выгладит так:

где:n = 1 — коэффициент, принятый по таблице 6, из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для наружной стены (впрочем, в последнем актуализированном СП данный коэффициент упразднили!);

tint = 20°С — оптимальная температура в помещении, из исходных данных;

text = -30°С — температура наиболее холодной пятидневки, значение из исходных данных;

Δtn = 4°С — данный показатель принимается по таблице 5, из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» он нормирует температурный перепад между температурой воздуха внутри помещения и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции (стены);

αint = 8,7 Вт/(м2×°С) — коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимается по таблице 7 из СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для наружных стен.

Выполняем расчет:

получили сопротивление теплопередачи из санитарных норм Rreq = 1.437 м2*℃/Вт;

Во вторую очередь, определяем сопротивление теплопередачи из условий энергосбережения.

Определяем градусо-сутки отопительного периода, для этого воспользуемся формулой, согласно пункта 5.3 в СНиП 23-02-2003″Тепловая защита зданий»:

Dd = (tint — tht)zht = (20 + 4,0)*214 = 5136°С×сут

Примечание: градусо-сутки ещё имеют сокращенное обозначение — ГСОП.

Далее, согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» в зависимости от градусо-суток района строительства, рассчитываем нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче по формуле:

Rreq= a*Dd + b = 0,00035 × 5136 + 1,4 = 3,1976м2×°С/Вт,

где: Dd — градусо-сутки отопительного периода в г. Муром,

a и b — коэффициенты, принимаемые по таблице 4, столбец 3, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для стен жилого здания.таким образом, мы получили второе значение сопротивления теплопередачи исходя из энергоэффективности Rreq = 3,198 м2*℃/Вт;

Для дальнейшего расчета стены, мы принимаем наибольшее значение из двух рассчитанных нами показателей Rreq (1,437 и 3,198), и обозначим его как Rтреб = 3,198 м2*℃/Вт;

Определение толщины утеплителя

Для каждого слоя нашей многослойной стены необходимо рассчитать термическое сопротивление по формуле:

где:δi- толщина слоя, мм;λi — расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя Вт/(м × °С).

Рассчитываем термическое сопротивление для каждого слоя1 слой (газобетонные блоки): R1 = 0,4/0,29 = 0,116 м2×°С/Вт.3 слой (облицовочный силикатный кирпич): R3 = 0,12/0,87 = 0,104 м2×°С/Вт.4 слой (штукатурка): R4 = 0,02/0,87 = 0,023 м2×°С/Вт.

Определение минимально допустимого (требуемого) термического сопротивления теплоизоляционного материала:

где:

Rint = 1/αint = 1/8,7 — сопротивление теплообмену на внутренней поверхности;

Rext = 1/αext = 1/23 — сопротивление теплообмену на наружной поверхности,

αext принимается по таблице 14 для наружных стен;

ΣRi = 0,116 + 0,104 + 0,023 — сумма термических сопротивлений всех слоев стены без слоя утеплителя, определенных с учетом коэффициентов теплопроводности материалов, принятых по графе А или Б (столбцы 8 и 9 таблицы Д1 СП 23-101-2004) в соответствии с влажностными условиями эксплуатации стены, м2·°С/Вт

Толщина утеплителя равна:

где: λут — коэффициент теплопроводности материала утеплителя, Вт/(м·°С).

Определение термического сопротивления стены из условия, что общая толщина утеплителя будет 250 мм:

где: ΣRт,i — сумма термических сопротивлений всех слоев ограждения, в том числе и слоя утеплителя, принятой конструктивной толщины, м2·°С/Вт.

Из полученного результата можно сделать вывод, что

R0 = 3,343м2×°С/Вт > Rтр0 = 3,198м2×°С/Вт → следовательно, толщина утеплителя подобрана правильно.

Вот мы и выполнили теплотехнический расчет стены и нам известны толщины всех слоёв, входящих в её состав. Для того, чтобы долго не разбираться с нормативной документацией и самому считать на калькуляторе все эти сложные формулы, можно воспользоваться калькулятором «Теплотехнический расчет стены», где Вам достаточно просто выбрать исходные данные, а сам расчет произведется автоматически.

строительство дома

строительные технологии

• Добавить комментарий
• 1335 просмотров

Коэффициент теплопроводности материалов.

Ниже в таблице приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов применяемых в строительстве.