Поверхностной плотности тепловой поток

Тепловой поток. Плотность теплового потока. Закон Фурье

Тепловой поток

Количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q, Вт .

Количество тепла, через единицу поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком и характеризует интенсивность теплообмена.

(9.4)

Плотность теплового потока q, направлена по нормали к изотермической поверхности в сторону, обратную градиенту температуры, т. е. в сторону уменьшения температуры.

Если известно распределение q по поверхности F, то полное количество тепла Q_τ, прошедшее через эту поверхность за время τ, найдется по уравнению:

(9.5)

(9.5′)

Если величина q постоянна по рассматриваемой поверхности, то:

(9.5″)

Закон Фурье

Этот закон устанавливает величину теплового потока при переносе тепла посредством теплопроводности. Французский ученый Ж. Б. Фурье в 1807 году установил, что плотность теплового потока через изотермическую поверхность пропорциональна градиенту температуры:

(9.6)

Знак минус в (9.6) указывает, что тепловой поток направлен в сторону, обратную градиенту температуры (см. рис. 9.1.).

Плотность теплового потока в произвольном направлении l представляет проекцию на это направление теплового потока в направлении нормали:

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент λ, Вт/(м·К), в уравнении закона Фурье численно равен плотности теплового потока при падении температуры на один Кельвин (градус) на единицу длины. Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определённого тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объёмного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчётах величину λ берут из справочных таблиц, причём надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.

Особенно сильно зависит коэффициент теплопроводности от температуры. Для большинства материалов, как показывает опыт, эта зависимость может быть выражена линейной формулой:

(9.7)

где λ_o – коэффициент теплопроводности при 0 °С;

β – температурный коэффициент.

Коэффициент теплопроводности газов, а в особенности паров сильно зависит от давления. Численное значение коэффициента теплопроводности для различных веществ меняется в очень широких пределах – от 425 Вт/(м·К) у серебра, до величин порядка 0,01 Вт/(м·К) у газов. Это объясняется тем, что механизм передачи теплоты теплопроводностью в различных физических средах различен.

Металлы имеют наибольшее значение коэффициента теплопроводности. Теплопроводность металлов уменьшается с ростом температуры и резко снижается при наличии в них примесей и легирующих элементов. Так, теплопроводность чистой меди равна 390 Вт/(м·К), а меди со следами мышьяка – 140 Вт/(м·К). Теплопроводность чистого железа 70 Вт/(м·К), стали с 0,5 % углерода – 50 Вт/(м·К), легированной стали с 18 % хрома и 9 % никеля – только 16 Вт/(м·К).

Зависимость теплопроводности некоторых металлов от температуры показана на рис. 9.2.

Газы имеют невысокую теплопроводность (порядка 0,01. 1 Вт/(м·К)), которая сильно возрастает с ростом температуры.

Теплопроводность жидкостей ухудшается с ростом температуры. Исключение составляют вода и глицерин. Вообще коэффициент теплопроводности капельных жидкостей (вода, масло, глицерин) выше, чем у газов, но ниже, чем у твердых тел и лежит в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м·К).

Рис. 9.2. Влияние температуры на коэффициент теплопроводности металлов

Источник

Поверхностная плотность теплового потока

Поверхностная плотность теплового потока (ППТП) – это лучистый тепловой поток , воздействующий на единицу поверхности образца (ГОСТ 30402-96).

Плотность теплового потока (поверхностная) – это величина теплового потока, проходящая через единицу площади поверхности конструкции (ГОСТ 25380-2014).

Единица измерения в системе СИ: Вт/м 2 .

Формула

Величина плотности теплового потока (q) определяется по формуле: q = K · Е, где:

• q – плотность теплового потока, Вт/м 2 ;
• К – коэффициент преобразования, Вт/м 2 · мВ;
• Е – величина термоэлектрического сигнала, мВ.

Метод определения (измерения)

Метод измерения плотности теплового потока пошагово изложен в ГОСТ 25380-2014 и основан на измерении перепада температуры на «дополнительной стенке» (пластинке), устанавливаемой на ограждающей конструкции здания. Этот температурный перепад, пропорциональный в направлении теплового потока его плотности, преобразуется в термоЭДС (термоэлектродвижущую силу) батареей термопар, расположенных в «дополнительной стенке» параллельно по тепловому потоку и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. «Дополнительная стенка» (пластинка) и батарея термопар образуют преобразователь теплового потока.

Плотность теплового потока отсчитывается по шкале специализированного прибора ИТП-МГ4.03 «Поток», в состав которого входит преобразователь теплового потока, или рассчитывается по результатам измерения термоЭДС на предварительно оттарированных преобразователях теплового потока.

Схема измерения плотности теплового потока

1 – измерительный прибор (потенциометр постоянного тока по ГОСТ 9245); 2 – подсоединение измерительного прибора к преобразователю теплового потока; 3 – преобразователь теплового потока; 4 – исследуемая ограждающая конструкция; q – плотность теплового потока, Вт/м 2

Технические характеристики прибора ИТП-МГ 4.03 Поток

Конструктивно измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ 4.03 “Поток” выполнен в виде электронного блока и соединенных с ним посредством кабелей модулей, к каждому из которых, в свою очередь, подсоединены посредством кабелей 10 датчиков теплового потока и/или температуры.

Схема кабельных присоединений преобразователей теплового потока и датчиков температуры измерителя ИТП-МГ 4.03 «Поток»

Принцип действия, положенный в основу измерителя, заключается в измерении термоЭДС контактных термоэлектрических преобразователей теплового потока и сопротивления датчиков температуры.

Преобразователь теплового потока представляет собой гальваническую медьконстантановую термобатарею из нескольких сот последовательно соединенных термопар, сложенных бифилярно в спираль, залитую эпоксидным компаундом с различными добавками. Преобразователь теплового потока имеет два вывода (по одному от каждого конца чувствительного элемента).

Работа преобразователя основана на принципах «дополнительной стенки» (пластинки). Преобразователь закрепляется на теплообменной поверхности исследуемого объекта, образуя дополнительную стенку. Тепловой поток, проходящий через преобразователь, создает в нем градиент температур и соответствующий термоэлектрический сигнал.

В качестве выносных датчиков температуры в измерителе применяются платиновые преобразователи сопротивления по ГОСТ 6651, обеспечивающие измерение поверхностных температур путем их крепления на исследуемые поверхности, а также температур воздуха и сыпучих сред методом погружения.

1. Предел измерения:

• плотности теплового потока: 10-999 Вт/м 2 ;
• температуры: от минус 30 °C до 100 °C.

1. Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности при измерении:

• плотности теплового потока: ± 6%;
• температуры: ± 0,2 °C.

1. Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности при измерении:

• плотности теплового потока, вызванной отклонением температуры преобразователей теплового потока от 20 °C: ± 0,5 %;
• температуры, вызванной отклонением температуры электронного блока и модулей от 20 °C: ± 0,05 °C.

1. Термическое сопротивление преобразователей:

• плотности теплового потока не более 0,005 м 2 · °C/Вт;
• температуры не более 0,001 м 2 · °C/Вт.

1. Коэффициент преобразования преобразователей теплового потока не более 50 Вт/(м 2 · мВ).
2. Габаритные размеры не более:

• электронного блока 175 x 90 x 30 мм;
• модуля 120 x 75 x 5 мм;
• датчиков температуры диаметром 12 мм и толщиной 3 мм;
• преобразователей теплового потока (прямоугольных): от пластин 10 x 10 мм толщиной 1 мм до пластин 100 x 100 мм толщиной 3 мм;
• преобразователей теплового потока (круглых) от пластин диаметром 18 мм толщиной 0,5 мм до пластин диаметром 100 мм толщиной 3 мм.

1. Масса не более:

• электронного блока 0,25 кг;
• модуля с десятью преобразователями (с кабелем длиной 5 м) 1,2 кг;
• единичного преобразователя температуры (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг;
• единичного преобразователя теплового потока (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг.

Метод тарировки преобразователя теплового потока изложен в Приложение Б к ГОСТ 25380-2014

Источник: ГОСТ 30402-96 Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость; ГОСТ 25380-2014 Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции.

Источник

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК — поток энергии (в форме теплоты), обусловленный ее самопроизвольным, необратимым переносом в пространстве от более нагретых тел (участков тела) к менее нагретым [2].

Тепловой поток — количество тепловой энергии, излучаемой, передаваемой или поглощаемой единицей площади поверхности за единицу времени.

Выражается в Ваттах на квадратный метр. (ИСО 13943:2017)

Тепловой поток через X минут (HF-X), кВт/м2 — тепловой поток, воздействующий на испытательный образец в каком-либо месте, начиная с которого фронт пламени в течение времени испытания X мин наиболее удален от нулевой линии испытательного образца. (ГОСТ Р ИСО 9239-2014)

Тепловой поток, кВт/м2 — тепловая мощность, воздействующая на единицу площади. Тепловой поток составляют как тепловой поток от излучения, так и тепловой поток от конвекции. (ГОСТ Р ИСО 9239-2014)

Тепловой поток является важнейшей характеристикой пожара (см. ПОЖАР), определяющей нагрев и возгорание пожарной нагрузки (см. ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА).

Тепловой поток равен количеству теплоты, проходящему через заданную и нормальную к направлению распространения теплоты поверхность в единицу времени [3].

— n_o – единичный вектор нормальный к изотермической поверхности;

Тепловой поток характеризует интенсивность теплообмена во времени или мощность теплообмена, и поэтому его измеряют в Джоулях в секунду или Ваттах (Дж/с = Вт).

При стационарном режиме теплообмена и при одинаковых условиях теплообмена на поверхности тела тепловой поток не изменяется во времени. Его рассчитывают по формуле:

В расчетах теплообмена используют три удельных тепловых потока: поверхностную плотность теплового потока, линейную плотность теплового потока и объемную плотность теплового потока [3].

Поверхностная плотность теплового потока (q, Вт/м 2 ) — тепловой поток, отнесенный к площади поверхности тела:

F – площадь поверхности теплообмена, м 2 .

В стационарном режиме и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

Зная поверхностную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t:

Линейная плотность теплового потока (q_l, Вт/м) — тепловой поток, отнесенный к длине протяженного тела с произвольным, но постоянным по длине поперечным сечением:

l – длина протяженного тела, м.

Зная линейную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t:

Объемная плотность теплового потока (q_v, Вт/м 2 ) — тепловой поток, отнесенный к объему тела.

Поверхностная плотность теплового потока равна количеству теплоты, проходящему через заданную и нормальную к направлению распространению теплоты единичную площадку в единицу времени или тепловому потоку, проходящему через заданную единичную площадку.

В стационарном режиме и при одинаковых условиях теплообмена на всей поверхности тела:

Зная поверхностную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена:

Линейная плотность теплового потока равна тепловому потоку, проходящему через боковую поверхность единичной длины протяженного тела с произвольным, но постоянным по длине поперечным сечением.

Зная линейную плотность теплового потока, можно рассчитать тепловой поток и количество теплоты за время теплообмена t.

Объемная плотность теплового потока характеризует мощность действия внутренних источников (стоков) теплоты и равна количеству теплоты, которое выделяется или поглощается внутри единичного объема тела в единицу времени.

Объемная плотность теплового потока — величина скалярная и не имеет направления. Поэтому удельную величину q_v — теплоту, выделяемую (поглощаемую) в единичном объеме за единицу времени — в принципе, нельзя называть удельным тепловым потоком. Однако такой термин в теплотехнике используют для единства терминологии удельных тепловых потоков.

В стационарном режиме теплообмена и при условии равномерного распределения внутренних источников (стоков) теплоты в объеме тела можем записать:

Зная q_v, можно рассчитать мощность теплообмена (тепловой поток) и количество теплоты за время действия источника t.

Внутренние источники (стоки) теплоты могут быть различной геометрической формы (точечной, линейной, плоской и т. п.) и действовать в разных областях тела в различные моменты времени с разной интенсивностью. Объемную плотность теплового потока q_v используют в расчетах теплообмена, возникающего вследствие протекания процессов другой физической природы (ядерных, электрических, механических, химических и ряда других процессов) с выделением или поглощением теплоты.

Поэтому объемную плотность теплового потока q_v используют в расчетах теплообмена в ядерном реакторе, при прохождении электрического тока по проводнику с большим сопротивлением, при химических реакциях и т. п. Величина q_v может быть как положительной (теплота выделяется), так и отрицательной (теплота поглощается) [3].

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитное излучение, испускаемое пламенем (см. ГОРЕНИЕ) на пожаре.

Тепловое излучение представляет собой перенос энергии электромагнитными волнами в относительно узком спектральном интервале, который включает видимый свет и часть инфракрасной области, создающее тепловой поток от очага пожара к окружающим объектам при длинах волн в интервале 0,4–100 мкм. Для реальных пожаров тепловое излучение является доминирующей составляющей теплообмена.

Тепловое излучение, воздействующее на людей и материальные ценности, является первичным опасным фактором пожара (см. ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ ПОЖАРА ).

При анализе воздействия теплового излучения следует различать случаи импульсного и длительного воздействия. В первом случае критерием поражения является доза излучения D (например, воздействие огненного шара), во втором — критическая интенсивность теплового излучения q_CR (например, воздействие пожара пролива).

Для поражения человека тепловым излучением величина пробит-функции описывается формулой:

Где t — эффективное время экспозиции, с;

q — интенсивность теплового излучения, кВт/м 2

Величина эффективного времени экспозиции t определяется по формулам:

Условная вероятность поражения человека, попавшего в зону непосредственного воздействия пламени пожара пролива или факела, принимается равной 1.

Для пожара-вспышки следует принимать, что условная вероятность поражения человека, попавшего в зону воздействия высокотемпературными продуктами сгорания газопаровоздушного облака, равна 1; за пределами этой зоны условная вероятность поражения человека принимается равной 0 [1]

ЗОНА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ — область пространства, примыкающая к зоне горения, в которой при пожаре возможно воздействие пламени, высокотемпературных продуктов горения и теплового излучения.

Передача теплоты в окружающую среду осуществляется тремя способами:

Пламя можно разделить на три основные зоны (см. Рис. 1 Основные зоны пламени):

Рис. 1 Основные зоны пламени

Зона теплового воздействия — пространство вокруг зоны горения, где температура достигает значений, при которых разрушаются окружающие предметы и присутствует высокая опасность для человека.

В этой зоне происходит интенсивный теплообмен между зоной горения и окружающим пространством, в том числе между окружающими конструкциями зданий и сооружений .

При пожаре внутри зданий интенсивность тепломассообмена зависит от размеров и расположения проемов в ограждающих конструкциях, высоты помещений, количества и свойств пожарной нагрузки [4].

3. Бухмиров В.В., «Тепломассообмен»: Учеб. пособие / ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». — Иваново, 2014. — 360 с.

Источник