Написано от Мария Сесилия Ернандес на 24 октомври 2011 г.

топлинното натоварване

от Камило Ботеро*

Когато инженерът ще проектира климатична и вентилационна система, например в регион с тропически климат, той трябва да установи какво ще бъде топлинното натоварване, т.е. количеството енергия под формата на топлина, което трябва да се отстрани.

Първоначално специалистът определя психрометричната ситуация за конкретния случай и се изправя пред задача, която днес изглежда проста поради помощта и компютърния напредък, но в действителност е много сложна.

Например, въпреки развитието на технологиите, изобщо не е лесно да се изчислят стойностите за различните чувствителни топлини (енергия, която се предава чрез температурни разлики), които участват в тази обща енергия, която трябва да бъде отстранена от околната среда, за постигане на условия на човешки комфорт или за определен индустриален процес.

Как да изчислим топлинното натоварване е предметът, който ни заема днес. Това е техническа и обширна информация, поради което тя ще бъде допълнена в следващите издания на ACR LATINOAMÉRICA.

За да се съгласим с терминологията, която ще използваме оттук насетне, е необходимо да дефинираме някои понятия, които ще бъдат споменати в тази и следващите вноски.

- Термодинамика и пренос на топлина: разликата между тези две понятия е, че първата фундаментално се занимава със състояния в равновесие, а втората представлява ситуация на дисбаланс, тъй като е следствие от разликата в температурата.

- Топлина: това е енергията, която се предава поради температурната разлика. Всички процеси на топлинния поток следват първия и втория закон на термодинамиката.

Форми на топлинен поток
Топлинният поток, който се генерира от температурна разлика, може да бъде представен в три основни форми, въпреки че в приложенията за изчисляване на термично натоварване за климатизация те обикновено не се наблюдават изолирано; това са:

Проводимост: този топлинен поток се осъществява между две тела или между две части на едно и също тяло, като продукт на молекулярно взаимодействие, между тези с по-висока енергия (по-висока температура) и тези с по-ниска енергия (по-ниска температура), тъй като кинетичната енергия на молекулите е пропорционална на тяхната температура.

Радиация: това явление се осъществява под формата на електромагнитни вълни и не се нуждае от физическа среда за транспортиране на енергия. Когато температурите са високи, това е от голямо значение, защото е пропорционално на четвъртата степен на температурата.

Конвекция: това е комбиниран процес на пренос на енергия, съхранение на енергия и пренос на материя. Провежда се между твърди вещества и течности.

При решаването на проблеми с преноса на топлина е необходимо не само да се знае видът на топлинния поток, но и дали процесът е:

Да отидем на цифрите
В дългогодишния ми опит има много хора, които идват при мен, за да се консултират с технически подробности, изчисления, формули и уравнения, които трябва да бъдат приложени, в конкретния случай за установяване на топлопреминаване. Следователно по-долу ще опиша подробно уравненията, които трябва да се използват в тази тема.

Проводимост: уравнението, което управлява проводимостта, се нарича уравнение на Фурие и има следния израз за най-простия случай, който е стационарен, едномерен случай на плоска плоча.

Номенклатура за уравнението на Фурие.

Появата на знака минус се дължи на конвенцията, че топлината е положителна, ако се извършва по посока на оста x.

Обосновка на знак за минус при q = - kA dT/dx

Измерете топлопроводимостта
Може да се каже, че топлопроводимостта (k) е количеството топлина за единица време, площ и градиент, което се провежда през твърдо вещество.

Това определение предлага метод за измерване на k.

Позволява да бъде образец с площ на сечението A и дължина ∆x: ако на едната страна се въведе количество топлина и се извлече на другата, и ако този топлинен поток се измери по време на стационарно състояние и разликата в температурите между двете повърхности, от горното уравнение се изчислява стойността на k.

Екип, който извършва горната операция, ще бъде:

Принципът, по който работи k-метър, е да се направи баланс на енергия и маса за процеса на превръщане на електрическата енергия в пренос на топлина чрез проводимост и накрая за нагряване на воден поток.

Типичните стойности на проводимостта са: (B.T.U./hr ft ºF).

Топлинно излъчване
Може да се каже, че радиацията е енергия, излъчвана от тялото под формата на електромагнитни вълни поради неговата температура.

Както е известно от физиката, количеството на излъчената енергия като функция от дължината на вълната е между 0,1μ и 100μ.

За дадена температура общата максимална излъчена енергия при всички дължини на вълните е:

Ако А1 беше сиво тяло; тоест, ако неговата енергийна емисия е част от максимално излъчената енергия.

Сега, ако това са две сиви тела, които имат определено положение един спрямо друг, топлообменът се дава от:

Понякога искате да поставите топлинния поток по отношение на линейната разлика в температурите, за това се определя средният коефициент на топлопредаване от радиация:

Конвекция
Както беше казано, това е комбиниран процес на молекулярен топлопренос; съхранение на енергия и транспортиране на маса.

Таблица, показваща диапазоните на най-важните hc, ще бъде:

В заключение
С появата на софтуер за изчисляване на топлинното натоварване е създадена разсейваща софистика, която прави това изчисление лесно видимо.

Казва се: „Всичко, което трябва да направите, е да въведете данните и софтуерът ми дава резултата!“

Реалността е, че този софтуер се базира на часови климатични данни, които нямаме в нашия регион, и на глобални коефициенти на топлопреминаване, които не съответстват на местните строителни материали и за които нямаме тези стойности. Освен това използваните данни за слънчевата радиация не са тези на сайта.

Затова приканвам колегите си да се върнат към книгите си за пренос на топлина, които са отлични и запомнят тези основни принципи, очертани тук по прост начин.

Без съмнение те ще си спомнят часовете и часовете, които са прекарали, опитвайки се да решат някакъв проблем, който предполага решението на общото уравнение на движението, които са били инвестирани в решаване на уравнение с помощта на диференциални и интегрални изчисления с три координати на позицията и променливата време и може би с вътрешно генериране на топлина.

Може би решението на уравнение на Бесел за изчисление на ребрата за подобряване на работата на топлообменниците или изчисляването на форм-фактор с множество интеграли ще се върне в съзнанието ви.

Тогава те ще стигнат до извода, че преносът на топлина е един от предметите в нашата кариера, който представлява най-голяма трудност за нас.

За щастие в практическия живот ни остават линейни уравнения, стационарно състояние и едномерни. Део Гратиас!


* Камило Ботеро е настоящият секретар на Федерацията на иберо-американските асоциации за климатизация и охлаждане - FAIAR; Бил е президент на ACAIRE и е президент на Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Работил е като преподавател в няколко колумбийски университета, профсъюзи и в момента в ACAIRE в дипломни курсове по проекти за климатизация, енергийна ефективност в климатизацията и охлаждането, когенерация и тригенерация, приложна психометрия, термодинамика, механика на флуидите, пренос на топлина и турбомашини.