Особенности выделения теплоты при контактной сварке
В общем случае при контактной сварке могут действовать 3 источника тепоты Qэ-э = QДж + QП + QТ, где QДж – теплота Джоуля-Ленца, QП – теплота Пельтье, QТ – теплота Томсона.
Теплота Пельтье – 2-й термоэлектрический эффект (1834.), при котором выделение или поглощение теплоты происходит тогда, когда средняя энергия электронов в одной среде отличается от средней энергии электронов в контакте с другой средой. При этом если направление тока таково, что через контакт перемещаются электроны из среды с большей энергией, – происходит выделение теплоты, с меньшей энергией – поглощение теплоты. Следовательно, в зависимости от направления тока теплота Пельтье складывается или вычитается из теплоты Джоуля. Теплота Пельтье проявляется в контакте между электродом и деталью, на границе между жидким ядром и его твердой оболочкой только при постоянном токе.
Теплота Джоуля-Ленца – 3-й электротермический эффект (1841–1842), при котором выделение теплоты в проводнике происходит пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени пропускания тока. Это основной источник теплоты при контактной сварке.
Теплота Томсона — 4-й термоэлектрический эффект (1856.).
Этот эффект возникает при перепаде температур по длине проводника с током. При прохождении потока электронов от горячего конца проводника к холодному они передают избыток энергии – происходит сложение теплоты Джоуля с теплотой Томсона. При обратном движении потока электронов от холодного конца к горячему происходит охлаждение проводника, т. е. потери теплоты Джоуля.
Термоэлектрическими явлениями 3 и 4 типа в общем случае при контактной сварке можно пренебречь. Их доля в общем балансе тепловыделения при контактной сварке не превышает 1%.
При прохождении тока по проводнику, можно наблюдать его различные действия: тепловое, химическое, магнитное или световое. Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой он протекает, нагревается. Оно может проявляться как в твердых телах, так в жидкостях и газах.
На данном уроке мы более подробно рассмотрим именно тепловое действие тока, разберем физику происходящих процессов и познакомимся с законом Джоуля-Ленца. Этот закон позволит нам узнать, какие проводники нагреваются больше других и от чего зависит количество энергии, которое идет на нагрев.
Нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока
Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?
При прохождении электрического тока по проводнику его температура увеличивается — он нагревается. Что при этом происходит внутри проводника?
Под действием электрического поля в металлическом проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны начинают упорядоченно двигаться. При этом сохраняется и хаотичность их движения.
При таком движении они (свободные электроны) взаимодействуют с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки проводника. В ходе этого взаимодействия свободные электроны передают ионам свою кинетическую энергию. Например, это происходит при соударении с ними.
Так, энергия электрического поля переходит во внутреннюю энергию проводника. Его температура увеличивается.
При протекании электрического тока по проводнику его внутренняя энергия увеличивается.
В растворах солей, кислот, щелочей свободными заряженными частицами являются ионы. Они также будут взаимодействовать с атомами вещества.
От чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током?
Электрический ток проходит по проводнику. Он нагревается. При этом он контактирует с окружающей средой, а не находится в вакууме. По этой причине проводник начинает выделять некоторое количество теплоты $Q$. То есть проводник взаимодействует с окружающей средой посредством теплопередачи.
Заглянув внутрь проводника и объяснив его нагревание, мы можем предположить, что количество теплоты зависит как минимум от двух величин: от сопротивления и от силы тока.
Давайте разберемся, почему мы выбрали именно эти величины.
Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления
Давайте опытным путем подтвердим наше первое предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из двух нагревателей и источника тока. Все элементы соединим последовательно.
Опустим нагреватели в калориметры (приборы для измерения количества теплоты) с одинаковым количеством воды. Начальная температура воды в обоих сосудах тоже одинакова.
Замкнем цепь. Теперь через нагреватели течет электрический ток (рисунок 1). Сила тока в них одинакова, потому что они соединены последовательно.
Рисунок 1. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от его сопротивления
Мы увидим, что вода нагреется быстрее в первом калориметре. Это значит, что она получила большее количество теплоты. Именно в этом калориметре у нас и находится нагреватель с большим сопротивлением $R_1$. Наше предположение подтвердилось.
Чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.
Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем
Теперь проверим наше второе предположение. Соберем электрическую цепь, состоящую из лампы накаливания, реостата, амперметра и источника тока.
Передвигая ползунок реостата, будем постепенно увеличивать силу тока в цепи. Мы увидим, что будет увеличиваться и яркость лампочки (рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость количества теплоты, выделяющегося в проводнике, от силы тока в нем
Получается, что при увеличении силы тока, у нас увеличивается количество теплоты, которые выделяет нить накаливания лампы. Предположение №2 подтверждено.
Чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество теплоты выделяется при прохождении по нему электрического тока.
Закон Джоуля-Ленца
Подобные опыты в одно время, но независимо друг от друга проводили двое ученых. Один из них — это уже известный нам Джеймс Джоуль, а второй — русский физик Эмилий Христианович Ленц (рисунок 3).
Рисунок 3. Эмилий Ленц (1804—1865) — российский физик, один из основоположников электротехники
Анализируя измеренные в ходе опытов величины, ученые смогли математически сформулировать закон, описывающий количество теплоты, выделяемой проводником при прохождении по нему электрического тока.
Закон Джоуля-Ленца:Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени;$Q = I^2Rt$.
Этот же результат мы можем получить, выполнив простые математические действия с уже известными нам величинами. Но для этого нам осталось разобрать всего один нюанс — закон сохранения энергии при нагревании проводника током.
Закон сохранения энергии при нагревании проводника током
По закону сохранения энергии мы знаем, что энергия не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда.
Откуда у нас появилась какая-то дополнительная энергия в проводнике, которая пошла на его нагревание? Это энергия электрического поля, созданного источником тока. Если же поле имеет какую-то энергию, то оно может совершить какую-то работу, что и происходит на практике. При этом наш проводник нагревается — получает какое-то количество теплоты (энергии). Получается, что происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию тела.
Если ток производит только тепловое действие, то выделенное в проводнике количество теплоты будет равно работе электрического тока, совершенной за это время:$Q = A$.
Математический вывод закона Джоуля-Ленца
Нагревание при прохождении электрического тока происходит в неподвижных металлических проводниках. Получается, что работа тока будет идти на увеличение внутренней энергии проводника. Нагретый проводник будет эту энергию передавать окружающим телам путем теплопередачи: $Q = A$.
Работа электрического тока рассчитывается по формуле: $A = UIt$.Тогда $Q = A = UIt$.
Подставим это выражение в формулу для количества теплоты:$Q = UIt = IR cdot It = I^2Rt$.
Мы пришли к верной записи закона Джоуля-Ленца.
Упражнения
Какое количество теплоты выделится за $30 space мин$ проволочной спиралью сопротивлением $20 space Ом$ при силе тока, равной $5 space А$?
Дано:$t = 30 space мин$$R = 20 space Ом$$I = 5 space А$
СИ:$t = 1800 space с$
$Q — ?$
Показать решение и ответ
Используем закон Джоуля-Ленца:$Q = I^2Rt$.
$Q = 5^2 space А^2 cdot 20 space Ом cdot 1800 space с = 900 space 000 space Дж = 900 space кДж$.
Ответ: $Q = 900 space кДж$.
Упражнение №2
С какой целью провода в местах соединения не просто скручивают, а еще и спаивают? Ответ обоснуйте.
Скручивая один проводник с другим, мы получаем утолщенное и уплотненное место их соединения. Сопротивление на таком участке будет больше, чем у самих проводов. А чем больше сопротивление проводника, тем больше тепла будет выделяться при прохождении по нему электрического тока. Такой участок будет сильно нагреваться.
Спайка же позволяет сделать место соединения проводов более однородным. Это практически не изменяет сопротивления. Таким образом, мы избегаем нагревания проводов в месте их соединения друг с другом.
Упражнение №3
Спираль нагревательного прибора — рефлектора — при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. Спираль и провода соединены последовательно. Как распределяется подаваемое от сети напряжение между проводами и спиралью? Почему спираль раскаляется, а провода почти не нагреваются? Какими особенностями устройства спирали и проводов достигается эта разница?
Будем опираться на закон Джоуля-Ленца: $Q = I^2Rt$.
Спираль раскаляется, а провода — нет. Это означает, что на спирали выделяется намного больше количества теплоты $Q$, чем в проводах. Если сила тока одинакова, значит причина этому — сопротивление $R$.
Что будет с напряжением в такой цепи? Запишем закон Джоуля-Ленца в таком виде: $Q = UIt$. Сказано, что все элементы в этой цепи соединены последовательно. Значит сила тока $I$ во всех ее участках будет одинакова.
Получается, что напряжение на спирали будет больше, чем напряжение на концах проводов.
Упражнение №4
В цепь источника тока включены последовательно три проволоки одинакового сечения и одинаковой длины: медная, стальная и никелиновая. Какая из них больше нагреется? Ответ обоснуйте и по возможности проверьте на опыте.
Начнем с теории. По закону Джоуля-Ленца: чем больше сопротивление проводника, тем большее количество теплоты выделится в нем. Сила тока на всех участках цепи будет одинакова из-за типа соединения.
Самым большим сопротивлением будет обладать нихромовая проволока. Она нагреется больше остальных.
Теперь проведем опыт.Соберем электрическую цепь из трех проволок и источника тока. Все элементы соединим последовательно.
Через какое-то время вы сможете увидеть подтверждение нашим теоретическим выводам. Нихромовая проволока нагреется до белого каления, никелиновая — начнет краснеть (рисунок 4). Медная проволока визуально останется такой же.
Рисунок 4. Зависимость температуры проволоки от сопротивления
Обратите внимание, что визуально оценить эффект нагревания в таком случае проще, чем пробовать при малых температурах определить на ощупь, какая проволока нагрелась больше или пытаться использовать термометр.
Внутренняя энергия тела — это не постоянная величина. Она может изменяться двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Работа может совершаться как над телом, так и самим телом. В первом случае это будет приводить к увеличению внутренней энергии, а во втором — к ее уменьшению.
Без совершения работы работы изменить внутреннюю энергию тела можно путем теплопередачи. В этом случае переход энергии от одних тел к другим может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением. Здесь у нас появляется новое определение — количество теплоты. С помощью него мы сможем говорить о количестве этой переданной энергии.
Количество теплоты — это энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
Чтобы научиться в дальнейшем вычислять количество теплоты, нам нужно установить зависимость от других единиц. Этим мы с вами и займемся на данном уроке.
Зависимость количества теплоты от массы тела
Проведем опыт. У нас есть две одинаковых горелки и два одинаковых сосуда. В один сосуд мы нальем $1 space кг$ воды, а в другой — $2 space кг$ воды (рисунок 1). Начальная температуры воды в двух сосудах одинакова.
Рисунок 1. Демонстрация зависимости количества теплоты от массы тела.
Начнем нагревать воду в сосудах. Через какое-то время (например, 3 минуты) мы увидим, что вода в сосудах нагрелась неодинаково. Измерим температуру термометром. Получим, что во втором сосуде вода нагрелась на меньшее количество градусов, чем в первом. При этом оба сосуда получали равное количество теплоты.
Значит, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от его массы.
Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты необходимо затратить, чтобы изменить его температуру на одно и то же число градусов.
Если мы рассмотрим обратный процесс — охлаждение, то увидим такую же зависимость. При остывании тело передает окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.
Зависимость количества теплоты от разности температур
Теперь возьмем два сосуда с водой одинаковой массы. Но в одном сосуде вода будет иметь комнатную температуру, а во втором — уже подогрета. Опустим термометры в оба сосуда и начнем нагревать воду до $100 degree C$ (рисунок 2).
Рисунок 2. Демонстрация зависимости количества теплоты от начальной те
Через некоторое время, мы увидим, что вода во втором (заранее подогретом) сосуде достигла заданной температуры быстрее.
Значит, количество теплоты, переданное первому сосуду с водой, меньше, чем второму.
Те же наблюдения мы можем провести, нагревая воду в обычном чайнике. Чтобы просто подогреть воду, нам потребует меньше времени, чем для закипания воды в чайнике. В первом случае будет передано меньшее количество теплоты, чем во втором.
Итак, мы можем сказать, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того, на сколько градусов нагревается тело.
Количество теплоты зависит от разности температур тела.
Зависимость количества теплоты от рода вещества
А что будет, если мы будем сравнивать количество теплоты, затраченное на нагревание разных веществ? До этого в наших опытах мы нагревали одинаковую воду в двух сосудах. Давайте проверим.
В первый сосуд нальем воду массой $1 space кг$, а во второй — керосин массой $1 space кг$. Горелки, на которых будем нагревать сосуды, одинаковые. Начальные температуры воды и керосина тоже одинаковы. Начнем нагревать эти сосуды (рисунок 3).
Рисунок 3. Демонстрация зависимости количества теплоты от рода вещества.
Через какое-то время (возьмем 3 минуты) зафиксируем температуры веществ в обоих сосудах. Окажется, что керосин будет иметь более высокую температуру, чем вода. При этом отметим, что обе жидкости получили равное количество теплоты.
Значит, для нагревания двух разных веществ до одной и той же температуры требуется разное количество теплоты. В нашем случае для нагрева керосина потребуется меньшее количество теплоты, чем для воды.
Необходимое количество теплоты для нагревания тела зависит от того, из какого вещества оно состоит, т.е. от рода вещества.
Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела (или выделяемое при остывании) зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.
Единицы количества теплоты
Количество теплоты обозначается буквой $Q$.
Т.к. количество теплоты — это очередной вид энергии, измеряется оно так же в джоулях ($Дж$), килоджоулях ($кДж$) и мегаджоулях ($МДж$):
$1 space кДж = 1 000 space Дж$,$1 space МДж = 1 000 000$,
$1 space Дж = 0.001 space кДж$,$1 space МДж = 0.000001 space Дж$.
В ходе истории количество теплоты начали измерять задолго до появления понятия энергии в физике. Поэтому существует еще одна единица измерения количества теплоты — калория (кал) или килокалория (ккал). Слово происходит от латинского калор — тепло, жар.
Дадим определение этой единице.
Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания $1 space г$ воды на $1 degree C$.
$1 space ккал = 1 000 space кал$.
$1 space кал = 4.19 space Дж approx 4.2 space Дж$,$1 space ккал = 4 190 space Дж approx 4 200 space Дж approx 4.2 space кДж$.
$1 space Дж = 0.239 space кал approx 0.24 space кал$,$1 space Дж = 0.000239 space ккал approx 0.00024 space ккал$.
h2. Теплопоступления от людей.
Они поступают в окружающую среду в виде явной и скрытой теплоты. Явное тепло отдаётся окружающей среде в результате конвективного и лучистого теплообмена. Скрытое тепло – представляет теплосодержание водяных паров, испаряющихся с поверхности тела и лёгких человека.
Полное количество, выделяемой человеком теплоты зависит, в основном, от степени тяжести выполняемой работы и в меньшей мере от температуры помещения и теплозащитных свойств одежды. С повышением интенсивности работы и температуры окружающего воздуха увеличивается доля тепла, передаваемого в виде скрытого тепла испарения. При температуре воздуха 34°С всё тепло, выработанное организмом, отдаётся путём испарения.
Показатели тепловыделений человека во внешнюю среду даны в таблице, приведённой далее.
В этой связи можно высказать несколько замечаний:
* вне зависимости от вида деятельности общее количество выделяемой телом тепловой энергии при низких температурах окружающей среды выше, чем при высоких температурах;
* при низких температурах окружающей среды значение явного (ощутимого) тепла значительно выше показателей скрытого тепла, и наоборот, при высоких температурах преобладает выделение скрытого тепла;
* при температурах, соответствующих комфортному состоянию (22 ± 2°С), при сидячем роде занятий, общее количество выделяемого тепла распределяется приблизительно в следующей пропорции:
p=. *_60 — 65% явного тепла и 40 — 35% скрытого тепла._*
С повышением физических нагрузок начинает преобладать выделение скрытого тепла.
Показатели выделения тепла человеком при различных температурах окружающей среды приведены на нижеследующем графике.
При расчёте поступления тепла от людей нужно принимать во внимание тот факт, что не всегда количество людей, заявленное в исходных данных, будет соответствовать одновременному их присутствию в данном помещении. Этот факт обосновывает применение коэффициента одновременности присутствия. Чтобы выполнить расчёт, соответствующий реальности, этот коэффициент принимают обычно в пределах от _0,9_ до _0,95_. В других случаях, например в гостиницах, ресторанах и т.п., такой коэффициент должен быть установлен на основании Технического задания Заказчика.
(Поступление теплоты в помещения гражданских и производственных зданий)
*_Количество тепла, выделяемое одним человеком, определяется исходя из следующих выражений:_*
* *количество явного тепла*
(количество явного тепла)
* *количество полного тепла*
(количество полного тепла)
*Количество тепла и влаги, выделяемое взрослыми мужчинами*
*Примечание.* Женщины выделяют _85%_ , а дети _75%_ тепла и влаги по сравнению с мужчинами.
*Категории работ от вида деятельности.*
1. Категория работ — разграничение работ по тяжести на основе энергозатрат организма.
2. Под рабочей зоной следует принимать пространство, ограниченное по высоте 2 м над уровнем пола, или площадку, на которой находятся места постоянного или непостоянного (временного) пребывания людей.
h2. Теплопоступления от искусственного освещения.
Принято считать, что вся электрическая энергия, затрачиваемая на освещение, полностью переходит в теплоту. Величины освещённости на уровне рабочих мест и электрической мощности освещения определяются видом работ, выполняемых в помещении.
Если электрическая мощность освещения _Nосв., кВт_, известна, то поступления тепла в помещение _Qосв._ можно определить, как:
p=. *_Qосв. = 1000 Nосв., Вт._*
В тех случаях, когда источник света находится за пределами помещения (за остеклённой поверхностью, в составе вентилируемого светильника), в него поступает только радиационное излучение (видимая и невидимая часть спектра электромагнитных излучений).
Если электрическая мощность освещения неизвестна, её можно определить по величине нормируемой освещённости с помощью формулы:
где: *_Е_* — уровень освещенности, _лк_;
*Уровень общего освещения помещений – Е, лк*
F — площадь пола помещения, _м2_;
qосв — удельные тепловыделения, _Вт / (м2 × лк)_;
*Удельные тепловыделения от люминесцентных ламп, qосв., Вт / (м2 × лк)*
*Примечание.* При применении ламп накаливания вводиться поправочный коэффициент 2,75.
*_ηосв_* — доля тепла, поступающего в помещения
* источники света находятся в помещении
* источники света находятся вне пределов помещения — в чердачном помещении, за стеклянной стеной
p=. *_ηосв = 0,45 при люминесцентных лампах;_*
p=. *_ηосв = 0,15 при лампах накаливания._*
h2. Теплопоступления от отопительных приборов.
В режиме вентиляции:
(Теплопоступления от отопительных приборов в режиме вентиляции)
В режиме кондиционирования:
(Теплопоступления от отопительных приборов в режиме кондиционирования)!
где: *_Qт.п._* — суммарные тепловые потери помещения, Вт;
*_tср.оп._* — средняя температура отопительного прибора, °С
(Средняя температура отопительного прибора)!
*_tпод, tобр_* — температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе системы отопления, °С;
*_tв.вент._* — расчетная температура воздуха при расчете вентиляции, °С;
*_tв.от._* — расчетная температура воздуха при расчете отопления, °С;
*_tнар.кондиц._* — расчетная температура воздуха при расчете кондиционирования, °С.
h2. Теплопоступления от технологического оборудования cтоловой.
(Теплопоступления от технологического оборудования cтоловой)
где: *_КО_* — коэффициент одновременности работы теплового оборудования;
для столовых КО — 0,8
для ресторанов и кафе КО — 0,7
*_NМ_* — мощность установленного модулированного технологического оборудования, кВт.
*Характеристика теплового оборудования предприятия общественного питания.*
*_NН_* — установленная электрическая мощность не модулированного технологического оборудования, _кВт_;
*_NР_* — установочная мощность электрического оборудования в раздаточном проеме, _кВт_;
*_КЗ_* — коэффициент загрузки оборудования (см. таблицу);
*_К1_* — коэффициент эффективности приточно-вытяжных локализирующих устройств для модулированного оборудования — 0,75;
*_К2_* — коэффициент эффективности локализирующих устройств для немодулированного оборудования:
для приточно-вытяжных локализирующих устройств — 0,75;
для завес — 0,45.
h2. Теплопоступление от солнечной радиации.
_Для остекленных поверхностей_
(Теплопоступление от солнечной радиации для остекленных поверхностей)
где: *_FO_* — площадь поверхности остекления, _м2_;
*_qO_* — величина солнечной радиации в _ккал/(м2 × ч)_ через 1 м2 поверхности остекления, зависящая от её ориентации по странам света;
*_1,16_* — переводной коэффициент из _ккал/ч_ в _Вт_.
*_Солнечная радиация qo через остекленные поверхности в_* _ккал / (м2 × ч)_ (при _Ао_ = 1)
*Примечание.* Для остекленных поверхностей, ориентированных на север _qO_ = 0 .
*_АО_* — коэффициент, зависящий от характеристики остекления.
*Значение коэффициента АО.*
где: *_FП_* — площадь поверхности покрытия, _м2_;
*_qП_* — величина солнечной радиации в _ккал / (м2 × ч)_ через 1 м2 поверхности покрытия.
*Величина солнечной радиации в* _ккал / (м2 × ч)_ *через* *_1 м2_* *поверхности покрытия*
*_КП_* — коэффициент теплопередачи покрытия должен быть не выше _0,8 ккал / (м2 × ˚С)_;
*_1,16_* — переводной коэффициент из _ккал / ч_ в _Вт_.
При подсчете теплопоступлений от солнечной радиации следует принимать большую из двух величин:
* теплопоступление через остекление, расположенное в одной стене помещения + теплопоступление через покрытие;
* теплопоступление через остекления, расположенное с двух взаимно перпендикулярных стенах помещения с коэффициентом 0,7 + теплопоступление через покрытие.
h2. Теплопоступление от электропотребляющего оборудования.
(бытовые электрические приборы: электронагреватели, электроутюги, сушилки и т.п.).
(Теплопоступление от электропотребляющего оборудования)!
где: *_NЭ_* — электрическая мощность прибора, _Вт_;
*_ηЭ_* — коэффициент, учитывающий долю тепла, поступающего в помещение.
Если прибор находится в помещении без укрытия
при устройстве специальных укрытий с отсосом от них воздуха
h2. Теплопоступления от нагретых поверхностей оборудования.
(Теплопоступления от нагретых поверхностей оборудования)
где: *_αО_* — коэффициент теплоотдачи, _Вт / (м2 × ˚С)_
p=. *_αО = 5,7 + 4,5 V_*
где: *_V_* — скорость движения воздуха около нагретой поверхности, _м/с_ — ориентировочно можно принять нормируемую подвижность воздуха;
*_F_* — площадь нагретой поверхности , _м2_;
*_tП_* — температура нагретой поверхности, ˚С;
*_tВ_* — температура воздуха в помещении, ˚С.
h2. Тепловыделения от горячей пищи.
(Тепловыделения от горячей пищи)
где: *_qП_* — средняя масса всех блюд, приходящихся на одного посетителя, _кг_, принимаем
*_СП_* — условная теплоемкость блюд, входящих в состав обеда, _кДж / (кг × ºС)_, принимаем
*_tН.П._* — начальная температура пищи,
*_tК.П._* — конечная температура пищи,
*_ZП_* — продолжительность приема пищи одним посетителем
для ресторанов ZП = 1 ч
для столовых ZП = 0,5 ÷ 0,75 ч
для столовых самообслуживания ZП = 0,3 ч
*_п_* — число посетителей в обеденном зале;
*_3,6_* — переводной коэффициент из _кДж/ч, Вт_.
h2. Тепловыделения от компьютеров.
В среднем принимаем тепловыделение на 1 компьютер в полной комплектации _300 Вт_.
При этом необходимо учитывать коэффициент одновременности работы компьютеров
h2. Теплопоступления от нагретых поверхностей, не имеющих тепловой изоляции металлических стенок.
К таким поверхностям относят стенки баков, ванн с водой и иными нагретыми жидкостями и т.п. Обычно предполагают, что температура внешней поверхности стенки близка температуре жидкости, находящейся в ней. Температура жидкости обычно бывает задана технологической частью проекта.
Количество теплоты, поступающей с 1м2 нагретой поверхности, имеющей температуру *_tпов._*, в помещение с температурой воздуха *_tв_*, определяется как сумма потоков лучистого и конвективного тепла:
p=. *_Qпов.(без тепловой изоляции) = αпов (tпов – tв), Вт/м2_*
где: *_αпов_* — коэффициент полного теплообмена между нагретой стенкой и помещением, _Вт / (м2 × ºС)_.
Для натурных расчётов эту величину вычисляют по формуле:
(Для натурных расчётов)
где: *_εпрC0_* — коэффициент приведённого излучения.
Для ржавых или окисленных стальных и окрашенных поверхностей коэффициентприведённого излучения может быть принят равным _4,7_.
СО — степень черноты абсолютно чёрного тела, равная _5,78 Вт/(м2 × К)_.
*_В_* — температурный коэффициент равен:
p=. *_B = 0,81 + 0,005(tпов + tв), ºС._*
*_А_* — эмпирический коэффициент для вертикальных поверхностей, принимаемый по нижеприведённой таблице.
Для нагретых горизонтальных поверхностей, обращённых вверх, коэффициент _А_ увеличивают на _30%_, обращённых вниз – уменьшают на _30%_ против значений, приведённых в таблице.
Коэффициент полного теплообмена между нагретой стенкой и помещением может быть также определён по графику. На графике показана зависимость коэффициентов полного *_αпов._*, лучистого *_<αл_* и конвективного *_αк_* теплообмена от температуры для вертикальной (1) и горизонтальной, обращённой вверх (2), поверхностей.
(Теплопоступления от нагретых поверхностей, не имеющих тепловой изоляции металлических стенок)
h2. Теплопоступления от электрических печей.
Эти теплопоступления рассчитывают как долю от установочной электрической мощности *_Nуст._*, указываемой в каталоге (иногда эту величину называют «мощность холостого хода»).
Максимальные теплопоступления имеют место от прогретой, находящейся в режиме стационарной теплопередачи, печи. В этот период электрическая мощность будет расходоваться на восполнение тепловых потерь печи и, именно её назвали мощностью холостого хода.
Для определения тепловыделений в помещение от электрических печей существует несколько способов:
* по мощности холостого хода *_Nxx, кВт_*
p=. *_Qэлектрических печей = 1000 Nx.x., Вт;_*
* по доле *_П%_* от номинальной электрической мощности печи, расходуемой на тепловые потери печью:
p=. *_Qэлектрических печей = 1000 (П/100)Nуст, Вт._*
Если указанные величины неизвестны, ориентировочно теплопоступления можно определить по назначению печи.
Далее в таблице указаны значения величин тепловыделений в _Вт_ на _1 кВт_ установочной мощности для печей различного назначения.
Теплопоступления определяют как:
p=. *_Qэлектрических печей = α × Nуст, кВт_*
где: *_Nуст_* – установочная электрическая мощность печи, _кВт._
h2. Тепловыделения от силовых трансформаторов.
Вентиляция трансформаторных помещений осуществляется по расчёту в зависимости от тепловых выделений силовых трансформаторов.
Теплопоступления от силовых трансформаторов можно определить как:
p=. *_Qтр. = 1000 (1 — ζ ) Nуст × Кзагр × Кисп, Вт_*
где: *_ζ_* — коэффициент полезного действия в долях единицы (принимается по каталогу);
*_Nуст_* — установочная мощность трансформатора, в _кВт_ (принимается по каталогу);
*_Кзагр_* — коэффициент загрузки в долях единицы (по заданию электриков) принимается в пределах _0,5 ÷ 0,8_;
*_Кисп_* — коэффициент использования мощности в долях единицы, обычно в пределах _0,7 ÷ 0,9_.
h2. Теплопоступления от сварочных трансформаторов.
Сварочные трансформаторы могут размещаться в помещении, где производятся сварочные работы и вне этого помещения. Вся электрическая мощность, подводимая к трансформаторам, превращается в теплоту.
Если сварочные работы проводятся в том же помещении, где установлены трансформаторы, тепловыделения от них составят:
где: *_∑Nуст_* — суммарная установленная мощность трансформаторов, в _кВт_ — принимается по паспорту);
*_Кодн_* — коэффициент одновремённости принимается в пределах _0,5 ÷ 1_ — при нескольких единицах установленного оборудования часть из них может не работать;
*_Кзагр_* — коэффициент загрузки в долях единицы принимается в пределах _0,5 ÷ 0,8_ или по заданию электриков-технологов;
*_Кисп_* — коэффициент использования мощности в долях единицы, принимается в пределах _0,7 ÷ 0,9_;
*_Кт_* — коэффициент, учитывающий количество теплоты, поступившей в воздух помещения от обработанных деталей, находящихся в помещении ограниченное время.
Этот коэффициент можно определить, если рассчитать теплопоступления от остывающих материалов.
*_С_* — удельная теплоёмкость материала остывающего изделия, _кДж/(кг × ºС)_;
*_G_* — масса остывающего изделия, _кг_;
*_tмат._* — начальная температура материала изделия, _ºС_;
*_tв_* — начальная температура воздуха в помещении, _ºС_.
Если сварочные трансформаторы находятся вне помещения, где производятся сварочные работы, теплопоступления в помещение сварочных работ определяются по формуле:
где: *_ζ_* — коэффициент полезного действия трансформаторов в долях единицы – принимается по каталогу или паспорту трансформатора.
h2. Теплопоступления от мест газовой сварки, не оборудованных местными отсосами.
Эти тепловыделения могут быть определены, если известны следующие величины:
* секундный расход газа _U, нм3/сек_;
* теплотворная способность газа _Qнр, кДж/нм3_.
где: *_ζг_* — КПД сварочной газовой горелки принимается равным _0,9_.
Подробный расчет теплопоступлений и теплопотерь
В летний период теплопоступление через внешние конструкции (стены, потолок) как правило, положительно. Расчет усложняется тем, что температура воздуха сильно меняется в течение суток, а солнечное излучение дополнительно нагревает внешнюю поверхность
здания. Зимой тепло теряется через внешние конструкции. Колебания температуры в зимний период меньше, а нагрев поверхностей солнечным излучением незначителен.
Теплопоступление (или потеря тепла) за счет разности температур зависит не только от внешних условий, но и от температуры внутри помещения.
Расчет тепловых поступлений за счет теплопередачи выполняется согласно строительным нормативам СниП 11-3-79.
Расчет количества тепла
Количество тепла Qогр, переданное путем теплопередачи через ограждение (стену) площадью S, имеющее коэффициент теплопередачи k, вычисляется по формуле:
Qогр = S*k*(T – t)*Y
Здесь T – расчетная наружная температура, t – расчетная внутренняя температура, а Y – поправочный коэффициент, значение которого выбирается согласно СНиП 2.04.05-91.
Расчетные наружные температуры зависят от региона и приведены в ТАБЛИЦЕ, а внутренние температуры выбираются с учетом комфортности или технологических требований, в зависимости от назначения помещения.
Эта формула упрощена и не учитывает ряда факторов. Чтобы учесть направление относительно сторон света, солнечную радиацию, нагревающую стены и т.д., нужно вводить в данную формулу поправки. Они являются составными частями коэффициента Y.
От чего зависит поглощение солнечного излучения?
Поглощение солнечного излучения ограждением зависит от следующих факторов:
Теплопоступления от солнечного излучения через остекленные проемы
Теплота солнечного излучения может значительно увеличивать теплопоступление в здание (например, в магазине с витринами). В помещение передается до 90% солнечного тепла, и лишь небольшая часть отражается стеклами. Наиболее интенсивно тепло излучения
поступает летом, в ясную погоду.
Теплопоступление излучения учитывается в тепловом балансе здания только для летнего и переходного времени, когда наружная температура превышает +10 градусов.
Что влияет на поступление тепла излучения?
Поступление тепла солнечного излучения зависит от следующих факторов:
За расчетную величину теплопоступлений от излучения принимается большая из двух величин:
Как уменьшить поступление тепла от солнечного света?
Если нужно уменьшить теплопоступления от солнечной радиации, рекомендуется принимать следующие меры:
При использовании комплексной защиты от солнца теплопоступления от излучения можно сократить практически вдвое, и мощность требуемой холодильной установки уменьшится на 10-15%.
Теплопоступления от инфильтрации воздуха
Под действием ветра разницы температур воздух может проникать в помещение через неплотности стен, окон, дверей и т.п. Это явление называют инфильтрацией.
Особенно сильна инфильтрация через окна и двери, расположенные с подветренной стороны. Масса воздуха, который инфильтруется через щель, вычисляется по формуле:
М = сумма (a*m*l)
Здесь a – коэффициент, который зависит от типа щелей, m – удельная масса воздуха, проникающего через 1 погонный метр щели, зависит от скорости ветра, l – длина щели.
Воздух, поступивший за счет инфильтрации в холодное время года, требует подогрева. Расход тепла составит
Q = M*c*(t-T)
Здесь с- теплоемкость воздуха, t – внутренняя расчетная температура, T – температура внешнего воздуха.
Если требуется лишь приблизительный подсчет расхода тепла на подогрев инфильтрованного воздуха, можно просто ввести поправку на теплопотери через инфильтрацию в размере 10-20% общей потери тепла.
В летний период наружный воздух может иметь температуру выше, чем в помещении, и тепловая нагрузка от инфильтрации будет положительна, то есть потребуется увеличить мощность охлаждения. Однако летом влияние инфильтрации воздуха меньше, потому что обычно меньше
скорость ветра и разность внешней и внутренней температур.
Кроме того, вместе с воздухом в помещение поступает и дополнительная влага. Поэтому желательно герметизировать все ограждения. Если притворы окон и дверные проемы уплотнены, то инфильтрацию воздуха можно вообще не учитывать при составлении теплового баланса
помещения.
Теплопоступления от людей
Количество тепла, выделяемое людьми в помещении, всегда положительно. Оно зависит от числа людей, находящихся в помещении, выполняемой ими работы и параметров воздуха (температуры и влажности).
Кроме ощутимого (явного) тепла, которое организм человека передает окружающей среде путем конвекции и лучистой энергии, выделяется еще и скрытое тепло. Оно тратится на испарение влаги поверхностью кожи человека и легкими.
От рода занятий человека и параметров воздуха зависит соотношение явной и скрытой выделяемой теплоты. Чем интенсивнее физическая нагрузка и выше температура воздуха, тем больше доля скрытого тепла, при температуре воздуха выше 37 градусов все
тепло, выработанное организмом, выделяется путем испарения.
При расчете тепловыделения от людей нужно принять во внимание, что в помещении не всегда будет находиться максимальное число людей. Среднее число людей, которые обычно будут находиться в помещении, определяют на основании опыта (например, число
посетителей в магазине), или с помощью установленных коэффициентов (например, в учреждениях – 0.95 от общего числа сотрудников).
Таблица тепловыделения от людей в зависимости от температуры среды и физической нагрузки
Замечание: приведены средние данные для взрослых мужчин. Считается, что женщины выделяют 85%, а дети – 75% теплоты и влаги, выделяемых мужчинами.
Теплопоступления от искусственного освещения
В помещениях сейчас используются два типа осветительных приборов: лампы накаливания и люминесцентные лампы. Количество тепла, поступившее от освещения, зависит от типа ламп, их мощности и способа их крепления в помещении.
Расчет теплоты от искусственного освещения
Теплопоступление от ламп рассчитывается по формуле:
Q = n*N
Здесь n – коэффициент перехода электроэнергии в тепловую. Он составляет около 0.95 для ламп накаливания и примерно 0.5 для люминесцентных ламп. N – мощность ламп. Если она заранее не известна, можно оценить ее из расчета 50 – 100 Вт/кв.м. для
хорошо освещенных помещений.
При большом количестве ламп и постоянной их работе тепловая нагрузка от искусственного освещения может быть весьма велика. Если же известно, что не будут использоваться все светильники одновременно, нужно воспользоваться коэффициентом одновременности
работы освещения, указывающим, какая часть мощности освещения в среднем будет задействована.
Зависимость тепловыделения от расположения ламп
Количество теплоты, выделяемое осветительными приборами, зависит и от их расположения в помещении. Например, если светильник закреплен в чердачном перекрытии, то лишь часть выделенного им тепла попадет внутрь помещения.
Если лампы встроены в подвесной невентилируемый потолок, то часть тепла сразу попадет в помещение, а остальное тепло задержится в подвесном потолке. Но поскольку потолок невентилируемый, то впоследствии и эта часть тепла выделится в
помещение. Таким образом, в помещение попадут все 100% выделенного светильником тепла.
Если лампы встроены в подвесной вентилируемый потолок, который используют как вытяжной короб, то около 40% тепла сразу попадет в помещение. Часть остального тепла (примерно половина) унесется с вытяжным воздухом, а остаток попадет в
помещение. Таким образом, в сумме помещение получит 60-70% выделенного светильником тепла.
Теплопоступления от оборудования и материалов
Количество теплоты, которая поступает в помещение от нагретого технологического оборудования и материалов, рассчитывают по технологической части проекта или определяют в соответствии с ведомственными указаниями.
Если температуры нагретых поверхностей известны, для расчета теплопоступлений можно использовать обычные формулы теории теплопередачи.
Нужно учесть поступление (или удаление) теплоты поверхностей воздуховодов, местных отсосов и т.д.
Передача тепла через стенки воздуховодов
Q = K*S*(tср – t),
где K – коэффициент теплопередачи конструкции, S – площадь нагретой поверхности, tср – температура нагретой среды (например, воздуха в воздуховоде), t – температура воздуха в помещении.
Теплоотдача от нагретых поверхностей
Q = a*S*(tпов – t),
где а – коэффициент теплоотдачи от поверхности к воздуху, S – площадь нагретой поверхности, tпов – температура нагретой поверхности, t – температура воздуха в помещении.
Например, для поверхности нагретой воды коэффициент теплопередачи а = (4.9 + 3.5v)*4.2 кДж/(час*кв.м.*градус). Здесь v – скорость движения воздуха у поверхности воды.
Статья предоставлена компанией Инрост