Теплоотдача материалов таблица: Страница не найдена — Remoo.RU

Теплопроводность опилок по таблице. Теплопроводность основных строительных материалов. Сравнительная характеристика теплопроводности строительных материалов

Прочный и теплый дом – это основное требование, которое предъявляется проектировщикам и строителям. Поэтому еще на стадии проектирования зданий в конструкцию закладываются две разновидности стройматериалов: конструкционные и теплоизоляционные. Первые обладают повышенной прочностью, но большой теплопроводностью, и именно их чаще всего и используют для возведения стен, перекрытий, оснований и фундаментов. Вторые – это материалы с низкой теплопроводностью. Их основное назначение – закрыть собой конструкционные материалы, чтобы понизить их показатель тепловой проводимости. Поэтому для облегчения расчетов и выбора используется таблица теплопроводности строительных материалов.

Читайте в статье:

Что такое теплопроводность

Законы физики определяют один постулат, который гласит, что тепловая энергия стремится от среды с высокой температурой к среде с низкой температурой.

При этом, проходя через строительный материал, тепловая энергия затрачивает какое-то время. Переход не состоится лишь в том случае, если температура на разных сторонах от стройматериала одинаковая.

То есть, получается так, что процесс перехода тепловой энергии, к примеру, через стену, это время проникновения тепла. И чем больше времени на это затрачивается, тем ниже теплопроводность стены. Вот такое соотношение. К примеру, теплопроводность различных материалов:

  • бетон –1,51 Вт/м×К;
  • кирпич – 0,56;
  • древесина – 0,09-0,1;
  • песок – 0,35;
  • керамзит – 0,1;
  • сталь – 58.

Чтобы было понятно, о чем идет речь, надо обозначить, что бетонная конструкции не будет ни под каким предлогом пропускать через себя тепловую энергию, если ее толщина будет в пределах 6 м. Понятно, что это просто невозможно в домостроении. А значит, придется для снижения теплопроводности использовать другие материалы, у которых показатель ниже. И ими облицовывать бетонное сооружение.


Что такое коэффициент теплопроводности

Коэффициент теплоотдачи или теплопроводности материалов, который также обозначен в таблицах, это характеристика тепловой проводимости. Он обозначает количество тепловой энергии, проходящий через толщу стройматериала за определенный промежуток времени.

В принципе, коэффициент обозначает именно количественный показатель. И чем он меньше, тем теплопроводность материала лучше. Из сравнения выше видно, что стальные профили и конструкции обладают самым высоким коэффициентом. А значит, они практически не держат тепло. Из строительных материалов,сдерживающих тепло, которые используются для сооружения несущих конструкций, это древесина.

Но надо обозначить и другой момент. К примеру, все та же сталь. Этот прочный материал используют для отведения тепла, где есть необходимость сделать быстрый перенос. К примеру, радиаторы отопления. То есть, высокий показатель теплопроводности – это не всегда плохо.


Что влияет на теплопроводность строительных материалов

Есть несколько параметров, которые сильно влияют на тепловую проводимость.

  1. Структура самого материала.
  2. Его плотность и влажность.

Что касается структуры, то здесь огромное разнообразие: однородная плотная, волокнистая, пористая, конгломератная (бетон), рыхлозернистая и прочее. Так вот надо обозначить, что чем неоднороднее структура у материала, тем ниже у него теплопроводность. Все дело в том, что проходить сквозь вещество, в котором большой объем занимают поры разного размера, тем сложнее энергии через нее перемещаться. А ведь в данном случае тепловая энергия – это излучение. То есть, оно не проходит равномерно, а начинает изменять направления, теряя силу внутри материала.


Теперь о плотности. Этот параметр обозначает, на каком расстоянии между собой располагаются частички материала внутри его самого. Исходя из предыдущей позиции, можно сделать вывод: чем меньше это расстояние, а значит, больше плотность, тем тепловая проводимость выше. И наоборот. Тот же пористый материал имеет плотность меньше, чем однородный.


Влажность – это вода, которая имеет плотную структуру. И ее теплопроводность равна 0,6 Вт/м*К. Достаточно высокий показатель, сравнимый с коэффициентом теплопроводности кирпича. Поэтому когда она начинает проникать в структуру материала и заполнять собой поры, это увеличение тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности строительных материалов: как применяется на практике и таблица

Практические значение коэффициента – это правильно проведенный расчет толщины несущих конструкций с учетом используемых утеплителей. Необходимо отметить, что возводимое здание – это несколько ограждающих конструкций, через которые происходит утечка тепла. И у каждой их них свой процент теплопотерь.

  • через стены уходит до 30% тепловой энергии общего расхода.
  • Через полы – 10%.
  • Через окна и двери – 20%.
  • Через крышу – 30%.

То есть, получается так, что если неправильно рассчитать теплопроводность всех ограждений, то проживающим в таком доме людям придется довольствоваться лишь 10% тепловой энергии, которое выделяет отопительная система. 90% – это, как говорят, выброшенные на ветер деньги.


Мнение эксперта

Инженер-проектировщик ОВиК (отопление, вентиляция и кондиционирование) ООО «АСП Северо-Запад»

Спросить у специалиста

“Идеальный дом должен быть построен из теплоизоляционных материалов, в котором все 100% тепла будут оставаться внутри. Но по таблице теплопроводности материалов и утеплителей вы не найдете тот идеальный стройматериал, из которого можно было бы возвести такое сооружение. Потому что пористая структура – это низкие несущие способности конструкции. Исключением может быть древесина, но и она не идеал.”


Поэтому при строительстве домов стараются использовать разные строительные материалы, дополняющие друг друга по теплопроводности. При этом очень важно соотносить толщину каждого элемента в общей строительной конструкции. В этом плане идеальным домом можно считать каркасный. У него деревянная основа, уже можно говорить о теплом доме, и утеплители, которые закладываются между элементами каркасной постройки.

Конечно, с учетом средней температуры региона придется точно рассчитать толщину стен и других ограждающих элементов. Но, как показывает практика, вносимые изменения не столь значительны, чтобы можно было бы говорить о больших капитальных вложениях.


Рассмотрим несколько часто используемых строительных материалов и проведем сравнение их теплопроводность по толщине.

Теплопроводность кирпича: таблица по разновидностям

Фото Вид кирпича Теплопроводность, Вт/м*К
Керамический полнотелый 0,5-0,8
Керамический щелевой 0,34-0,43
Поризованный 0,22
Силикатный полнотелый 0,7-0,8
Силикатный щелевой 0,4
Клинкерный 0,8-0,9

Теплопроводность дерева: таблица по породам

Коэффициент теплопроводности пробкового дерева самый низкий из всех пород древесины. Именно пробка часто используется в качестве теплоизоляционного материала при проведении утеплительных мероприятий.


Теплопроводность металлов: таблица

Данный показатель у металлов изменяется с изменением температуры, в которой они применяются. И здесь соотношение такое – чем выше температура, тем ниже коэффициент. В таблице покажем металлы, которые используются в строительной сфере.

Теперь, что касается соотношения с температурой.

  • У алюминия при температуре -100°С теплопроводность составляет 245 Вт/м*К. А при температуре 0°С – 238. При +100°С – 230, при +700°С – 0,9.
  • У меди: при -100°С –405, при 0°С – 385, при +100°С – 380, а при +700°С – 350.

Таблица теплопроводности других материалов

В основном нас будет интересовать таблица теплопроводности изоляционных материалов. Необходимо отметить, что если у металлов данный параметр зависит от температуры, то у утеплителей от их плотности. Поэтому в таблице будут расставлены показатели с учетом плотности материалом.

Теплоизоляционный материал Плотность, кг/м³ Теплопроводность, Вт/м*К
Минеральная вата (базальтовая) 50 0,048
100 0,056
200 0,07
Стекловата 155 0,041
200 0,044
Пенополистирол 40 0,038
100 0,041
150 0,05
Пенополистирол экструдированный 33 0,031
Пенополиуретан 32 0,023
40 0,029
60 0,035
80 0,041

И таблица теплоизоляционных свойств строительных материалов. Основные из них уже рассмотрены, обозначим те, которые в таблицы не вошли, и которые относятся к категории часто используемых.

Строительный материал Плотность, кг/м³ Теплопроводность, Вт/м*К
Бетон 2400 1,51
Железобетон 2500 1,69
Керамзитобетон 500 0,14
Керамзитобетон 1800 0,66
Пенобетон 300 0,08
Пеностекло 400 0,11

Коэффициент теплопроводности воздушной прослойки

Всем известно, что воздух, если его оставить внутри строительного материала или между слоями стройматериалов, это великолепный утеплитель. Почему так происходит, ведь сам воздух, как таковой, не может сдерживать тепло. Для этого надо рассмотреть саму воздушную прослойку, огражденную двумя слоями стройматериалов. Один из них соприкасается с зоной положительных температур, другой с зоной отрицательный.


Тепловая энергия движется от плюса к минусу, и встречает на своем пути слой воздуха. Что происходит внутри:

  1. Конвекция теплого воздуха внутри прослойки.
  2. Тепловое излучение от материала с плюсовой температурой.

Поэтому сам тепловой поток – это сумма двух факторов с добавлением теплопроводности первого материала. Необходимо сразу отметить, что излучение занимает большую часть теплового потока. Сегодня все расчеты теплосопротивления стен и других несущих ограждающих конструкций проводят на онлайн-калькуляторах. Что касается воздушной прослойки, то такие расчеты провести сложно, поэтому берутся значения, которые в 50-х годах прошлого столетия были получены лабораторными исследованиями.


В них четко оговаривается, что если разница температур стен, ограниченных воздухом, составляет 5°С, то излучение возрастает с 60% до 80%, если увеличить толщину прослойки с 10 до 200 мм. То есть, общий объем теплового потока остается тот же, излучение вырастает, а значит, теплопроводность стены падает. И разница значительная: с 38% до 2%. Правда, возрастает конвекция с 2% до 28%. Но так как пространство замкнутое, то движение воздуха внутри него никак не действует на внешние факторы.

Расчет толщины стены по теплопроводности вручную по формулам или калькулятором

Рассчитать толщину стены не так просто. Для этого нужно сложить все коэффициенты теплопроводности материалов, которые были использованы для сооружения стены. К примеру, кирпич, штукатурный раствор снаружи, плюс наружная облицовка, если такая будет использоваться. Внутренние выравнивающие материалы, это может быть все та же штукатурка или гипсокартонные листы, другие плитные или панельные покрытия. Если есть воздушная прослойка, то учитывают и ее.


Есть так называемая удельная теплопроводность по регионам, которую берут за основу. Так вот расчетная величина не должна быть больше удельной. В таблице ниже по городам дана удельная тепловая проводимость.

То есть, чем южнее, тем общая теплопроводность материалов должна быть меньше. Соответственно, можно уменьшать и толщину стены. Что касается онлайн-калькулятора, то предлагаем ниже посмотреть видео, на котором разбирается, как правильно пользоваться таким расчетным сервисом.

Если у вас возникли вопросы, на которые, как вам показалось, вы не нашли ответы в этой статье, пишите их в комментариях. Наша редакция постарается на них ответить.

Из чего построить дом? Его стены должны обеспечить здоровый микроклимат без лишней влаги, плесени, холода. Это зависит от их физических свойств: плотности, водостойкости, пористости. Самым главным является теплопроводность строительных материалов, означающая их свойство пропускать сквозь себя тепловую энергию при разнице температур. Для того, чтобы количественно оценить этот параметр, используют коэффициент теплопроводности.

Для того, чтобы кирпичный дом был таким же теплым, как и деревянный сруб (из сосны), толщина его стен должна втрое превышать толщину стен сруба.

Что такое коэффициент теплопроводности

Эта физическая величина равна количеству теплоты (измеряемой в килокалориях), проходящей через материал толщиной 1 м за 1 час. При этом разница температур на противоположных сторонах его поверхности должна быть равной 1 °С. Исчисляется теплопроводность в Вт/м град (Ватт, деленный на произведение метра и градуса).

Использование данной характеристики продиктовано необходимостью грамотного подбора типа фасада для создания максимальной теплоизоляции. Это необходимое условие для комфорта живущих или работающих в здании людей. Также теплопроводность строительных материалов учитывается при выборе дополнительного утепления дома. В данном случае ее расчет особенно важен, так как ошибки приводят к неправильному смещению точки росы и, как следствие — стены мокнут, в доме сыро и холодно.

Сравнительная характеристика теплопроводности строительных материалов

Коэффициент теплопроводности материалов различный. К примеру, у сосны этот показатель равен 0,17 Вт/м град, у пенобетона – 0,18 Вт/м град: то есть, по способности сохранять тепло они примерно идентичны. Коэффициент теплопроводности кирпича – 0,55 Вт/м град, а обыкновенного (полнотелого) – 0,8 Вт/м град. Из всего этого следует, что для того, чтобы кирпичный дом был таким же теплым, как и деревянный сруб (из сосны), толщина его стен должна втрое превышать толщину стен сруба.

Практическое использование материалов с низкой теплопроводностью

Современные технологии производства теплоизолирующих материалов предоставляют широкие возможности для строительной индустрии. Сегодня совершенно не обязательно строить дома с большой толщиной стен: можно удачно комбинировать различные материалы для возведения энергоэффективных построек. Не очень высокую теплопроводность кирпича можно компенсировать использованием дополнительного внутреннего или наружного утеплителя, например, пенополистирола, коэффициент теплопроводности которого – всего 0,03 Вт/м град.

Взамен дорогих домов из кирпича и не эффективных с точки зрения энергосбережения монолитных и каркасно-панельных домов из тяжелого и плотного бетона сегодня строят здания из ячеистого бетона. Его параметры такие же, как у древесины: в доме из данного материала стены не промерзают даже в самые холодные зимы.

Потери тепла дома в процентном соотношении.

Такая технология позволяет возводить более дешевые здания. Это связано с тем, что низкий коэффициент теплопроводности строительных материалов упростил возведение минимальными затратами по финансированию. Уменьшается также и время, затрачиваемое на строительные работы. Для более легких сооружений не требуется устраивать тяжелый глубоко заглубленный фундамент: в ряде случаев достаточно легкого ленточного или столбчатого.

Особенно привлекательным данный принцип строительства стал для возведения легких каркасных домов. Сегодня с использованием материалов низкой теплопроводности возводится все больше коттеджей, супермаркетов, складских помещений и производственных зданий. Такие строения могут эксплуатироваться в любой климатической зоне.

Принцип каркасно-щитовой технологии строительства заключается в том, что между тонкими листами фанеры или плит OSB помещается теплоизолятор. Это может быть минеральная вата либо пенополистирол. Толщина материала выбирается с учетом его теплопроводности. Тонкие стены вполне справляются с задачей тепловой изоляции. Таким же образом устраивается кровля. Данная технология позволяет в короткие сроки возводить здание с минимальными финансовыми затратами.

Сравнение параметров популярных материалов для изоляции и возведения домов

Пенополистирол и минеральная вата заняли лидирующие позиции при утеплении фасадов. Мнения специалистов разделились: одни утверждают, что вата накапливает конденсат и пригодна к эксплуатации лишь при одновременном использовании с паронепроницаемой мембраной. Но тогда стены теряют дышащие свойства, и качественное применение оказывается под вопросом. Другие уверяют, что создание вентилируемых фасадов решает данную проблему. При этом пенополистирол имеет низкую проводимость тепла и хорошо дышит. У него она пропорционально зависит от плотности листов: 40/100/150 кг/м3 = 0,03/0,04/0,05 Вт/м*ºC.

Еще одна важная характеристика, которую обязательно учитывают при строительстве — паропроницаемость. Она означает возможность стен пропускать изнутри влажность. При этом не происходят потери комнатной температуры и нет необходимости проветривать помещение. Низкая теплопроводность и высокая паропроницаемость стен обеспечивают идеальный для проживания человека микроклимат в доме.

Исходя из этих условий, можно определить самые эффективные дома для проживания человека. Наиболее низкой проводимостью тепла обладает пенобетон (0,08 Вт
м*ºC) при плотности 300 кг/м3. Этот строительный материал имеет также одну из самых высоких степеней паропроницаемости (0,26 Мг/м*ч*Па). Второе место по праву занимает древесина, в частности — сосна, ель, дуб. Их теплопроводность достаточно низкая (0,09 Вт/м*ºC) при условии обработки дерева поперек волокон. А паропроницаемость этих сортов наиболее высокая (0,32 Мг/м*ч*Па). Для сравнения: использование сосны, обработанной вдоль волокон, повышает выпуск тепла до 0,17-0,23 Вт/м*ºC.

Таким образом, для возведения стен подходят лучше всего пенобетон и древесина, так как они обладают лучшими параметрами по обеспечению экологической чистоты и хорошего микроклимата внутри помещений. Для изоляции фасада подходят пенополиуретан, пенополистирол, минеральная вата. Отдельно следует сказать о пакле. Ее закладывают для исключения мостиков холода во время кладки сруба. Она увеличивает и без того отличные свойства деревянного фасада: коэффициент проводимости тепла у пакли самый низкий (0,05 Вт/м*ºC), а паропроницаемость самая высокая (0,49 Мг/м*ч*Па).

Строительство каждого объекта лучше начинать с планировки проекта и тщательного расчета теплотехнических параметров. Точные данные позволит получить таблица теплопроводности строительных материалов. Правильное возведение зданий способствует оптимальным климатическим параметрам в помещении. А таблица поможет правильно подобрать сырье, которое будут использоваться для строительства.

Теплопроводность материалов влияет на толщину стен

Теплопроводность является показателем передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов в помещении к предметам с более низкой температурой. Процесс теплообмена производится, пока температурные показатели не уравняются. Для обозначения тепловой энергии используется специальный коэффициент теплопроводности строительных материалов. Таблица поможет увидеть все требуемые значения. Параметр обозначает, сколько тепловой энергии пропускается через единицу площади в единицу времени. Чем больше данное обозначение, тем качественнее будет теплообмен. При возведении зданий необходимо применять материал с минимальным значением тепловой проводимости.

Коэффициент теплопроводности это такая величина, которая равна количеству теплоты, проходящей через метр толщины материала за час. Использование подобной характеристики обязательно для создания лучшей теплоизоляции. Теплопроводность следует учесть при подборе дополнительных утепляющих конструкций.

Что оказывает влияние на показатель теплопроводности?

Теплопроводность определяется такими факторами:

  • пористость определяет неоднородность структуры. При пропуске тепла через такие материалы процесс охлаждения незначительный;
  • повышенное значение плотности влияет на тесные соприкосновения частиц, что способствует более быстрому теплообмену;
  • повышенная влажность увеличивает данный показатель.

Использование значений коэффициента теплопроводности на практике

Материалы представлены конструкционными и теплоизоляционными разновидностями. Первый вид обладает большими показателями теплопроводности. Они применяются для строительства перекрытий, ограждений и стен.

При помощи таблицы определяются возможности их теплообмена. Чтобы данный показатель был достаточно низким для нормального микроклимата в помещении стены из некоторых материалов должны быть особенно толстыми. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать дополнительные теплоизолирующие компоненты.

Показатели теплопроводности для готовых построек. Виды утеплений

При создании проекта нужно учитывать все способы утечки тепла. Оно может выходить через стены и крышу, а также через полы и двери. Если вы неправильно проведете расчеты проектирования, то придется довольствоваться только тепловой энергией, полученной от отопительных приборов. Здания, построенные из стандартного сырья: камня, кирпича либо бетона нужно дополнительно утеплять.

Дополнительная теплоизоляция проводится в каркасных зданиях. При этом деревянный каркас придает жесткости конструкции, а утепляющий материал прокладывается в пространство между стойками. В зданиях из кирпича и шлакоблоков утепление производится снаружи конструкции.

Выбирая утеплители необходимо обращать внимание на такие факторы, как уровень влажности, влияние повышенных температур и типа сооружения. Учитывайте определенные параметры утепляющих конструкций:

  • показатель теплопроводности оказывает влияние на качество теплоизолирующего процесса;
  • влагопоглощение имеет большое значение при утеплении наружных элементов;
  • толщина влияет на надежность утепления. Тонкий утеплитель помогает сохранить полезную площадь помещения;
  • важна горючесть. Качественное сырье имеет способность к самозатуханию;
  • термоустойчивость отображает способность выдерживать температурные перепады;
  • экологичность и безопасность;
  • звукоизоляция защищает от шума.

В качестве утеплителей применяются следующие виды:

  • пенопласт – это легкий материал с хорошими утеплительными свойствами. Он легко устанавливается и обладает влагоустойчивостью. Рекомендуется для применения в нежилых строениях;
  • базальтовая вата в отличие от минеральной отличается лучшими показателями стойкости к влаге;
  • пеноплэкс устойчив к влажности, повышенным температурам и огню. Имеет прекрасные показатели теплопроводности, прост в монтаже и долговечен;
  • пенополиуретан известен такими качествами, как негорючесть, хорошие водоотталкивающие свойства и высокая пожаростойкость;
  • экструдированный пенополистирол при производстве проходит дополнительную обработку. Обладает равномерной структурой;
  • пенофол представляет из себя многослойный утепляющий пласт. В составе присутствует вспененный полиэтилен. Поверхность пластины покрывается фольгой для обеспечения отражения.

Для теплоизоляции могут применяться сыпучие типы сырья. Это бумажные гранулы или перлит. Они имеют стойкость к влаге и к огню. А из органических разновидностей можно рассмотреть волокно из древесины, лен или пробковое покрытие. При выборе, особое внимание уделяйте таким показателям как экологичность и пожаробезопасность.

Обратите внимание! При конструировании теплоизоляции, важно продумать монтаж гидроизолирующей прослойки. Это позволит избежать высокой влажности и повысит сопротивляемость теплообмену.

Таблица теплопроводности строительных материалов: особенности показателей

Таблица теплопроводности строительных материалов содержит показатели различных видов сырья, которое применяется в строительстве. Используя данную информацию, вы можете легко посчитать толщину стен и количество утеплителя.

Как использовать таблицу теплопроводности материалов и утеплителей?

В таблице сопротивления теплопередаче материалов представлены наиболее популярные материалы. Выбирая определенный вариант теплоизоляции важно учитывать не только физические свойства, но и такие характеристики как долговечность, цена и легкость установки.

Знаете ли вы, что проще всего выполнять монтаж пенооизола и пенополиуретана. Они распределяются по поверхности в виде пены. Подобные материалы легко заполняют полости конструкций. При сравнении твердых и пенных вариантов, нужно выделить, что пена не образует стыков.

Значения коэффициентов теплопередачи материалов в таблице

При произведении вычислений следует знать коэффициент сопротивления теплопередаче. Данное значение является отношением температур с обеих сторон к количеству теплового потока. Для того чтобы найти теплосопротивление определенных стен и используется таблица теплопроводности.

Все расчеты вы можете провести сами. Для этого толщина прослойки теплоизолятора делится на коэффициент теплопроводности. Данное значение часто указывается на упаковке, если это изоляция. Материалы для дома измеряются самостоятельно. Это касается толщины, а коэффициенты можно отыскать в специальных таблицах.

Коэффициент сопротивления помогает выбрать определенный тип теплоизоляции и толщину слоя материала. Сведения о паропроницаемости и плотности можно посмотреть в таблице.

При правильном использовании табличных данных вы сможете выбрать качественный материал для создания благоприятного микроклимата в помещении.

Теплопроводность строительных материалов (видео)

Возможно Вам также будет интересно:

Как сделать отопление в частном доме из полипропиленовых труб своими руками Гидрострелка: назначение, принцип работы, расчеты Схема отопления с принудительной циркуляцией двухэтажного дома – решение проблемы с теплом

Таблица теплопроводности строительных материалов необходима при проектировании защиты здания от теплопотерь согласно нормативам СНиП от 2003 года под номером 23-02. Этими мероприятиями обеспечивается снижение эксплуатационного бюджета, поддержание круглогодичного комфортного микроклимата внутри помещений. Для удобства пользователей все данные сведены в таблицы, даны параметры для нормальной эксплуатации, условий повышенной влажности, так как, некоторые материалы при увеличении этого параметра резко снижают свойства.

Теплопроводность является одним из способов потерь тепла жилыми помещениями. Эта характеристика выражается количеством тепла, способным проникнуть сквозь единицу площади материала (1 м 2) за секунду при стандартной толщине слоя (1 м). Физики объясняют выравнивание температур различных тел, объектов путем теплопроводности природным стремлением к термодинамическому равновесию всех материальных веществ.

Таким образом, каждый индивидуальный застройщик, отапливая помещение в зимний период, получает потери тепловой энергии, уходящей из жилища сквозь наружные стены, полы, окна, кровлю. Чтобы сократить расход энергоносителя для обогрева помещений, сохранив внутри них комфортный для эксплуатации микроклимат, необходимо рассчитать толщину всех ограждающих конструкций на этапе проектирования. Это позволит сократить бюджет строительства.

Таблица теплопроводности строительных материалов позволяет использовать точные коэффициенты для стеновых конструкционных материалов. Нормативы СНиП регламентируют сопротивление фасадов коттеджа передаче тепла холодному воздуху улицы в пределах 3,2 единиц. Перемножив эти значения, можно получить необходимую толщину стены, чтобы определиться с количеством материала.

Например, при выборе ячеистого бетона с коэффициентом 0,12 единиц достаточно кладки в один блок длиной 0,4 м. используя более дешевые блоки из этого же материала с коэффициентом 0,16 единиц, потребуется сделать стену толще – 0,52 м. Коэффициент теплопроводности сосны, ели составляет 0,18 единиц. Поэтому, для соблюдения условия сопротивления теплопередаче 3,2, потребуется 57 см брус, которого не существует в природе. При выборе кирпичной кладки с коэффициентом 0,81 единица толщина наружных стен грозит увеличением до 2,6 м, железобетонных конструкций – до 6,5 м.

На практике стены изготавливают многослойными, закладывая внутрь слой утеплителя или обшивая теплоизолятором наружную поверхность. У этих материалов коэффициент теплопроводности гораздо ниже, что позволяет уменьшить толщину многократно. Конструкционный материал обеспечивает прочность здания, теплоизолятор снижает теплопотери до приемлемого уровня. Современные облицовочные материалы, используемые на фасадах, внутренних стенах, так же обладают сопротивлением теплопотерям. Поэтому, в расчетах учитываются все слои будущих стен.

Вышеуказанные расчеты будут неточными если не учесть наличие в каждой стене коттеджа светопрозрачных конструкций. Таблица теплопроводности строительных материалов в нормативах СНиП обеспечивает легкий доступ к коэффициентам теплопроводности данных материалов.

Пример расчета толщины стены по теплопроводности

При выборе типового или индивидуального проекта застройщик получает комплект документации, необходимый для возведения стен. Силовые конструкции в обязательном порядке просчитаны на прочность с учетом ветровых, снеговых, эксплуатационных, конструкционных нагрузок. Толщина стен учитывает характеристики материала каждого слоя, поэтому, теплопотери гарантированно будут ниже допустимых норм СНиП. В этом случае заказчик может предъявить претензии организации, занимавшейся проектированием, при отсутствии необходимого эффекта в процессе эксплуатации жилища.

Однако, при строительстве дачи, садового домика многие владельцы предпочитают экономить на приобретении проектной документации. В этом случае расчеты толщины стен можно произвести самостоятельно. Специалисты не рекомендуют пользоваться сервисами на сайтах компаний, реализующих конструкционные материалы, утеплители. Многие из них завышают в калькуляторах значения коэффициентов теплопроводности стандартных материалов для представления собственной продукции в выгодном свете. Подобнее ошибки в расчетах чреваты для застройщика снижением комфортности внутренних помещений в холодный период.

Самостоятельный расчет не представляет сложностей, используется ограниченное количество формул, нормативных значений:

  • теплосопротивление стены – 3,5 либо больше этого числа (согласно СНиП), является суммой теплосопротивлений всех слоев, из которых состоит несущая стена
  • коэффициент теплопроводности строительных материалов – каждый производитель конструкционного материала, светопрозрачных конструкций, утеплителя указывает его в обязательном порядке, однако, лучше дополнительно свериться с таблицей в нормативах СНиП
  • теплосопротивление отдельного слоя стены – вычисляется путем умножения толщины слоя (м) на коэффициент теплопроводности материала

Например, чтобы привести толщину кирпичной стены в соответствие с нормативным теплосопротивлением, потребуется умножить коэффициент для этого материала, взятый из таблицы на нормативное теплосопротивление:

0,76 х 3,5 = 2,66 м

Подобная крепость излишне затратна для любого застройщика, поэтому, следует снизить толщину кладки до приемлемых 38 см, добавив утеплитель:

  • облицовка в полкирпича 12,5 см
  • внутренняя стена в кирпич 25 см

Теплосопротивление кирпичной кладки в этом случае составит 0,38/0,76 = 0,5 единиц. Вычитая из нормативного параметра полученный результат, получаем необходимое теплосопротивление слоя утеплителя:

3,5 – 0,5 = 3 единицы

При выборе базальтовой ваты с коэффициентом 0,039 единиц, получаем слой толщиной:

3 х 0,039 = 11,7 см

Отдав предпочтение экструдированному пенополистиролу с коэффициентом 0,037 единиц, снижаем слой утеплителя до:

3 х 0,037 = 11,1 см

На практике, можно выбрать 12 см для гарантированного запаса либо обойтись 10 см, учитывая наружные, внутренние облицовки стен, так же обладающие теплосопротивлением. Необходимый запас можно добрать без использования конструкционных материалов либо утеплителей, изменив конструкцию кладки. Замкнутые пространства воздушных прослоек внутри некоторых типов облегченных кладок так же обладают теплосопротивлением.

Их теплопроводность можно узнать из нижеприведенной таблицы, находящейся в СНиП.

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.

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.

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).

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.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
В сухом состоянии При нормальной влажности При повышенной влажности
Войлок шерстяной 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3 0,036 0,042 0,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3 0,035 0,041 0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3 0,036 0,042 0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3 0,037 0,043 0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3 0,038 0,045 0,048
Стекловата 15 кг/м3 0,046 0,049 0,055
Стекловата 17 кг/м3 0,044 0,047 0,053
Стекловата 20 кг/м3 0,04 0,043 0,048
Стекловата 30 кг/м3 0,04 0,042 0,046
Стекловата 35 кг/м3 0,039 0,041 0,046
Стекловата 45 кг/м3 0,039 0,041 0,045
Стекловата 60 кг/м3 0,038 0,040 0,045
Стекловата 75 кг/м3 0,04 0,042 0,047
Стекловата 85 кг/м3 0,044 0,046 0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС) 0,036-0,041 0,038-0,044 0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS) 0,029 0,030 0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3 0,11 0,14 0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3 0,13 0,22 0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3 0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3 0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3 0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3 0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3 0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3 0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3 0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3 0,073
Эковата 0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3 0,029 0,031 0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3 0,035 0,036 0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3 0,041 0,042 0,04
Пенополиэтилен сшитый 0,031-0,038
Вакуум 0
Воздух +27°C. 1 атм 0,026
Ксенон 0,0057
Аргон 0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels) 0,014-0,021
Шлаковата 0,05
Вермикулит 0,064-0,074
Вспененный каучук 0,033
Пробка листы 220 кг/м3 0,035
Пробка листы 260 кг/м3 0,05
Базальтовые маты, холсты 0,03-0,04
Пакля 0,05
Перлит, 200 кг/м3 0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3 0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3 0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3 0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3 0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3 0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3 0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3 0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50. 13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Название материала, плотность Коэффициент теплопроводности
в сухом состоянии при нормальной влажности при повышенной влажности
ЦПР (цементно-песчаный раствор) 0,58 0,76 0,93
Известково-песчаный раствор 0,47 0,7 0,81
Гипсовая штукатурка 0,25
Пенобетон, газобетон на цементе, 600 кг/м3 0,14 0,22 0,26
Пенобетон, газобетон на цементе, 800 кг/м3 0,21 0,33 0,37
Пенобетон, газобетон на цементе, 1000 кг/м3 0,29 0,38 0,43
Пенобетон, газобетон на извести, 600 кг/м3 0,15 0,28 0,34
Пенобетон, газобетон на извести, 800 кг/м3 0,23 0,39 0,45
Пенобетон, газобетон на извести, 1000 кг/м3 0,31 0,48 0,55
Оконное стекло 0,76
Арболит 0,07-0,17
Бетон с природным щебнем, 2400 кг/м3 1,51
Легкий бетон с природной пемзой, 500-1200 кг/м3 0,15-0,44
Бетон на гранулированных шлаках, 1200-1800 кг/м3 0,35-0,58
Бетон на котельном шлаке, 1400 кг/м3 0,56
Бетон на каменном щебне, 2200-2500 кг/м3 0,9-1,5
Бетон на топливном шлаке, 1000-1800 кг/м3 0,3-0,7
Керамическийй блок поризованный 0,2
Вермикулитобетон, 300-800 кг/м3 0,08-0,21
Керамзитобетон, 500 кг/м3 0,14
Керамзитобетон, 600 кг/м3 0,16
Керамзитобетон, 800 кг/м3 0,21
Керамзитобетон, 1000 кг/м3 0,27
Керамзитобетон, 1200 кг/м3 0,36
Керамзитобетон, 1400 кг/м3 0,47
Керамзитобетон, 1600 кг/м3 0,58
Керамзитобетон, 1800 кг/м3 0,66
ладка из керамического полнотелого кирпича на ЦПР 0,56 0,7 0,81
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) 0,35 0,47 0,52
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1300 кг/м3) 0,41 0,52 0,58
Кладка из пустотелого керамического кирпича на ЦПР, 1400 кг/м3) 0,47 0,58 0,64
Кладка из полнотелого силикатного кирпича на ЦПР, 1000 кг/м3) 0,7 0,76 0,87
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 11 пустот 0,64 0,7 0,81
Кладка из пустотелого силикатного кирпича на ЦПР, 14 пустот 0,52 0,64 0,76
Известняк 1400 кг/м3 0,49 0,56 0,58
Известняк 1+600 кг/м3 0,58 0,73 0,81
Известняк 1800 кг/м3 0,7 0,93 1,05
Известняк 2000 кг/м3 0,93 1,16 1,28
Песок строительный, 1600 кг/м3 0,35
Гранит 3,49
Мрамор 2,91
Керамзит, гравий, 250 кг/м3 0,1 0,11 0,12
Керамзит, гравий, 300 кг/м3 0,108 0,12 0,13
Керамзит, гравий, 350 кг/м3 0,115-0,12 0,125 0,14
Керамзит, гравий, 400 кг/м3 0,12 0,13 0,145
Керамзит, гравий, 450 кг/м3 0,13 0,14 0,155
Керамзит, гравий, 500 кг/м3 0,14 0,15 0,165
Керамзит, гравий, 600 кг/м3 0,14 0,17 0,19
Керамзит, гравий, 800 кг/м3 0,18
Гипсовые плиты, 1100 кг/м3 0,35 0,50 0,56
Гипсовые плиты, 1350 кг/м3 0,23 0,35 0,41
Глина, 1600-2900 кг/м3 0,7-0,9
Глина огнеупорная, 1800 кг/м3 1,4
Керамзит, 200-800 кг/м3 0,1-0,18
Керамзитобетон на кварцевом песке с поризацией, 800-1200 кг/м3 0,23-0,41
Керамзитобетон, 500-1800 кг/м3 0,16-0,66
Керамзитобетон на перлитовом песке, 800-1000 кг/м3 0,22-0,28
Кирпич клинкерный, 1800 — 2000 кг/м3 0,8-0,16
Кирпич облицовочный керамический, 1800 кг/м3 0,93
Бутовая кладка средней плотности, 2000 кг/м3 1,35
Листы гипсокартона, 800 кг/м3 0,15 0,19 0,21
Листы гипсокартона, 1050 кг/м3 0,15 0,34 0,36
Фанера клеенная 0,12 0,15 0,18
ДВП, ДСП, 200 кг/м3 0,06 0,07 0,08
ДВП, ДСП, 400 кг/м3 0,08 0,11 0,13
ДВП, ДСП, 600 кг/м3 0,11 0,13 0,16
ДВП, ДСП, 800 кг/м3 0,13 0,19 0,23
ДВП, ДСП, 1000 кг/м3 0,15 0,23 0,29
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1600 кг/м3 0,33
Линолеум ПВХ на теплоизолирующей основе, 1800 кг/м3 0,38
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1400 кг/м3 0,2 0,29 0,29
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1600 кг/м3 0,29 0,35 0,35
Линолеум ПВХ на тканевой основе, 1800 кг/м3 0,35
Листы асбоцементные плоские, 1600-1800 кг/м3 0,23-0,35
Ковровое покрытие, 630 кг/м3 0,2
Поликарбонат (листы), 1200 кг/м3 0,16
Полистиролбетон, 200-500 кг/м3 0,075-0,085
Ракушечник, 1000-1800 кг/м3 0,27-0,63
Стеклопластик, 1800 кг/м3 0,23
Черепица бетонная, 2100 кг/м3 1,1
Черепица керамическая, 1900 кг/м3 0,85
Черепица ПВХ, 2000 кг/м3 0,85
Известковая штукатурка, 1600 кг/м3 0,7
Штукатурка цементно-песчаная, 1800 кг/м3 1,2

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Наименование Коэффициент теплопроводности
В сухом состоянии При нормальной влажности При повышенной влажности
Сосна, ель поперек волокон 0,09 0,14 0,18
Сосна, ель вдоль волокон 0,18 0,29 0,35
Дуб вдоль волокон 0,23 0,35 0,41
Дуб поперек волокон 0,10 0,18 0,23
Пробковое дерево 0,035
Береза 0,15
Кедр 0,095
Каучук натуральный 0,18
Клен 0,19
Липа (15% влажности) 0,15
Лиственница 0,13
Опилки 0,07-0,093
Пакля 0,05
Паркет дубовый 0,42
Паркет штучный 0,23
Паркет щитовой 0,17
Пихта 0,1-0,26
Тополь 0,17

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Название Коэффициент теплопроводности Название Коэффициент теплопроводности
Бронза 22-105 Алюминий 202-236
Медь 282-390 Латунь 97-111
Серебро 429 Железо 92
Олово 67 Сталь 47
Золото 318

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 ограждающих
конструкций 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:

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.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.


Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Коэффициент теплоотдачи, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплоотдачи

Конвективный теплообмен — обмен теплотой между частями жидкости (газа), имеющими разную температуру или между жидкостью (газом) и твердым телом. Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом называют теплоотдачей.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквой . Коэффициент равен:

   

где — плотность теплового потока, — температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Иногда температурный напор находят, например, в случае обтекания тела потоком сжимаемой жидкостью, считают равным модулю разности температуры жидкости далеко от тела и температурой поверхности тела, которая была бы в отсутствии теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д. Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

Так, для условий свободной конвекции воздуха: (Вт/м2К), воды: (Вт/м2К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: (Вт/м2К), для воды: (Вт/м2К).

Формула Ньютона-Рихмана

Коэффициент теплоотдачи входит в выражение для потока тепла в веществе жидкой или газообразной среды с интенсивным изменением температуры при увеличении расстояния от охлаждаемого или нагреваемого объекта:

   

где — количество теплоты, которая отводится от поверхности, имеющую площадь S, — температура вещества (жидкости, газа), — температура поверхности тела. Выражение (2) называется формулой Ньютона — Рихмана.

Так как интенсивность теплообмена может изменяться при передвижении вдоль площади соприкосновения жидкого носителя с поверхностью твердого тела, вводят местный коэффициент теплоотдачи, который равен:

   

На практике чаще применяют средний коэффициент теплоотдачи , вычисляя его по формуле:

   

где температуры берут средние для поверхности и для вещества.

Дифференциальное уравнение теплоотдачи

Дифференциальное уравнение теплоотдачи показывает связь между коэффициентом теплоотдачи и полем температур среды (жидкости или газа):

   

где , — градиент температуры, индекс n=0 значит то, что градиент берут на стенке.

Критерий Нуссельта

Критерий Нуссельта () является характеристикой теплообмена на границе между жидкостью и стеной:

   

где — характерный линейный размер, — коэффициент теплопроводности жидкости. Для стационарного процесса критерий Нуссельта находят, используя критериальное уравнение конвективного теплообмена:

   

где постоянные. — критерий Рейнольдса, — критерий Прандтля, — критерий Грасгофа.

Коэффициент теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопередачи

Коэффициентом теплопередачи через плоскую стенку связан с коэффициентами теплоотдачи выражением:

   

где — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке, — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде, — толщина стенки, — коэффициент теплопроводности стенки.

Единицы измерения

Основной единицей измерения коэффициента теплоотдачи в системе СИ является:

=Вт/м2К

Примеры решения задач

Коэффициенты теплопроводности изоляции

1

Асбестовый матрац, заполненный совелитом

0,087+0,00012* tт

2

Асбестовый матрац, заполненный стекловолокном

0,058+0,00023* tт

3

Асботкань в несколько слоев

0,13+0,00026* tт

4

Асбестовый шнур

0,12+0,00031* tт

5

Асбестовый шнур (ШАОН)

0,13+0,00026* tт

6

Асбопухшнур (ШАП)

0,093+0,0002* tт

7

Асбовермикулитовые изделия марки 250

0,081+0,00023* tт

8

Асбовермикулитовые изделия марки 300

0,087+0,00023* tт

9

Битумоперлит

0,12+0,00023* tт

10

Битумокерамзит

0,13+0,00023* tт

11

Битумовермикулит

0,13+0,00023* tт

12

Вулканитовые плиты марки 300

0,074+0,00015* tт

13

Диатомовые изделия марки 500

0,116+0,00023* tт

14

Диатомовые изделия марки 600

0,14+0,00023* tт

15

Известково-кремнеземистые изделия марки 200

0,069+0,00015* tт

16

Маты минераловатные прошивные марки 100

0,045+0,0002* tт

17

Маты минераловатные прошивные марки 125

0,049+0,0002* tт

18

Маты и плиты из минеральной ваты марки 75

0,043+0,00022* tт

19

Маты и полосы из непрерывного стекловолокна

0,04+0,00026* tт

20

Маты и плиты стекловатные марки 50

0,042+0,00028* tт

21

Пенобетонные изделия

0,11+0,0003* tт

22

Пенопласт ФРП-1 и резопен группы 100

0,043+0,00019* tт

23

Пенополимербетон

0,07

24

Пенополиуретан

0,05

25

Перлитоцементные изделия марки 300

0,076+0,000185* tт

26

Перлитоцементные изделия марки 350

0,081+0,000185* tт

27

Плиты минераловатные полужесткие марки 100

0,044+0,00021* tт

28

Плиты минераловатные полужесткие марки 125

0,047+0,000185* tт

29

Плиты и цилиндры минераловатные марки 250

0,056+0,000185* tт

30

Плиты стекловатные полужесткие марки 75

0,044+0,00023* tт

31

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 150

0,049+0,0002* tт

32

Полуцилиндры и цилиндры минераловатные марки 200

0,052+0,000185* tт

33

Совелитовые изделия марки 350

0,076+0,000185* tт

34

Совелитовые изделия марки 400

0,078+0,000185* tт

35

Скорлупы минераловатные оштукатуренные

0,069+0,00019* tт

36

Фенольный поропласт ФЛ монолит

0,05

37

Шнур минераловатный марки 200

0,056+0,000185* tт

38

Шнур минераловатный марки 250

0,058+0,000185* tт

39

Шнур минераловатный марки 300

0,061+0,000185* tт

Сравнение теплоотдачи радиаторов разного типа

Тепловые характеристики радиаторов Ogint с межосевым расстоянием 500 мм:

 

Теплоотдача радиаторов отопления является одним из основных параметров, которые необходимо учитывать при выборе отопительных приборов. Этот показатель напрямую определяет эффективность обогрева помещений. При выборе радиаторов обязательно необходимо учитывать, какая теплоотдача у предлагаемых приборов.

В таблице выше приведены характеристики теплоотдачи одной секции для радиаторов Ogint, которые по данному параметру являются одними из лучших на современном отечественном рынке. Эти данные позволяют выполнить сравнение теплоотдачи для разных типов радиаторов.

Показатель теплоотдачи, или мощности, радиаторов характеризует то, какое количество тепла прибор отдает в окружающую среду в единицу времени. При выборе отопительных приборов проводится расчет по формуле теплоотдачи радиаторов с целью определения мощности батареи. Полученное значение соотносят с тепловыми потерями помещения.

Оптимальной считается мощность, которая перекрывает тепловые потери на 110-120%. Это лучшая теплоотдача, при которой в помещениях поддерживается комфортная температура. Недостаточная мощность не позволит батарее качественно обогревать помещение. Повышенная теплоотдача приводит к перегреву. Для автономных систем отопления слишком высокая мощность батарей означает еще и повышенные затраты на отопление.

Чтобы повысить теплоотдачу, можно добавить к радиатору дополнительные секции или изменить схему подключения. Для автономных систем отопления также может быть доступно увеличение температуры теплоносителя. При использовании любого из этих способов должен предварительно выполняться пересчет теплоотдачи радиаторов.

На теплоотдачу радиаторов отопления влияют следующие параметры:

  • температура теплоносителя в системе. Чем выше температура, тем больше тепла отдают батареи;
  • материал радиатора. Разные металлы имеют разные коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности;
  • полезная площадь теплообмена. Определяется конструкцией радиатора. Например, поверхность теплообмена радиаторов с межосевым расстоянием 500 мм больше в сравнении с приборами с межосевым расстоянием 380 мм. Также значительно увеличивает полезную площадь оребрение.

Таким образом, при выборе приборов для системы отопления необходимо учитывать их материал и конструктивные особенности, характерные для определенного типа радиаторов.

Стальные панельные радиаторы

Теплоотдача стальных радиаторов является самой низкой из наиболее распространенных сегодня видов отопительных приборов. Это объясняется достаточно слабой теплопроводностью конструкционной стали, из которой они изготавливаются. Кроме того, панельные радиаторы имеют довольно скромную поверхность теплообмена, которая фактически ограничена площадью самой панели. Поэтому с целью достижения необходимой тепловой мощности для качественного обогрева зачастую приходится применять отопительный прибор с увеличенными габаритами.

Чугунные радиаторы

Теплоотдача чугунных радиаторов несколько выше по сравнению с панелями из стали. Чугун тоже имеет небольшую теплопроводность и достаточно слабо отдает тепло воздуху. Кроме того, батареи имеют толстые стенки, что также затрудняет передачу тепла.

В процессе эксплуатации в системе централизованного отопления внутренняя поверхность чугунного радиатора может быстро покрываться накипью, в результате чего тепловая мощность может существенно снижаться. Теплоотдача батарей старого типа (традиционная «гармошка»), в зависимости от качества изготовления, может составлять 60-80 Вт.

Современные чугунные батареи (и Ogint в частности) имеют более впечатляющие характеристики. За счет применения эффективного оребрения и сплава повышенного качества достигается сравнительно большая теплоотдача, которая может достигать 160 Вт.

Алюминиевые радиаторы

Теплоотдача алюминиевых радиаторов является наиболее высокой среди современных приборов для систем водяного отопления. Это позволяет им обеспечивать наиболее эффективный обогрев и снижать затраты на отопление при использовании в автономных системах. В сочетании с отличными эстетическими качествами, функциональностью, небольшим весом и другими преимуществами это обеспечивает приборам данного типа высокую популярность.

Максимальная теплоотдача достигается за счет высокой теплопроводности алюминия. Кроме того, радиаторы имеют значительную площадь оребрения и передовую конструкцию, которая обеспечивает максимально эффективную передачу тепла конвекционным и лучевым способом. Так, теплоотдача секции алюминиевого радиатора Ogint составляет в среднем около 190 Вт.

Биметаллические радиаторы

Биметалл — это также радиаторы с высокой теплоотдачей. По этому показателю они лишь немного уступают алюминиевым приборам. Это связано с тем, что стальной сердечник, по которому циркулирует теплоноситель, имеет относительно небольшую теплопроводность. Однако алюминиевый кожух нагревается от стали довольно быстро и обеспечивает интенсивную передачу тепла воздуху. В результате достигается большая теплоотдача.

Конструктивно биметаллические радиаторы практически не отличаются от алюминиевых. Поэтому они имеют дизайн, который максимально способствует эффективной передаче тепла. В среднем теплоотдача биметаллических радиаторов Ogint составляет 175-185 Вт, лишь немного уступая по данному показателю алюминиевым.

Thermal Dissipation — обзор

3.2.1 Температурные характеристики наноструктур

По мере того, как разработка Si-устройств, таких как усовершенствованный ULSI, идет по принципу масштабирования, размеры компонентов устройства уменьшаются в трехмерном масштабе. Проблема локального рассеивания тепла в тонких пленках и на границах раздела стала очень серьезной как по глубине, так и по ширине. Были применены некоторые экспериментальные и теоретические подходы (Cahill et al., 2003; Hopkins and Duda, 2011) для тонких пленок (Cahill et al., 1994; Lee and Cahill, 1997; Ju and Goodson, 1999; Kim et al., 1999; Yamane et al., 2002), эпитаксиальные полупроводники (Koh et al., 2009) и наноструктуры для точного определения их тепловых констант.

Для термического анализа наноразмерных объектов обязательно должны проводиться динамические измерения, а не статические, поскольку длина термодиффузии в твердых телах, определяющая обнаруживаемую область, зависит от частоты зонда. Длина термодиффузии L определяется выражением L = 2α / ωC, где α, ω, и C — теплопроводность, угловая частота колебания температуры зондирования и теплоемкость на единицу объема соответствующий материал соответственно. Например, для определения теплопроводности твердого материала сигнал датчика вводится как периодическое колебание температуры на поверхности или на выводе. Таким образом, очень важно отрегулировать значение ω достаточно высоким, чтобы соответствующая длина термодиффузии была значительно меньше, чем анализируемая область.

Помимо теплопроводности, вышеупомянутое значение C очень важно, поскольку термическая эффузия e определяется как e = αC. Эта величина особенно полезна для прогнозирования теплопередачи на границах раздела в гетеропереходах, сверхрешетках и многослойных структурах с градиентом температуры. Фактические структуры устройства могут быть спроектированы на основе терморегулирования с использованием термической эффузии, например согласования импеданса в электронных схемах.Другой тепловой параметр, который следует отметить, — это коэффициент температуропроводности D, , представленный как D = α / C, , отражающий, насколько быстро градиент температуры, создаваемый в системе, релаксирует к равновесию.

Термическое поведение наноструктур и тонких пленок нельзя контролировать только с помощью статического параметра, такого как теплопроводность. Кроме того, длина термодиффузии, эффузия и коэффициент диффузии по-разному участвуют в реальных условиях эксплуатации. Применение этих динамических параметров и их соответствующая комбинация незаменимы для управления тепловым балансом во всех наноразмерных системах.

Влияние материалов с фазовым переходом на рассеивание тепла в системе с несколькими источниками тепла

В этой статье экспериментально исследуется рассеивание тепла в тепловой трубе с охлаждающими материалами с фазовым переходом (PCM) в системе с несколькими источниками тепла. На одном конце тепловой трубы закреплены два источника тепла. Учитывая, что радиатор не может рассеивать все тепло, выделяемое двумя источниками тепла, используются различные PCM из-за большой скрытой теплоты. Различные материалы в контейнере обернуты снаружи средней тепловой трубки, чтобы отводить тепло от секции испарения.В ходе экспериментальных испытаний получены данные о температуре источника тепла, испарительной секции, а также определены характеристики накопления энергии ПКМ при постоянных и динамических значениях мощности источника тепла. Обнаружено, что при такой структуре системы с несколькими источниками тепла материал RT35 с фазовым переходом поддерживает колебания температуры в секции испарения на более низком уровне и сокращает время, необходимое для достижения равновесной температуры при тепловой мощности 20 Вт.

1 Введение

Низкая эффективность рассеивания тепла и длительное время реакции можно легко найти в традиционном методе охлаждения для системы с несколькими источниками тепла.Значительное количество тепла и множество колебаний генерируются в системах с несколькими источниками тепла, таких как многоядерные процессоры и высокоинтегрированное электронное оборудование. Как правило, увеличение рассеиваемого тепла при переходной работе источника тепла с высокой мощностью достигается за счет увеличения мощности охлаждающего вентилятора. Большая часть тепла рассеивается за счет принудительной конвекции воздуха с тепловой трубкой и без нее, периодически или нерегулярно. В качестве материала для хранения скрытой теплоты ПКМ (материалы с фазовым переходом) широко используются во многих областях, таких как накопление солнечной тепловой энергии, солнечные системы нагрева воды, фотоэлектрические панели, управление тепловым режимом аккумуляторных батарей и электронные устройства [1].Увеличение энергопотребления электронных устройств приведет к повышению температуры выше критического значения. Скрытое тепло PCM может эффективно накапливать мгновенное тепло и периодическое тепло, генерируемое электронными устройствами, что может предотвратить накопление электронными устройствами большого количества тепла за короткое время [2]. Аль-Джетхела и др. . [3] численно исследован процесс плавления ПКМ в системе хранения скрытой теплоты. Число Нуссельта и фракция расплава ПКМ были проанализированы, чтобы получить влияние температуры окружающей среды на коэффициент конвективной теплопередачи и скорость плавления.Эбади и др. . [4] экспериментально и численно проанализировали характеристики RT35 в вертикальной цилиндрической системе накопления тепловой энергии. Результаты показали, что по мере развития процесса плавления преобладающий метод теплопередачи RT-35 изменился с теплопроводности на конвективную теплопередачу. Чжао и Тан [5] представили оценку прототипа термоэлектрической системы, интегрированной с ПКМ для охлаждения помещений. Emam и др. . [6] исследовали пассивное тепловое управление электронных устройств и концентраторов фотоэлектрических систем (CPV) с использованием материала с фазовым переходом и обнаружили, что образование воздушных полостей внутри твердых PCM мало влияет на их охлаждающую способность.Kalbasi и др. . [7] представили корреляцию для оценки оптимального количества ребер и оптимальной объемной доли PCM в радиаторе. Mashaei и др. . [8] указали, что рассеивание тепла в системах с несколькими источниками тепла не отличается от рассеивания тепла для одного источника тепла.

Тепловые трубки, интегрированные с радиаторами, были всесторонне исследованы с использованием различных PCM [9]. PCM играют важную роль в поглощении рассеянного тепла системами терморегулирования.В 2003 году Тан и Цо [10] провели экспериментальное исследование по охлаждению мобильного электронного устройства с использованием накопителя тепловой энергии, заполненного материалами с фазовым переходом. Они обнаружили, что на распределение температуры существенно влияет ориентация блока аккумулирования тепла. Ван и Янг [11] численно исследовали изменения рабочей температуры и времени плавления, используя многопластовый радиатор на основе PCM. Результаты показали, что точность прогноза переходной температуры поверхности не превышает 10.2%. Кроме того, исследователи испробовали множество способов улучшить теплопроводность ПКМ. Ван и др. . [12] внедрили парафин из материала с фазовым переходом в металлическую пену из меди, и результаты показали, что при использовании вспененной меди было получено сокращение времени накопления тепла парафином на 40%. Эбрахими и др. . [13] исследовали материалы с фазовым переходом в кожухотрубном теплообменнике с тепловой трубкой и обнаружили, что время плавления уменьшилось на 91% по сравнению с корпусом без тепловой трубки.Абуджас и др. . В [14] численно изучалось влияние оребренных труб и токопроводящей пены на время зарядки и распределение энергии. Было обнаружено, что алюминиевые ребра значительно сократили время зарядки системы. Кроме того, исследователи использовали наночастицы для улучшения теплопередачи твердых и жидких материалов. Ван и др. . В [15] экспериментально проанализировано влияние различных магнитных полей на теплопроводность феррожидкости. Было обнаружено, что конфигурация соседних магнитных канюль может обеспечить непрерывное улучшение конвективной теплопередачи.Чен и др. . [16] исследовали влияние наножидкостей Fe 3 O 4 -EGW (смесь этиленгликоля и деионизированной воды) на характеристики теплопередачи в электронагревателе. Результаты показывают, что при использовании наножидкости 0,5% Fe 3 O 4 -EGW равновесная температура среднего ребра электрического нагревателя увеличилась на 14,68% при добавлении внешнего магнитного поля в 100 мТл.

Однако большинство исследователей сосредоточили внимание на тепловых характеристиках радиаторов и тепловых трубок при работе с несколькими источниками тепла.Хан и др. . [17] исследовали новую плоскую тепловую трубу с несколькими источниками тепла, и результаты показали, что как тепловое сопротивление, так и максимальная теплопередающая способность увеличиваются с увеличением количества источников тепла. Чжан и др. . [18] предложили новую ультратонкую алюминиевую плоскую тепловую трубку для улучшения тепловых характеристик двухфазного устройства. Результаты показали, что хитрые тепловые трубки улучшили тепловые характеристики при углах наклона 30 и 60 .Chougule и Sahu [19] сообщили о тепловых характеристиках наножидкости внутри тепловой трубы с PCM для электронного охлаждения. Они обнаружили, что тепловая трубка с парафином снижает энергопотребление вентилятора до 66% по сравнению с тепловой трубкой с водой в качестве материала для хранения энергии. Шабгард и Фагри [20] представили модель цилиндрических тепловых трубок с несколькими источниками тепла. Они сосредоточились на анализе постоянного теплового потока и конвекционного охлаждения во время процесса конденсации, и результаты разработанного простого метода показали хорошее согласие с результатами полного моделирования.Тан и др. . [21] предложили метод охлаждения тепловой трубы с несколькими источниками тепла. По сравнению с другими методами охлаждения, этот множественный источник тепла и двухстороннее охлаждение (MSDC) улучшили тепловые характеристики тепловых труб.

На основании испытаний характеристик заряда, разряда и одновременного заряда / разряда, Weng et al . [22] исследовали тепловые характеристики тепловой трубы с материалами с фазовым переходом. Они обнаружили, что охлаждающий модуль с трикозаном в качестве PCM позволяет сэкономить 46% энергии вентилятора по сравнению с традиционной тепловой трубкой.Чжуан и др. . [23] предложили новую тепловую трубку, обернутую PCM, и они обнаружили, что новая композитная тепловая труба (CHP), заполненная 75% PCM, показала стабильное снижение температуры на 9,31% по сравнению с таковой без PCM. Бехи и др. . [24] экспериментально и численно исследовали процесс рассеивания тепла и охлаждения горизонтальной тепловой трубы с использованием PCM. Они обнаружили, что тепловая трубка с PCM обеспечивает до 86,7% охлаждающей нагрузки в диапазоне мощности 50–80 Вт.

Целью данной статьи является исследование характеристик рассеивания тепла системой с несколькими источниками тепла при постоянной и динамической мощности источников тепла. Различные PCM используются для отвода тепловой энергии от тепловой трубы. Тепловые характеристики тепловой трубы с PCM (деионизированная вода, парафины RT30, RT35 и RT45) во время процессов заряда и разряда испытываются при различных мощностях источников тепла. Обсуждаются значения температуры в испарительной части тепловой трубки, чтобы найти оптимальный PCM для отвода тепла системы.

3 Результаты и обсуждение

Для того, чтобы исследовать влияние модулей PCM на характеристики рассеивания тепла, используются системы постоянного тока с несколькими источниками тепла с различными комбинациями мощности.

3.1 Постоянные несколько источников тепла

В этой части четыре условия с постоянными источниками тепла анализируются с использованием различных PCM. Источники тепла 1 и 2 установлены на мощность 5 Вт и 10 Вт соответственно. Исследования значений температуры источников тепла, испарительной секции, адиабатической секции и части накопления энергии проводятся как при зарядке, так и при разрядке различных источников тепла.

На рис. 3 показаны переходные температурные характеристики при различных тепловыделениях для различных модулей PCM. Из рисунка 3 (а) видно, что значение температуры источника тепла 1 достигает 96,9 C для материала RT35 при мощности источника тепла 10 Вт-10 Вт. По сравнению со случаем без ПКМ (без ПКМ ) температура источника тепла 1 снижается на 34,4% (50,9 C) с 147,8 C. По сравнению с другими PCM, RT30 также показывает небольшое преимущество в отводе тепла.Кроме того, значение температуры источника тепла 1 для RT30 составляет 112,6 ° C, что на 23,8% (35,2 ° C) ниже, чем для материала без ПКМ. Хотя RT45 может снизить температуру на 11,4 C по сравнению с отсутствием PCM, RT45 показывает худшее рассеивание тепла по сравнению с DI-водой. Как показано на рисунках 3 (b) -3 (d), максимальная разница температур между корпусами с PCM и без него составляет 4,1 C, 3,5 C и 2,3 C для мощности нагрева 10 Вт-5 Вт, 5 Вт-10 Вт и 5 Вт-5 Вт соответственно.

Рисунок 3

Изменение температуры источника тепла 1 при различных условиях нагрева (источник тепла 1 мощность — мощность источника тепла 2)

Кроме того, при использовании RT35 быстро достигается равновесная температура источника тепла, а время стабилизации нагрева составляет 1310 с, как показано в таблице 2. Время стабилизации нагрева, необходимое для без материала, деионизированной воды, RT30 и RT45. равны 1570 с, 2040 с, 1640 с и 1790 с соответственно. Когда мощность источника тепла 2 уменьшается, как показано на Рисунке 3 (b), значения температуры для RT30, RT35 и RT45 показывают аналогичную тенденцию к увеличению.По сравнению с данными для случаев без PCM, DI-воды, RT30, RT35 и RT45 на Рисунке 3 (a), максимальные значения температуры источника тепла 1 уменьшаются на 71,8 C, 50,6 C, 40,4 C, 24,3 C и 62,1 C, соответственно. Сделан вывод, что при относительно высокой мощности (10-10 Вт) RT35 показывает лучшие характеристики охлаждения из-за большого накопления энергии в блоке PCM. Однако результаты показывают, что из-за своего явного поглощения тепла деионизированная вода при низкой мощности нагрева обеспечивает более низкую температуру равновесия нагрева, чем PCM.

Таблица 2

Время нагрева и время охлаждения при различных условиях нагрева

Материалы 10 Вт-10 Вт 10 Вт-5 Вт 5 Вт-10 Вт 5 Вт-5 Вт

Отопление Охлаждение Отопление Охлаждение Отопление Охлаждение Отопление Охлаждение
раз (с) раз (с) раз (с) раз (с) раз (с) раз (с) раз (с) раз (с)
без PCM 1570 1140 770 920 800 1100 680 1020
ДИ-вода 2040 2330 940 2080 950 2280 800 2040
RT30 1640 3940 690 1970 590 1780 610 1540
RT35 1310 4080 780 2070 720 1850 620 1800
RT45 1790 2540 720 1780 680 1290 630 1520

На рис. 4 представлены переходные изменения температуры испарительной секции при различных режимах нагрева.По сравнению с отсутствием PCM, деионизированной воды, RT30 и RT45, как показано на рисунке 4 (a), максимальные значения температуры секции испарения для RT35 снижаются на 39,4%, 17,3%, 8,1% и 29,7% соответственно. На основании сравнения результатов на рисунках 4 (a) — 4 (d) было обнаружено, что RT35 имеет более высокую емкость хранения энергии при высокой мощности нагрева по сравнению с другими материалами. Когда мощность источника тепла изменяется с 5 Вт-5 Вт на 10 Вт-10 Вт, температура секции испарения для RT35 увеличивается на 47.6% (от 38,9 C до 57,4 C). Для деионизированной воды и RT30 температура секции испарения увеличивается на 81,5% и 61,9% соответственно. Однако три модуля PCM (RT30, RT35 и RT45) при низкой мощности нагрева показывают худшие характеристики охлаждения, чем DI-вода. Также сделан вывод о том, что PCM могут обеспечить хорошую защиту от охлаждения в системе с несколькими источниками тепла, что позволяет за короткое время избежать повреждения оборудования, вызванного переходной работой с высокой мощностью.

Рисунок 4

Изменение температуры испарительной секции при различных режимах нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

В процессах зарядки и разрядки источников тепла изменения температуры материалов в резервуаре для хранения энергии иллюстрируются изменением условий нагрева, как показано на рисунке 5.На рисунке 5 (а) максимальная температура деионизированной воды в резервуаре для хранения достигает 44,9 ° C, а соответствующее время равновесия составляет до 2050 с. Когда температура источника тепла достигает равновесия, значения температуры для RT30 и RT35 составляют 37,8 C и 35,0 C, соответственно. Как показано на Рисунке 5 (b), температура деионизированной воды повышается до 37,9 C через 960 с, когда температура источника тепла достигает равновесия, тогда как значения температуры RT30 и RT35 увеличиваются до 29.6 C и 32,8 C соответственно. Для источника тепла на Рисунке 5 (c) RT30 и RT35 имеют значения равновесной температуры 29,1 C и 32,5 C, соответственно.

Рисунок 5

Температурные колебания материалов в резервуаре для хранения энергии при различных условиях нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Как видно из рисунков 5 (b) и 5 ​​(c), температуры DI-воды, RT30 и RT35 в контейнере близки для тех же условий общего источника тепла.При увеличении мощности, как показано на рисунках 5 (a) -5 (b), значения температуры деионизированной воды, RT30 и RT35 увеличиваются на 7,0 C, 5,4 C и 5,0 . C соответственно. При уменьшении мощности нагрева, как показано на Рисунке 5 (d), равновесная температура источника тепла достигает более низких значений (33,5 ° C, 28,2 ° C и 30,2 ° C для деионизированной воды, RT30 и RT35 соответственно).

Из рисунка 5 (а) видно, что PCM в резервуаре для хранения находятся в равновесии для деионизированной воды.Однако температура нагрева деионизированной воды относительно высока, и тепло от источника 1 не может эффективно рассеиваться. Хотя температурные кривые для трех PCM (RT30, RT35 и RT45) имеют тенденцию к повышению (это означает, что PCM не достигли равновесной температуры), значения повышения температуры ниже, чем для деионизированной воды и отсутствия материала. Этот результат показывает, что PCM играют важную роль в отводе тепла и поглощении тепловыделения от системы с несколькими источниками тепла с высокой мощностью.

3.2 Динамические несколько источников тепла

Чтобы проанализировать характеристики рассеивания тепла различными модулями PCM, на рисунке 6 показана температурная реакция источника тепла 1 в переходных режимах в динамических системах с несколькими источниками тепла. Один из двух источников тепла имеет фиксированное значение мощности (5 Вт или 10 Вт), а другой источник тепла варьируется по динамическим значениям мощности (5-10-15-10-15-10-15-10-5 Вт или 5-10 Вт). -5-10-5-10-5 Вт). Для динамических характеристик тепловой трубы с различными модулями PCM учитываются динамические изменения мощности с интервалом 5 мин, как показано в таблице 3.Замечено, что перед временем нагрева 750 с более низкая температура источника 1 тепла достигается за счет использования деионизированной воды по сравнению с PCM. После времени нагрева 1000 с материал RT35 показывает значительную охлаждающую способность на источнике тепла 1, как показано на Рисунке 6 (а). По сравнению с условиями без материала ПКМ во время периодического нагрева максимальная температура для RT35 в трех процессах нагрева снижена на 12,9%, 18,9% и 19,5% соответственно. Для периодического нагрева с низкой мощностью, как показано на Рисунке 6 (b), RT35 показывает большее улучшение рассеивания тепла для источника тепла 1, чем другие PCM.По сравнению с отсутствием ПКМ максимальные значения температуры в трех процессах нагрева снижаются на 11,6%, 11,6% и 11,0% соответственно.

Рисунок 6

Изменение температуры источника тепла 1 при динамических тепловых мощностях (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Таблица 3

Периодические процессы нагрева для нескольких динамических источников тепла

Время (мин) Условия отопления 1 Условия нагрева 2 Условия нагрева 3 Условия нагрева 4

Тепло Тепло Тепло Тепло Тепло Тепло Тепло Тепло
источник 1 источник 2 источник 1 источник 2 источник 1 источник 2 источник 1 источник 2
(Ш) (Ш) (Ш) (Ш) (Ш) (Ш) (Ш) (Ш)
0-5 5 5 5 5 5 10 10 5
5-10 10 5 5 10 10 10 10 10
10-15 15 5 5 15 5 10 10 5
15-20 10 5 5 10 10 10 10 10
20-25 15 5 5 15 5 10 10 5
25-30 10 5 5 10 10 10 10 10
30-35 15 5 5 15 5 10 10 5
35-40 10 5 5 10
40-45 5 5 5 5

Во время трех процессов нагрева максимальная температура источника тепла 1 для деионизированной воды постепенно увеличивалась со 118.От 3 C (при первом нагреве) до 133,2 C (при третьем нагреве). Для RT30 максимальная температура увеличивается с 124,9 C (при первом нагреве) до 129,7 C (при третьем нагреве). Для условия RT35 максимальная температура источника тепла 1 увеличивается с 116,7 C (при первом нагреве) до 123,5 C (при третьем нагреве). Также сделан вывод о том, что RT35 имеет больший запас энергии после периодического нагрева, что приводит к хорошим характеристикам охлаждения от RT35 для мощности динамического нагрева.По сравнению с деионизированной водой в трех процессах нагрева максимальная температура источника тепла 1 для RT35 снижается на 1,1%, 9,5% и 13,4% соответственно.

На рисунке 7 показаны изменения температуры секции испарения во времени при различных условиях нагрева. Было обнаружено, что тенденции изменения температуры согласуются с рисунком 6-7. Значения температуры секции испарения для деионизированной воды ниже, чем для других ПКМ, в диапазоне 0-1000 с, тогда как значения температуры секции испарения для RT35 самые низкие после 1200 с.Согласно этим результатам, это исследование доказывает, что RT35 эффективно обеспечивает более низкий рост температуры, а также более равномерное изменение температуры, когда динамическая мощность нагрева передается на испарительную секцию тепловой трубы. После двух периодических процессов нагрева температура секции испарения RT35 остается на относительно низком уровне.

Рисунок 7

Изменение температуры испарительной секции при разной мощности нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Температурные колебания материалов в резервуаре для хранения энергии анализируются при различных условиях нагрева, как показано на Рисунке 8.Наблюдается, что максимальные значения температуры RT30 и RT35 неуклонно повышаются, пока не приближаются к значениям фазового перехода PCM. Это связано с тем, что ПКМ могут непрерывно поглощать большую часть теплового потока до точки фазового перехода из-за своего явного тепла, а затем скрытая теплота ПКМ работает, когда температура достигает точки фазового перехода. Однако деионизированная вода поглощает весь тепловой поток за счет явного тепла из-за отсутствия фазового перехода (выше 0 C).

Рисунок 8

Температурные колебания материалов в резервуаре для хранения энергии при различных условиях нагрева (мощность источника тепла 1 — мощность источника тепла 2)

Список литературы

[1] Ling Z., Zhang Z., Shi G., Fang X., Wang L., Gao X., и др. ., Обзор систем терморегулирования с использованием материалов с фазовым переходом для электронных компонентов, литий-ионных аккумуляторов и фотоэлектрических модулей, Renew. Поддерживать. Energy Rev., 2014, 31, 427–438. Искать в Google Scholar

[2] Кандасами Р., Ван X., Муджумдар А.С., Переходное охлаждение электроники с использованием радиаторов на основе материала с фазовым переходом (PCM), Прил. Therm. Eng., 2008, 28, 1047–1057. Искать в Google Scholar

[3] Аль-Джетхела М., Аль-Саммаррай А., Тасним С., Махмуд С., Дутта А., Влияние конвективной теплопередачи на накопитель тепловой энергии, Открытая физика, 2018, 16, 861-867. Искать в Google Scholar

[4] Эбади С., Аль-Джетелах М., Тасним С. Х., Махмуд С., Исследование процесса плавления заполненной круговой системы накопления тепловой энергии RT-35, Открытая физика, 2018, 16, 574-580. Искать в Google Scholar

[5] Чжао Д., Тан Г., Экспериментальная оценка прототипа термоэлектрической системы, интегрированной с ПКМ для охлаждения пространства, Энергия, 2014, 68, 658–666.Искать в Google Scholar

[6] Эмам М., Оокавара С., Ахмед М., Управление тепловым режимом электронных устройств и концентраторов фотоэлектрических систем с использованием теплоотводов из материала с фазовым переходом: экспериментальные исследования, Renew. Энергия, 2019, 141, 322–339. Искать в Google Scholar

[7] Калбаси Р., Афранд М., Альсарраф Дж., Тран М., Исследования оптимального количества ребер в радиаторах на основе PCM, Энергия, 2019, 171, 1088–1099. Поиск в Google Scholar

[8] Машаи П.Р., Шахряри М., Фазели Х., Хоссейналипур С.М., Численное моделирование применения наножидкости в горизонтальной решетчатой ​​тепловой трубе с несколькими источниками тепла: интеллектуальная жидкость для высокоэффективной тепловой системы, Прил. Therm. Eng., 2016, 100, 1016–1030. Искать в Google Scholar

[9] Севинчан Э., Динсер И., Ланг Х. Обзор методов терморегулирования для роботов, Прил. Therm. Eng., 2018, 140, 799–813. Искать в Google Scholar

[10] Тан Ф.Л., Цо С.П. Охлаждение мобильных электронных устройств с использованием материалов с фазовым переходом, Прил.Therm. Eng., 2004, 24, 159–169. Искать в Google Scholar

[11] Ван Ю., Ян Ю., Трехмерное моделирование переходного охлаждения портативного электронного устройства с использованием PCM (материалов с фазовым переходом) в теплоотводе с несколькими ребрами, Энергия, 2011, 36, 5214–5224. Искать в Google Scholar

[12] Ван К., Лин Т., Ли Н., Чжэн Х., Улучшение теплопередачи композитного материала с фазовым переходом: пена / парафин меди, Renew. Энергия, 2016,96, 960–965. Искать в Google Scholar

[13] Эбрахими А., Хоссейни М.Дж., Ранджбар А.А., Рахими М., Бахрампури Р., Исследование процесса плавления материалов с фазовым переходом в кожухотрубном теплообменнике, усиленном тепловой трубкой, Renew. Энергия, 2019, 138, 378–394. Искать в Google Scholar

[14] Абуджас К.Р., Хове А., Прието К., Галлас М., Кабеза Л.Ф., Сравнение производительности группы методологий повышения теплопроводности в материалах с фазовым переходом для применения в области аккумулирования тепла, Renew. Энергия, 2016, 97, 434–443. Искать в Google Scholar

[15] Ван Дж., Ли Г., Чжу Х., Ло Дж., Сунден Б., Экспериментальное исследование конвективного теплообмена феррожидкости внутри трубы при различных ориентациях магнита, Int. J. Тепломассообмен, 2019, 132, 407-419. Искать в Google Scholar

[16] Чен З., Чжэн Д., Ван Дж., Чен Л., Сунден Б., Экспериментальное исследование характеристик теплопередачи различных наножидкостей в электронагревателе для помещений, Renew. Энергия, 2020, 147, 1011-1018. Искать в Google Scholar

[17] Хань Х., Ван Ю., Лян К., Исследование тепловых характеристик нового радиатора с плоской тепловой трубкой с несколькими источниками тепла, Int. J. Тепломассообмен, 2018,94, 71–76. Искать в Google Scholar

[18] Чжан С., Чен Дж., Сунь Ю., Ли Дж., Цзэн Дж., Юань В., и др. ., Экспериментальное исследование тепловых характеристик новой ультратонкой алюминиевой плоской тепловой трубки. , Обновить. Энергия, 2019, 135, 1133–1143. Искать в Google Scholar

[19] Chougule S.S., Sahu S.K., Тепловые характеристики нагнетаемой наножидкости тепловой трубки с фазовым переходом для охлаждения электроники, ASME J.Электрон. Packag, 2016, 137, 1–7. Искать в Google Scholar

[20] Шабгард Х., Фагри А. Рабочие характеристики цилиндрических тепловых труб с несколькими источниками тепла, Прил. Therm. Eng., 2011, 31, 3410–3419. Искать в Google Scholar

[21] Тан Х., Тан Ю., Ли Дж., Сунь Ю., Лян Г., Пэн Р., Экспериментальное исследование тепловых характеристик тепловой трубы с многопоточным источником и двухсторонним охлаждением, Прил. Therm. Eng., 2018, 131, 159–166. Искать в Google Scholar

[22] Weng Y.К., Чо Х.П., Чанг С.С., Чен С.Л., Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения, Прил. Энергия, 2011, 88, 1825–1833. Искать в Google Scholar

[23] Чжуан Б., Дэн В., Тан Ю., Дин X., Чен К., Чжун Г., Экспериментальное исследование новой композитной тепловой трубы с материалами с фазовым переходом, нанесенными на адиабатическую секцию, Int. Commun. Тепломассообмен, 2019, 100, 42–50. Искать в Google Scholar

[24] Бехи Х., Ганбарпур М., Бехи М., Исследование тепловой трубки с использованием PCM для электронного охлаждения, Прил.Therm. Eng., 2017, 127, 1132–1142. Искать в Google Scholar

Теплопередача, удельная теплоемкость и калориметрия — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните явления с участием тепла как формы передачи энергии
  • Решение проблем, связанных с теплопередачей

В предыдущих главах мы видели, что энергия — одно из фундаментальных понятий физики. Тепло — это тип передачи энергии, который вызывается разницей температур и может изменять температуру объекта.Как мы узнали ранее в этой главе, теплопередача — это движение энергии от одного места или материала к другому в результате разницы температур. Передача тепла имеет фундаментальное значение для таких повседневных действий, как отопление и приготовление пищи, а также для многих промышленных процессов. Он также составляет основу тем, которые будут рассмотрены в оставшейся части этой главы.

Мы также вводим понятие внутренней энергии, которая может быть увеличена или уменьшена за счет теплопередачи. Мы обсуждаем другой способ изменить внутреннюю энергию системы, а именно выполнение работы над ней.Таким образом, мы начинаем изучение взаимосвязи тепла и работы, которая является основой двигателей и холодильников и центральной темой (и источником названия) термодинамики.

Внутренняя энергия и тепло

Тепловая система имеет внутренней энергии (также называемой тепловой энергией ) , которая является суммой механических энергий ее молекул. Внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре. Как мы видели ранее в этой главе, если два объекта с разной температурой приводят в контакт друг с другом, энергия передается от более горячего объекта к более холодному, пока тела не достигнут теплового равновесия (то есть они имеют одинаковую температуру).Ни один из объектов не совершает никакой работы, потому что никакая сила не действует на расстоянии (как мы обсуждали в разделе Работа и кинетическая энергия). Эти наблюдения показывают, что тепло — это энергия, спонтанно передаваемая из-за разницы температур. (Рисунок) показывает пример теплопередачи.

(а) Здесь безалкогольный напиток имеет более высокую температуру, чем лед, поэтому они не находятся в тепловом равновесии. (b) Когда безалкогольный напиток и лед могут взаимодействовать, тепло передается от напитка ко льду из-за разницы температур, пока они не достигнут одинаковой температуры, что приводит к достижению равновесия.Фактически, поскольку безалкогольный напиток и лед находятся в контакте с окружающим воздухом и скамейкой, конечная равновесная температура будет такой же, как и температура окружающей среды.

Значение «тепла» в физике отличается от его обычного значения. Например, в разговоре мы можем сказать, что «жара была невыносимой», но в физике мы бы сказали, что температура была высокой. Тепло — это форма потока энергии, а температура — нет. Между прочим, люди более чувствительны к тепловому потоку , чем к температуре.

Поскольку тепло — это форма энергии, в системе СИ единицей измерения является джоуль (Дж). Другой распространенной единицей энергии, часто используемой для получения тепла, является калория (кал), определяемая как энергия, необходимая для изменения температуры 1,00 г воды, в частности, между и, поскольку существует небольшая температурная зависимость. Также обычно используется килокалория (ккал), которая представляет собой энергию, необходимую для изменения температуры 1,00 кг воды на. Так как масса чаще всего указывается в килограммах, то килокалория удобна.Как ни странно, пищевые калории (иногда называемые «большими калориями», сокращенно Cal) на самом деле являются килокалориями, что нелегко определить по маркировке упаковки.

Механический эквивалент тепла

Также можно изменять температуру вещества, выполняя работу, которая передает энергию в систему или из нее. Это понимание помогло установить, что тепло — это форма энергии. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провел множество экспериментов, чтобы установить механический эквивалент тепла — работа, необходимая для получения тех же эффектов, что и теплопередача .В единицах, используемых для этих двух величин, эквивалентность равна

.

Мы считаем, что это уравнение представляет преобразование между двумя единицами энергии. (Другие числа, которые вы можете увидеть, относятся к калориям, определенным для температурных диапазонов, отличных от до.)

(рисунок) показывает одну из самых известных экспериментальных установок Джоуля для демонстрации того, что работа и тепло могут производить одни и те же эффекты, и измерения механического эквивалента тепла. Это помогло установить принцип сохранения энергии.Гравитационная потенциальная энергия ( U ) была преобразована в кинетическую энергию ( K ), а затем рандомизирована по вязкости и турбулентности в увеличенную среднюю кинетическую энергию атомов и молекул в системе, что привело к увеличению температуры. Вклад Джоуля в термодинамику был настолько значительным, что в его честь была названа единица энергии в системе СИ.

Эксперимент Джоуля установил эквивалентность тепла и работы. По мере того, как массы спускались, они заставляли весла работать на воде.Результатом стало повышение температуры, измеренное термометром. Джоуль обнаружил, что он пропорционален Вт и, таким образом, определил механический эквивалент тепла.

Увеличение внутренней энергии за счет теплопередачи дает тот же результат, что и увеличение ее за счет выполнения работы. Следовательно, хотя система имеет четко определенную внутреннюю энергию, мы не можем сказать, что она имеет определенное «теплосодержание» или «рабочее содержание». Четко определенная величина, которая зависит только от текущего состояния системы, а не от истории этой системы, называется переменной состояния .Температура и внутренняя энергия являются переменными состояния. Подводя итог этому абзацу, тепло и работа не являются переменными состояния .

Между прочим, увеличение внутренней энергии системы не обязательно увеличивает ее температуру. Как мы увидим в следующем разделе, температура не меняется, когда вещество переходит из одной фазы в другую. Примером может служить таяние льда, которое может быть достигнуто путем добавления тепла или выполнения работы трения, например, когда кубик льда трется о шероховатую поверхность.

Изменение температуры и теплоемкость

Мы отметили, что теплопередача часто вызывает изменение температуры. Эксперименты показывают, что без изменения фазы и без работы системы или с ее помощью переданное тепло, как правило, прямо пропорционально изменению температуры и массы системы в хорошем приближении. (Ниже мы покажем, как действовать в ситуациях, когда приближение неверно.) Константа пропорциональности зависит от вещества и его фазы, которая может быть газом, жидкостью или твердым телом.Мы опускаем обсуждение четвертой фазы, плазмы, потому что, хотя это наиболее распространенная фаза во Вселенной, она редка и недолговечна на Земле.

Мы можем понять экспериментальные факты, заметив, что передаваемое тепло — это изменение внутренней энергии, которая представляет собой полную энергию молекул. В типичных условиях полная кинетическая энергия молекул составляет постоянную долю внутренней энергии (по причинам и за исключениями, которые мы увидим в следующей главе).Средняя кинетическая энергия молекулы пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, изменение внутренней энергии системы обычно пропорционально изменению температуры и количеству молекул, N . Математически зависимость от вещества в значительной степени обусловлена ​​разной массой атомов и молекул. Мы рассматриваем его теплоемкость с точки зрения его массы, но, как мы увидим в следующей главе, в некоторых случаях теплоемкость на молекулу одинакова для разных веществ.Зависимость от вещества и фазы также является результатом различий в потенциальной энергии, связанной с взаимодействиями между атомами и молекулами.

Значения удельной теплоемкости обычно необходимо измерять, потому что нет простого способа их точно рассчитать. (Рисунок) показывает типичные значения теплоемкости для различных веществ. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в 10 раз больше, чем у железа, что означает, что для повышения температуры воды на определенное количество требуется в пять раз больше тепла, чем у стекла, и в 10 раз больше. столько, сколько по железу.Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Удельная теплота газов зависит от того, что поддерживается постоянным во время нагрева — обычно от объема или давления. В таблице первое значение удельной теплоемкости для каждого газа измерено при постоянном объеме, а второе (в скобках) измерено при постоянном давлении. Мы вернемся к этой теме в главе, посвященной кинетической теории газов.

В общем, удельная теплоемкость также зависит от температуры.Таким образом, точное определение c для вещества должно быть дано в терминах бесконечно малого изменения температуры. Для этого отметим это и заменим на d :

За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая при нормальных температурах. Поэтому мы обычно принимаем удельную теплоемкость постоянными на значениях, указанных в таблице.

(рисунок) иллюстрирует повышение температуры, вызванное работой.(Результат такой же, как если бы такое же количество энергии было добавлено с помощью паяльной лампы, а не механически.)

Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной на грузовике с веществом. Тормоза, используемые для контроля скорости на спуске, выполняют свою работу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала ((рисунок)). Это преобразование предотвращает преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию грузовика.Поскольку масса грузовика намного больше массы тормозного материала, поглощающего энергию, повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло от тормозов передавалось в окружающую среду; Другими словами, тормоза могут перегреться.

Дымящиеся тормоза тормозной тележки — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Рассчитайте повышение температуры 10 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью, если материал удерживает 10% энергии от спускающегося грузовика массой 10 000 кг 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, приравниваем ее к увеличению внутренней энергии тормозов, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

Решение Сначала мы вычисляем изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика:

Поскольку кинетическая энергия грузовика не изменяется, закон сохранения энергии говорит нам, что потерянная потенциальная энергия рассеивается, и мы предполагаем, что 10% ее передается внутренней энергии тормозов, так что возьмите.Затем мы рассчитываем изменение температуры от переданного тепла, используя

, где м — масса тормозного материала. Вставьте указанные значения, чтобы найти

Значение Если бы грузовик ехал какое-то время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к очень сильному повышению температуры тормозного материала, поэтому этот метод непрактичен.Вместо этого грузовик использовал бы технику торможения двигателем. Другая идея лежит в основе новейшей технологии гибридных и электрических автомобилей, в которой механическая энергия (кинетическая и гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию в аккумуляторе. Этот процесс называется регенеративным торможением.

В задачах обычного типа объекты с разными температурами контактируют друг с другом, но изолированы от всего остального, и им позволяют прийти в равновесие.Контейнер, который предотвращает передачу тепла внутрь или наружу, называется калориметром, а использование калориметра для измерения (обычно теплоемкости или удельной теплоемкости) называется калориметрией.

Мы будем использовать термин «проблема калориметрии» для обозначения любой проблемы, в которой рассматриваемые объекты термически изолированы от своего окружения. Важная идея при решении задач калориметрии заключается в том, что во время теплообмена между объектами, изолированными от их окружения, тепло, получаемое более холодным объектом, должно равняться теплу, теряемому более горячим объектом, из-за сохранения энергии:

Мы выражаем эту идею, записывая, что сумма тепла равна нулю, потому что полученное тепло обычно считается положительным; тепло потеряно, отрицательное.

Расчет конечной температуры в калориметрии. Предположим, вы наливаете 0,250 кг воды (примерно чашку) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, с температурой 0 ° C. Предположим, что теплопередача не происходит ни к чему другому: кастрюлю кладут на изолирующую подкладку, а теплопередачу воздуху не учитывают в течение короткого времени, необходимого для достижения равновесия. Таким образом, это проблема калориметрии, даже если изолирующий контейнер не указан. Также предположим, что выкипает незначительное количество воды.Какова температура, при которой вода и поддон достигают теплового равновесия?

Стратегия Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Теплопередача восстанавливает тепловое равновесие при соприкосновении воды и поддона; он останавливается, когда достигается тепловое равновесие между поддоном и водой. Тепло, теряемое сковородой, равно теплу, полученному водой — это основной принцип калориметрии.

Решение

  1. Используйте уравнение теплопередачи, чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечную температуру:
  2. Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру:
  3. Обратите внимание, что и и что, как указано выше, они должны быть в сумме равными нулю:
  4. Поместите все термины с левой стороны, а все остальные термины с правой стороны.Решение для


    и введите числовые значения:

Значение Почему конечная температура намного ближе к, чем к? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, следовательно, претерпевает меньшее изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры. Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико.Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

Проверьте свое понимание Если для повышения температуры камня необходимо 25 кДж, от какого количества тепла необходимо нагреть камень?

В хорошем приближении теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж. (Как мы увидим в следующем разделе, ответ был бы другим, если бы объект был сделан из некоторого вещества, которое меняет фазу где-то между и.)

Температурно-зависимая теплоемкость При низких температурах удельная теплоемкость твердых тел обычно пропорциональна. Первое понимание этого поведения было связано с голландским физиком Питером Дебаем, который в 1912 году рассмотрел атомные колебания с помощью квантовой теории, которую Макс Планк недавно использовал для излучения. Например, хорошее приближение для удельной теплоемкости соли NaCl: Константа 321 K называется температурой Дебая NaCl, и формула хорошо работает, когда Используя эту формулу, сколько тепла требуется для повышения температуры 24.0 г NaCl от 5 К до 15 К?

Решение Поскольку теплоемкость зависит от температуры, нам нужно использовать уравнение

Мы решаем это уравнение для Q путем интегрирования обеих частей:

Затем подставляем данные значения и вычисляем интеграл:

Значение Если бы мы использовали уравнение и удельную теплоемкость соли при комнатной температуре, мы получили бы совсем другое значение.

% PDF-1.4 % 1 0 объект > поток 2018-04-16T10: 53: 20-04: 00 Microsoft® Word 20132021-10-31T20: 26: 13-07: 002021-10-31T20: 26: 13-07: 00iТекст 4.2.0, автор: 1T3XTapplication / pdf

  • Rosyida Permatasari
  • Adhi Muhammad Yusuf
  • uuid: 4a198bb0-d34f-4415-b01c-b33e64568339uuid: 86e1d4d0-8890-45ab-90c86833e-da745b-90c8338-da78745-90c833f-da787-45ab-90c8333-da787-45ab-90c8333-da787-45ab-90c8338-da787-45ab 608D92BB0D6AE811B5E8875D16ADB4BD2018-06-07T10: 16: 25 + 05: 30 Adobe Bridge CS6 (Windows) / метаданные конечный поток эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > поток xXɎ7WXH @ `S%` r * u {TDQ ޣ; 7 YG * 0 {gu% cIo? 77-u ր V8p & dI) r2; = (S2azk1)! Xk4N44 / k =! Cȓ} tK’Ml [!

    3.12: Расчеты энергоемкости и теплоемкости

    Цели обучения

    • Связать теплопередачу с изменением температуры.

    Тепло — знакомое проявление передачи энергии. Когда мы прикасаемся к горячему объекту, энергия перетекает от горячего объекта к нашим пальцам, и мы воспринимаем эту поступающую энергию как «горячий» объект. И наоборот, когда мы держим кубик льда в ладонях, энергия перетекает из руки в кубик льда, и мы воспринимаем эту потерю энергии как «холод».«В обоих случаях температура объекта отличается от температуры нашей руки, поэтому мы можем сделать вывод, что разница температур является основной причиной теплопередачи.

    Удельную теплоемкость вещества можно использовать для расчета изменения температуры, которому подвергнется данное вещество при нагревании или охлаждении. Уравнение, связывающее тепло \ (\ left (q \ right) \) с удельной теплоемкостью \ (\ left (c_p \ right) \), массой \ (\ left (m \ right) \) и изменением температуры \ (\ left (\ Delta T \ right) \) показан ниже.\text{o} \text{C} \right)\)»> 0.233

    Направление теплового потока не отображается в heat = mc Δ T . Если энергия поступает в объект, общая энергия объекта увеличивается, и значения тепла Δ T положительны. Если энергия исходит из объекта, общая энергия объекта уменьшается, а значения тепла и Δ T являются отрицательными.

    Пример \ (\ PageIndex {1} \)

    A \ (15.0 \: \ text {g} \) кусок металлического кадмия поглощает \ (134 \: \ text {J} \) тепла, поднимаясь из \ (24.\ text {o} \ text {C} \]

    Пример \ (\ PageIndex {2} \)

    Какое количество тепла передается при нагревании блока металлического железа весом 150,0 г с 25,0 ° C до 73,3 ° C? Какое направление теплового потока?

    Раствор

    Мы можем использовать heat = mc Δ T , чтобы определить количество тепла, но сначала нам нужно определить Δ T . Поскольку конечная температура утюга составляет 73,3 ° C, а начальная температура составляет 25,0 ° C, Δ T имеет следующий вид:

    Δ T = T конечный T начальный = 73.\ circ C) = 782 \: cal} \]

    Обратите внимание, как единицы измерения грамм и ° C отменяются алгебраически, оставляя только единицу калорий, которая является единицей тепла. Поскольку температура железа увеличивается, энергия (в виде тепла) должна переходить в металл .

    Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

    Какое количество тепла передается при охлаждении блока металлического алюминия массой 295,5 г с 128,0 ° C до 22,5 ° C? Какое направление теплового потока?

    Ответ
    Тепло уходит из алюминиевого блока.

    Пример \ (\ PageIndex {2} \)

    Образец красновато-коричневого металла массой 10,3 г выделил 71,7 кал тепла при снижении его температуры с 97,5 ° C до 22,0 ° C. Какова удельная теплоемкость металла? Можете ли вы идентифицировать металл по данным в Таблице \ (\ PageIndex {1} \)?

    Раствор

    Вопрос дает нам тепло, конечную и начальную температуры, а также массу образца. Значение Δ T составляет:

    Δ T = T конечный T начальный = 22.\ circ C)}} \)

    c = 0,0923 кал / г • ° C

    Это значение удельной теплоемкости очень близко к значению, приведенному для меди в таблице 7.3.

    Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

    10,7 г кристалла хлорида натрия (NaCl) имеет начальную температуру 37,0 ° C. Какова конечная температура кристалла, если на него было подано 147 кал тепла?

    Ответ

    Сводка

    Проиллюстрированы расчеты удельной теплоемкости.

    Материалы и авторство

    Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

    Накопление солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и устройств для аккумулирования тепла

    AE-89


    AE-89

    Университет Пердью

    Кооперативная служба расширения

    West Lafayette, IN 47907





    Стив Экхофф и Мартин Окос

    Департамент сельскохозяйственной инженерии
    Университет Пердью

    Содержание

    Вступление
    
    Типы материалов, используемых для хранения солнечного тепла
    
    Преимущества и недостатки различных материалов для хранения
    
    Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе
    
    Размер и тип горных пород, наиболее подходящих для хранения тепла
    
    Тип используемого теплоносителя
    
    Определение размера вашего складского помещения
    
    Расположение вашего хранилища
    
    Важность конфигурации хранилища (форма)
    
    Уменьшение необходимого объема хранения
    
    Предложения при покупке коммерческого накопителя тепла
    
    Связанные публикации
    
     

    Никому не нужно определять для рядового гражданина термин «энергия». хруст ».Наши ежемесячные счета за топливо и коммунальные услуги — постоянное напоминание о том, что стоимость уровня жизни Америки. А «эксперты» предупреждают, что кризис здесь, чтобы остаться.

    Из альтернатив традиционным формам энергии одна получение самого серьезного внимания — по крайней мере, для дома, фермы и небольших Потребности бизнеса в отоплении — это солнечная энергия. Сегодня много новых домов проектируются и строятся для размещения солнечного отопления системы. Различные типы переносных коллекторов и солнечного отопления пакеты конверсии легко доступны на розничном рынке.

    К сожалению, слишком многие перспективные пользователи солнечной энергии тоже мало информации о некоторых аспектах строительства или переоборудования к солнечной системе отопления. Одна область неадекватной или дезинформации в особенным (и дорогостоящим из-за того, что допускаются ошибки) является хранение собранная энергия. Таким образом, цель данной публикации — ответить на несколько основных вопросов о правильном выборе и использовании устройства хранения тепла.

    В публикацию включены обсуждения различных аккумуляторов тепла. материалы и средства массовой информации, и как выбрать «правильный»; размер, расположение и форма запоминающего устройства; и предложения по покупкам для такого устройства.Включены два рабочих листа (с примерами) — один для определение того, сколько тепла вам может понадобиться, а другой для выяснения того, насколько вы сможете сократить расходы за счет правильного изоляция. Перечисленные в конце этой публикации доступны Purdue Extension публикации, посвященные смежным аспектам солнечного отопления и энергосбережение.

    Какие материалы используются для хранения солнечного тепла и есть ли «лучший» один?

    Ряд материалов будет работать как носитель в доме, на ферме или системы солнечного отопления для малого бизнеса; но только три обычно рекомендуется в это время — камень, вода (или водно-антифризные смеси) и химическое вещество с фазовым переходом, называемое глауберовской солью.Эти материалы, наиболее последовательно соответствующие критериям выбора носитель информации, а именно способность (1) передавать тепло своему точки нанесения при желаемой температуре, и (2) сделать это дешево, исходя не столько из стоимости материала, сколько из стоимости самого общая система и ее обслуживание.

    Таким образом, не существует одного «лучшего» теплоаккумулирующего материала; а скорее каждый из трех имеет характеристики, которые могут сделать его наиболее желанным при определенных условиях.

    Каковы преимущества и недостатки каждого материала для хранения, и при каких условиях его можно будет использовать?

    Скалы

    В качестве материала для хранения камни дешевы и легко доступны, имеют хорошие характеристики теплопередачи с воздухом (теплоносителем) при низкие скорости и действуют как собственный теплообменник. Главный недостатками являются их высокое соотношение объема на единицу хранения по сравнению с вода и материалы с фазовым переходом (что означает больший запас тепла области), а также трудности с конденсацией воды и микробиологическим деятельность.Если точка росы поступающего в хранилище воздуха выше температуры породы, влага в воздухе конденсируется на камни. Влага и тепло в горном дне могут привести к возникновению микробов. рост.

    Каменное хранилище — самая надежная из трех систем хранения. из-за своей простоты. После того, как система установлена, обслуживание минимален, и некоторые вещи могут снизить производительность хранилища.

    Воздушные солнечные коллекторы обычно используются с каменными хранилищами. устройств.Поскольку воздухосборники дешевле и не требуют обслуживания чем жидкостные коллекторы, система, использующая каменные накопители и воздушные солнечные коллекторы кажется наиболее логичным вариантом для отопления жилых домов. Тем не мение, другие обстоятельства, такие как наличие дешевых материалов, ограниченное коллектор или место для хранения или несовместимость с существующим система отопления, может диктовать использование воды или фазового перехода устройство хранения материала. Помните, однако, что окончательный решающим фактором должны быть начальные затраты и затраты на обслуживание система.

    Обсуждается тип и размер горных пород, которые лучше всего хранят тепло. потом.

    Вода

    Вода в качестве материала для хранения имеет преимущества в том, что она недорогая. и легко доступны, имеют отличную теплопередачу характеристики и совместимость с существующей горячей водой системы. К его основным недостаткам можно отнести трудности с системой. коррозия и утечки, а также более дорогие строительные расходы.

    Благодаря хорошему соотношению теплоемкости к объему (в пять раз больше, чем камень) и большей эффективности жидкостных солнечных коллекторов, Системы сбора и хранения жидкостей могут быть очень практичными: (1) где доступно тщательное техническое обслуживание (например, в многоквартирных домах или промышленных зданий), (2) где конечным использованием является горячая вода (например, как в молочном сарае или на предприятии пищевой промышленности), или (3) где система хранения воды может быть напрямую соединена с существующим отоплением система как в жилом водонагревателе плинтус отопления.

    Вместо камня можно также рассмотреть систему хранения воды. хранение в ситуациях, когда пространство ограничено. Бак для воды может легко закапывать под землю для экономии места.

    Материалы с фазовым переходом (PCM)

    Глауберова соль вещества с фазовым переходом из-за низкого содержания объема на хранящуюся БТЕ, требует только 1/8 пространства камней и 2/5 пространство воды для сопоставимого хранения тепла (см. рисунок 1).Это также поглощает и отдает большую часть тепла при постоянном температура. Недостатки глауберовской соли, по крайней мере, на данный момент, его стоимость относительно камня и воды, а также различные технические проблемы (например, проблемы с упаковкой из-за плохого теплового проводимость и ее коррозионный характер). Такие проблемы нужно разрешается до того, как можно будет гарантировать надежность PCM.

    Рисунок 1. Сравнительные объемы для того же количества аккумуляторов тепла. с использованием трех разных материалов для хранения.

    Материалы с фазовым переходом обычно используются в ситуациях, когда существуют ограничения по пространству. Часто стоимость дополнительного места в новый дом для каменного хранилища будет больше, чем добавленная стоимость о покупке ПКМ, такого как глауберова соль. Эти материалы также очень желательно, если ставка делается на поддержание постоянного температура. Жилые помещения, отапливаемые PCM, часто более комфортны, так как температура воздуха в хранилище более равномерная, пока разрядка.

    Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе?

    PCM — это химические вещества, которые претерпевают твердое-жидкое переход при температурах в желаемом диапазоне нагрева целей. В процессе перехода материал поглощает энергию поскольку он переходит из твердого состояния в жидкость и высвобождает энергию по мере продвижения обратно в твердое состояние. Что делает PCM желательным для хранения тепла, так это его способность удерживать одновременно очень разное количество энергии температура.

    Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фазовые изменения, которые происходят с водой. Если вода помещается в морозильную камеру, тепло отводится из нее хладагент, пока он не станет льдом. Если затем поместить лед в жидкость при комнатной температуре, она тает, поскольку поглощает энергию из этого окружающая жидкость. Количество поглощенного тепла составляет около 143 БТЕ на фунт, что означает, что фунт льда может охладить фунт воды от От 175 ° F до 32 ° F, в то время как само по себе только меняет форму (т.е., от льда при 32 ° до воды при 32 °).

    В настоящее время изучаются потенциальные теплоаккумулирующие материалы на минимум дюжина химических соединений, которые изменяют фазу при температуре в пределах полезного диапазона для отопления помещений. Однако на данный момент продается только глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) коммерчески. Соль Глаубера меняет фазы при 90 ° F и имеет 108 БТЕ на фунт «скрытого тепла» (количество поглощенного или выделенного тепла во время смены фазы).Из-за высокой скрытой теплоты глауберова соль требует меньшего объема хранения, чем камень или вода; что могло означает более низкую стоимость складских помещений и больше полезного пространства в доме чтобы компенсировать относительно высокую стоимость материала.

    У PCM есть некоторые химические свойства, которые могут вызывать проблемы при нагревании. хранение и передача; но большинство из них были преодолены или преодолеваются. Один что PCM имеют тенденцию к переохлаждению при отводе тепла. Это означает, что, вместо того, чтобы отдавать скрытую теплоту при температуре фазового перехода, солевые PCM могут оставаться в жидком состоянии до тех пор, пока они не упадут, возможно, до 15-30 ° ниже этой температуры.Для борьбы с этим сверхохлаждением »по Глауберу соль, около 3 процентов химического вещества, декагидрат тетрабората натрия, добавляется, чтобы вызвать фазовый переход при надлежащей температуре.

    Еще одна проблема с солевыми ПКМ — это неконгруэнтное плавление, что происходит, когда соль частично нерастворима в воде кристаллизация. В случае глауберовской соли при ее плавлении температуре около 15 процентов сульфата натрия остается в нерастворимая безводная форма.Будучи вдвое более плотным, чем насыщенный раствор, безводный осаждается и не перекристаллизовывается при тепло отводится. Чтобы предотвратить это, используется загуститель, чтобы сохранить водный раствор в суспензии, пока он не превратится в кристалл структура при отводе тепла.

    Способность аккумулировать тепло снизится со 108 до примерно 60 БТЕ на фунт по мере оседания безводного. В настоящее время лучшее загущение Используемым агентом является аттапульгитовая глина, которая при добавлении к глауберовской соль в количестве 7-10 процентов, препятствует оседанию безводный и не разлагается со временем.

    Примечание : Остерегайтесь смесей, содержащих целлюлозу, крахмал, опилки, силикагель, диоксид кремния и т. д. Эти типы загустителей хорошо подходят для некоторое время, но в конечном итоге либо гидролизуются солью, либо разлагается бактериями и становится неэффективным. Имея дело с уважаемая компания должна устранить некоторые из этих опасений. Не позволяйте продавец продаст вам «секретный» загуститель; если бы это было хорошо он был бы запатентован, и не было бы необходимости в секретах.)

    Если в качестве материала для хранения используется камень, какой размер и тип лучше всего подойдут?

    Хотя размер выбранной породы будет определяться в первую очередь стоимость, как правило, чем больше размер, тем лучше для хранения целей. Основная причина в том, что требуется меньше энергии, чтобы заставить теплопередача воздуха через большие камни, чем через маленькие. Горные породы менее дюйма в диаметре обычно слишком малы; тогда как еще более 4-6 дюймов в диаметре слишком велики из-за недостаточного площадь поверхности теплопередачи.

    Собирая камень для хранения, ищите округлое поле. камни диаметром от 4 до 6 дюймов. При коммерческой покупке у каменный карьер, самый крупный из имеющихся, вероятно, «септический» гравий », диаметр которого составляет 1–3 дюйма. Но не переусердствуйте. озабочен размером; соглашайтесь на 2-дюймовый септический гравий, если у вас есть платить больше за камень большего размера. Если есть, старый кирпич дома хороший материал для хранения при штабелировании для обеспечения циркуляции воздуха.

    Вероятно, более важным, чем размер камня, является его однородность. Если слишком много вариаций, более мелкие камни заполнят пустоты между более крупными камнями, тем самым увеличивая мощность воздуходувки требование. Кроме того, избегайте камней, которые имеют тенденцию к масштабированию и чешуйки, например известняк. Образовавшаяся «пыль» улавливается воздух, передающий тепло, и либо засоряет фильтры печи, либо, если печь обходится, выдувается прямо в зону нагрева.

    Поскольку воздух необходимо продувать через каменное дно, необходимо знать необходимое количество энергии. В общем, чем быстрее поток воздуха и / или чем меньше размер камня, тем больше потребляемая мощность.

    Например, скорость воздуха 50 футов в минуту через 10-футовый слой 1-дюймовой породы имеет перепад давления около 1 дюйма. вода (статическое давление). Снижение скорости до 30 футов в минуту сократит падение давления до 1/2 дюйма водяного столба.Падение давления по всей системе (т. е. коллектор, платформа для хранения и воздуховоды) должно быть не более 3-4 дюймов водяного столба (статическое давление).

    Перед заполнением хранилища рассмотрите возможность мытья или проверки. из «штрафов», которые в противном случае могли бы заполнить пустоты. Каменное хранилище должен позволять отвод скопившейся влаги. Также, рассмотреть способы предотвращения роста плесени и бактерий, одним из которых является поддержание высокой температуры хранения даже в периоды малой нагрузки.

    Какой тип теплоносителя мне следует использовать?

    Средствами переноса, наиболее часто используемыми в системах солнечного отопления, являются: воздушные, водяные и водо-антифризные смеси. Какой из них вам следует использовать вполне может быть продиктовано типом выбранного материала для хранения. Для Например, для хранения горных пород в качестве среды передачи требуется воздух; вода или хранилища воды-антифриза используют ту же жидкость для передачи тепла; PCM хранилище. с другой стороны, использовал бы воздух или жидкость, в зависимости от типа теплообменника.

    Многие из первых домов, построенных на солнечной энергии, использовали водные коллекторы. с накоплением воды из-за преимуществ повышенной эффективности и уменьшенного размера. Однако в настоящее время солнечные системы отопления, использующие воздух в качестве средства переноса рекомендуется для домашнего использования. Один причина — меньшая вероятность повреждения; неисправная система передачи воздуха почти не вызовет проблем, связанных с протекающей или замерзшей водой. система будет. Кроме того, воздуховоды и воздуховоды обычно дешевле и требуют меньшего обслуживания.До более надежной и «отказоустойчивой» жидкости. системы разрабатываются, воздух, вероятно, по-прежнему будет рекомендован теплоноситель для домашнего солнечного отопления.

    Насколько большим должен быть мой накопитель солнечного тепла?

    Необходимый объем хранилища зависит от четырех факторов: (1) нагрев потребность отапливаемой площади, (2) дня резерва хранения желаемый, (3) температурный диапазон, в котором сохраняется тепло, и (4) тип используемого материала для хранения.Ниже приводится краткое обсуждение каждого коэффициент и рабочий лист I (с примером) для расчета необходимого тепла емкость хранилища с использованием различных материалов для хранения.

    Требование тепла — это количество тепла, необходимое для поддержания желаемого температура в доме или другом здании. Это равно сумме тепла, которое конструкция теряет в окружающую среду через стены и кровля за счет теплопроводности и конвекции. Эта потеря тепла может быть оценивается по простым уравнениям, найденным в большинстве тепловых переводные книги (см. Связанные публикации на стр. 9) или часто газ и Представители теплотехнической компании примут такие решения, как услуга.

    Запас хранения — это количество тепла, необходимое, если энергия не может быть собираются в течение заданного количества дней. Хотя и весьма изменчивый, сумма резерва, обычно планируемая для солнечного отопления дома при настоящее время от 3 до 5 дней.

    Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло — разница между максимальной температурой полки для хранения при заполнении и минимальная температура, для которой должен быть теплоноситель обогрев.В домах, отапливаемых солнечными батареями, максимальная температура «кровати», вероятно, будет ниже. быть 130-150 ° F, в зависимости от используемого коллектора; тогда как минимум температура передачи составляет около 75-80 ° F, если предположить, что желаемая комната температура 70 ° F. Таким образом. хороший показатель «температурный диапазон» до использование в расчетах объема хранилища будет 50 ° F (130 ° — 80 °) (Имеется тенденция к максимально возможному сохранению тепла. температура для минимизации размера хранилища; но как температура от коллектора повышается, КПД падает).

    Теплоаккумуляторы отличаются определенными характеристиками, которые также необходимо учитывать при определении емкости хранилища. В таблице 1 перечислены насыпная плотность, удельная теплоемкость (теплоемкость) и скрытая теплота три распространенных материала для хранения солнечного тепла — камень, вода и глауберовский поваренная соль. На рисунке 1 показан сравнительный объем каждого материала для такое же количество аккумулированного тепла, на основе примера на Рабочем листе I.

    Таблица 1.Характеристики хранения тепла трех обычных солнечных источников тепла Материалы для хранения.

      Накопительный материал Объемная плотность Удельная теплоемкость Скрытая теплота 
    -------------------------------------------------- --------------------------
    Камень 100 фунтов / куб. Фут. 0,2 БТЕ / фунт ° F ---------------
    
    Вода 62,4 фунта / куб. Фут. 1 БТЕ / фунт ° F ---------------
    
    Глауберова соль 56 фунтов / куб. Фут. 0,5 БТЕ / фунт.° F 108 БТЕ / фунт. при 90 ° F
    (фазовый переход (включая нагрев ниже 90 ° F
    температура, 90 ° F) теплообменник) 0,8 БТЕ / фунт ° F
                                             выше 90 ° F
    -------------------------------------------------- ---------------------------
     

    Рабочий лист 1. Расчет необходимого объема накопления солнечного тепла

    Пример: предположим, что вашему дому требуется отопление (расчетное количество тепла потери) 15000 БТЕ в час, и вы хотите, чтобы ваша солнечная система отопления иметь 3-дневный резерв хранения.Каким будет ваше необходимое хранилище емкость с использованием камня, воды или глауберовской соли в качестве материала для хранения?

                                                                                           Наш Ваш
                          Ситуация с позициями и расчетами
    
    
    1. Требуемый объем при использовании ROCK в качестве носителя.
    
       а. Потребность в отоплении здания: Расчетные потери тепла (см. Обсуждение выше).= 15 000 БТЕ / час ___________
    
       б. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки ___________
    
       c. Желаемый резерв хранения: в среднем 3-5 дней (см. Обсуждение выше). = 3 дня ___________
    
       d. Общее необходимое тепло: Шаг 1.a (15000 БТЕ / час) x Шаг 1.b (24 часа / день) x Шаг 1.c
          (3 дня). = 1 080 000 БТЕ ___________
    
       е.Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 100 фунтов / куб.фут ___________
    
       f. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1. = 0,2 БТЕ / фунт ° F ___________
    
       грамм. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: в среднем 50-75 ° F (см.
          обсуждение выше). = 50 ° F -----------
    
       час Нагрев на кубический фут материала для хранения: Шаг 1.e (100 фунтов / куб.фут) x Шаг 1.f.
          (0,2 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 1.g (50 ° F). = 1000 БТЕ / куб. Фут ___________
    
       я. Требуемый объем хранилища с использованием камня: Шаг 1.d (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 1.h
          (1000 БТЕ / куб. Фут). = 1080 куб. Футов ____________
    
    2. Требуемый объем при использовании ВОДЫ в качестве носителя.
    
       а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 куб. Футов ___________
    
       б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1.= 62,4 фунта / куб. Фут ___________
    
       c. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из Таблицы 1. = 1 БТЕ / фунт ° F ___________
    
       d. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: То же, что и в шаге 1.g. = 50 ° F ___________
    
       е. Тепло на куб. футов материала для хранения: Шаг 2.b (62,4 фунта / куб. фут) x Шаг 2.c
    (1 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 2.d (50 ° F). = 3120 БТЕ / куб. Фут __________
    
       f. Требуемый объем хранения с использованием воды: Шаг 2.a (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 2. e
          (3120 БТЕ / куб. Фут.). = 346 куб. Футов ___________
    
    3. Требуемый объем при использовании СОЛИ ГЛАУБЕРА в качестве носителя информации.
    
       а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 БТЕ ___________
    
       б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 56 фунтов / куб.фут ___________
    
       c Скрытая теплота аккумулирующего материала: из таблицы 1.= 108 БТЕ / фунт ___________
    
       d. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1.
    
                                * Температура выше фазового перехода = 0,8 БТЕ / фунт ° F ___________
                                ** Температура ниже фазового перехода = 0,5 БТЕ / фунт ° F ___________
    
       е. Разница температур между фазовым переходом (90 ° F) и хранением
          максимум (130 ° F) и минимум (80 ° F): см. обсуждение температурного диапазона
          выше.* Разница температур выше фазового перехода = 40 ° F ___________
                                        ** Разница температур ниже фазового перехода = 10 ° F ___________
    
      f. Нагрев на фунт материала для хранения: Шаг 3.c + (Шаг 3.d * x Шаг 3.e *) + (Шаг 3.d **
         x Шаг 3.e **). Пример: 108 БТЕ / фунт. + (0,8 БТЕ / фунт ° F x 40 ° F) + (0,5 БТЕ / фунт ° F x
         10F) = 108 БТЕ / фунт.+ 32 БТЕ / фунт. + 5 БТЕ / фунт. = 145 БТЕ / фунт ___________
    
      грамм. Нагрев на куб. футов материала для хранения: Шаг 3.b (56 фунтов / куб. фут) x
         Шаг 3.f (145 БТЕ / фунт). = 8120 БТЕ / куб. Фут ___________
    
      час Требуемый объем хранилища с использованием глауберовской соли: Шаг 3.a (1 080 000 БТЕ) ÷
         Шаг 3.g (8120 БТЕ / куб. Фут.). = 133 куб. Футов ___________
    
     

    Где должен быть мой солнечный накопитель тепла?

    Как правило, для отопления жилых помещений содержится в самом доме.Так как это тяжело. самый лучший расположение в подвале или на нижнем уровне — и на бетоне. нет деревянные опорные элементы. Внутреннее хранилище должно иметь некоторая изоляция, особенно если хранилище заряжается во время лето. Однако его не нужно изолировать так сильно, как снаружи. хранение, так как тепловые потери идут непосредственно на отопление дома.

    Хранилище также может быть расположено снаружи дома либо в на земле или в неотапливаемом здании.при условии, что он хорошо изолирован. Сухой, хорошо дренированная почва действует как подходящая изоляция в хранилище похоронен снаружи; подземное хранилище также обеспечивает более удобную жизнь место в доме.

    Важна ли форма теплонакопителя?

    Важность конфигурации хранилища зависит от используемый материал для хранения. Хранилища жидкостей обычно хранятся в одиночный большой танк. Использование нескольких резервуаров меньшего размера позволит максимизация температуры в меньшем объеме, вместо того, чтобы нагрейте весь объем одного резервуара.Однако из-за стоимости нескольких резервуаров и связанных с ними проблем с клапанами, а также потому, что значительная вертикальная температурная стратификация в воде бак, рекомендуемая процедура — использовать один бак и взлетать вода вверху, где она наиболее теплая.

    Эффективность склада очень зависит от конфигурация. Основная проблема при проектировании хранилища горных пород сводит к минимуму падение давления в воздушном потоке через хранилище.В как правило, чем короче расстояние, которое должен пройти воздух, и тем ниже расход воздуха, тем меньше будет перепад давления.

    Минимальная длина, необходимая для адекватной теплопередачи внутри накопление зависит от расхода воздуха, коэффициента теплопередачи воздуха к рок, и площадь поперечного сечения. При нормальных условиях эксплуатации эта минимальная длина довольно мала. Следовательно, чем короче хранилище может быть (в пределах разумного), чем ниже эксплуатационные Стоимость.Как правило, скорость воздушного потока 20-30 футов в минуту невысока. желательно. Площадь хранения можно приблизительно определить, разделив общий расход воздуха из коллектора (в кубических расходах в минуту) от скорость (в футах в минуту).

    Хотя воздух можно продувать через пласт в горизонтальном направлении, эффективная система предназначена для вертикального воздушного потока. Горячий воздух из коллектора выдувается сверху, а холодный воздух возвращается обратно к коллектору снизу.Когда требуется тепло для нагрева в комнате воздушный поток меняется на противоположный.

    Может ли дополнительная изоляция уменьшить требуемый объем хранения (и стоимость)?

    Поскольку потребность здания в отоплении определяет количество солнечной энергии. тепло, которое необходимо собирать и хранить, снижение этого требования приведет к также уменьшите площадь коллектора и емкость хранилища нужный. Обычно самый дешевый способ уменьшить теплопотери — это правильная изоляция. Фактически, деньги, сэкономленные за счет меньшего объема хранилища площадь, складские материалы и площадь коллектора зачастую больше, чем окупается дополнительная изоляция.

    Насколько добавление изоляции может снизить стоимость система солнечного отопления зависит от ряда факторов, таких как структурная прочность здания, существующий уровень теплоизоляции, тепло материал для хранения и т. д. Но можно сэкономить важно, как показывает пример на Рабочем листе II. Используйте рабочий лист для определения требований к отоплению и последующему сбору-хранению объем системы и стоимость при текущем уровне изоляции, а затем на «должных» уровнях.Как правило, хранилище следует изолировать от значение R-11, если в отапливаемой зоне, и R-30, если в неотапливаемой зоне. площадь.

    На что следует обратить внимание или о чем спросить при покупке коммерческого отопления накопитель?

    Если прогнозируемый строительный «бум», связанный с солнечной энергией, действительно становится реальностью, наверняка возникнут какие-то однодневки компании, которые попытаются воспользоваться «невежеством потребителей» относительно систем хранения солнечного тепла и материалов.Защищать себя из этих фирм, а также иметь основу для мудрых вариантов, следуйте этой предложенной процедуре:

      1. Остерегайтесь систем «черного ящика». Знайте, что в системе и как он действует.
      2. Если вы не знакомы с компанией, проверьте ее через Better Бизнес-бюро или аналогичная организация.
      3. Свяжитесь с кем-нибудь, у кого уже есть один из устройства хранения данных; они могут многое рассказать о типе выступления ожидать.Будьте очень осторожны, если продавец не может или не даст вам клиенты, чтобы связаться.
      4. Получите письменные претензии компании перед покупкой система. Также получите их, чтобы гарантировать заданный уровень производительности и замените все неисправные детали.
      5. Попросите показать проектные расчеты системы и ознакомьтесь с ними использование имеющихся справочных материалов или получение помощи от вашего округа Дополнительный офис.
      6. Если система требует использования теплоаккумулирующего материала, например рок, рассчитайте его стоимость, если бы вы купили его сами.Это будет дать вам представление об объеме затрат на оплату труда и рекламных затрат. в сделке.
      7. Если система требует предварительно упакованных PCM. попросить посмотреть данные компании, подтверждающие заявления о тепловой мощности, скрытой теплоте и ожидаемый срок полезного использования. Помните, что заявления о том, сколько раз Материал для хранения ПКМ не так важен, как количество тепло поглощается и выделяется в каждом цикле. Если безводная соль держится оседая, эффективность хранилища со временем снижается, но PCM будет продолжать цикл (на уровне 60 БТЕ на фунт вместо 108 БТЕ).

    Публикации по теме

    Единичные копии следующих публикаций Purdue Extension доступны вопросы солнечного отопления и энергосбережения жителям Индианы из их окружного офиса или написав в Центр распространения СМИ, 301 South Second Street, Лафайет, Индиана, 47901–1232.

    Солнечное отопление для дома, фермы и малого бизнеса (AE-88)


    Рабочий лист II. Определение эффекта дополнительной изоляции


    по объему и стоимости теплоаккумулятора и коллектора

    Пример: типичный квадратный двухэтажный дом.с площадью поверхности крыши 1267 квадратных футов и площадь стены 2400 квадратных футов должны быть солнечное отопление. В настоящее время он имеет только 6 дюймов изоляции. стекловолокно (значение проводимости 0,053 БТЕ / час — ° F-кв. фут. в крыше и 1 дюйм древесноволокнистой плиты (значение проводимости 0,33 БТЕ / час- ° F-кв. фут) в стены. Внутренняя температура будет поддерживаться на уровне 70 ° F: ожидается внешняя низкая температура составляет 10 ° F. Должен ли владелец оформить воздух коллектор и глауберова система хранения соли для дома потребность в отоплении.или стоит добавить еще 6 дюймов изоляция в крыше и 3 1/2 дюйма в стенах?

                                                                                    Наш Ваш
               Ситуация с позициями и расчетами
    
    1.Требования к отоплению здания с существующей изоляцией.
    
       а. Разница между внутренней и внешней температурой: из примера выше
            (70 ° F - 10 ° F).= 60 ° F _____________
    
       б. Площади кровли и стен; Из примера выше.
    * Корневая площадь = 1267 кв.футов _____________
    ** площадь стен = 2400 кв. футов _____________
    
       c. Значение проводимости для данного типа и толщины изоляции:
          Обратитесь к дилеру строительных материалов. (Пример: крыша, 6 дюймов.
          стекловолокно; стена, ДВП толщиной 1 дюйм).
                                                            * Утеплитель крыши =.053 БТЕ / ч
    ° F-кв.фут _____________
                                                            ** Изоляция стен = 0,33 БТЕ / ч.
    ° F-кв.фут _____________
    
       d. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
          x Шаг 1.c * (0,053 - БТЕ / ч- ° F-кв.фут). = 4029 БТЕ / час ______________
    
       е. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (2400 квадратных футов) x
          Шаг 1.c ** (0,33 БТЕ / ч.- ° F-кв.фут). = 47 520 БТЕ / час ______________
    
      е. Общая текущая потребность в тепле: Шаг 1.d (4029 БТЕ / час) + Шаг 1.e
        (47 520 БТЕ / час). = 51 549 БТЕ / час ______________
    
    2. количество и стоимость складских материалов для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.
    
      а. Часы в день: 24. = 24 часа в день _____________
    
      б. Желаемый запас аккумулирования тепла: Сред. 3-5 дней. = 3 дня _____________
    
      c.Теплоемкость накопительного материала: для глауберовской соли,
         см. Рабочий лист I, Шаг 3.f
    
      d. Стоимость единицы складского материала: уточняйте у поставщика. = 0,25 доллара США / фунт _____________
     
      е. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c.
         Пример: (51549 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня) ÷ 145 БТЕ / фунт.
         = 3,711,526 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт. = 25 597 фунтов _____________
    
      е. Общая стоимость необходимых складских материалов: Шаг 2.е. (25 597 фунтов) x Шаг 2.d
        (0,25 доллара США за фунт). = 6399 долларов США ______________
    
    3. Размер и стоимость коллектора для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.
    
       а. Желаемая способность к накоплению потребности в отоплении: в среднем 2 дня. = 2 дня ______________
    
       б. Уровень радиации для коллектора: уточните у поставщика. = 1000 БТЕ / кв.фут ______________
    
       c. Стоимость коллектора за квадратный фут: уточняйте у поставщика.= $ 1,00 / кв.фут ______________
    
       d. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
          Пример: (51549 БТЕ / час x 24 ч / день x 2 дня) ÷ 1000 БТЕ / кв.фут
          = 2,474,352 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 2474 кв. Фута ______________
    
       е. Общая стоимость коллектора: Шаг 3.d (2474 кв. Фута) x
           Шаг 3.c (1,00 долл. / Кв. Фут). = 2474 доллара США ______________
    
    4.Потребность в отоплении здания с дополнительной изоляцией
    
      а. Текущее значение проводимости + дополнительная изоляция: Шаг 1.c + добавлено
         изоляция. (Пример: крыша 6 из стекловолокна + пенополистирол 6 дюймов; стена 1 дюйм.
         ДВП + 3-1 / 2 дюйма, пенополистирол
                                                   * Изоляция корня = 0,026 БТЕ / ч- ______________
    ° F-кв.фут
    ** Изоляция стен = 0,071 БТЕ / ч- ______________
    ° F-кв.футов
                               
      б. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F. X Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
         x Шаг 4.a * (0,026 БТЕ / ч- ° F-кв.фут) = 1977 БТЕ / ч ______________
    
      c. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b ** (2400 кв. Футов)
         x Шаг 4.a ** (0,071 БТЕ / ч) - ° F-кв.фут). = 10224 БТЕ / час ______________
    
      d. Общая потребность в отоплении с дополнительной изоляцией: Шаг 4.b (1977 БТЕ / час) +
          Шаг 4.c (10224 БТЕ / час) = 12 201 БТЕ / час _____________
    
    5. Количество и стоимость складского материала для обеспечения «дополнительной изоляции».
      потребность в отоплении
    
      а. Общий объем необходимого для хранения материала: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c
         Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня ÷ 145 БТЕ / кв.фут =
         878 472 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт = 6058 фунтов _____________
    
      б. Общая стоимость необходимых складских материалов:
         Шаг 5.a (6058 фунтов) x Шаг 2.d (0,25 доллара США / фунт) = 1515 долларов США _____________
    
    6. Размер и стоимость коллектора с учетом «дополнительной теплоизоляции» отопления.
      требование
    
      а. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
         Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа / день x 2 дня) - 1000 БТЕ / кв. Фут. знак равно
         585648 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 586 кв. Футов ______________
    
      б. Общая стоимость коллектора:
           Шаг 6.а. (586 кв. Футов) x Шаг 3.c (1,00 долл. США / кв. Фут). = 586 долларов США ______________
    
    7. Экономия затрат на тепловую систему за счет добавления теплоизоляции.
    
      а. Удельная стоимость изоляции: уточняйте у поставщика. Пример: 6 дюймов и 3-1 / 2 дюйма.
        коврики.
    * 6 дюймов коврики = $ 0,20 / кв.фут ______________
    ** 3-1 / 2 дюйма = 0,12 доллара США / кв.фут ______________
                                                
      б. Стоимость дополнительной изоляции: (Шаг 1.b * x Шаг 7.a *) + (Шаг 1.b ** x Шаг 7.а **).
         Пример: (1267 кв. Футов x 0,20 $ / кв. Фут) + (2400 кв. Футов x 0,12 $ / кв. Фут)
         = 253 + 288 долларов. = 541 доллар США ______________
    
      c. Общая стоимость тепловой системы с существующей изоляцией: Шаг 2.f (6399 долларов США) + Шаг 3.e
        (2474 доллара США). = 8823 долл. США ______________
    
      d. Общая стоимость тепловой системы с дополнительной изоляцией: Шаг 5.b (1515 долларов США) + Шаг 6.b
          (586 долларов США) + Шаг 7.b (541 доллар США). = 2642 доллара США ______________
    
      е.«Экономия» за счет изоляции: Шаг 7.c (8873 долл. США) -
           Шаг 7.d (2642 доллара США). = 6231 долл. США ______________
    
     

    Новое 9/78

    Кооперативная консультативная работа в сельском хозяйстве и домохозяйстве, состояние Индиана, Университет Пердью и Министерство сельского хозяйства США. Сотрудничество; Х.А. Уодсворт, директор, West Lafayette, IN. Выдается в исполнение актов 8 мая и 30 июня 1914 г.Кооператив Служба распространения знаний Университета Пердью — это позитивное действие / равное возможность учреждения.

    Стандартные материалы для кухонной посуды — оборудование и снаряжение

    Выбор кастрюль и сковородок может быть сложной задачей. Форма варочной поверхности и ручки (ов), материалы, использованные при ее изготовлении, предполагаемое назначение посуды и ее гибкость в использовании на кухне — все это важные факторы при выборе посуды. Понимание используемых материалов — хороший первый шаг к пониманию того, как работает посуда и какие факторы могут иметь значение для вашего стиля приготовления.

    Основные принципы
    Посуда предназначена для передачи энергии ингредиентам. В Америке энергия поступает в основном в двух формах: сжигание природного газа или пропана и удельное электрическое сопротивление. В обоих методах источник тепла распределяется по сковороде неравномерно. В газовой плите газ выходит через равные промежутки времени и образует кольцо из отдельных пламен. Нагревательные элементы электрической плиты спроектированы таким образом, чтобы охватить как можно большую площадь, но все же имеют узор (обычно спираль), где нет тепла.Поскольку тепло подается неравномерно, повар должен знать об этом и компенсировать это либо техникой приготовления, либо посудой.

    Высококачественная посуда должна быть не только долговечной, но и потреблять энергию от источника тепла и эффективно передавать ее ингредиентам. На эту возможность влияет несколько факторов. Двумя наиболее важными факторами являются теплопроводность и теплоемкость. Почти все дискуссии о материалах, используемых в посуде, сосредоточены на этих двух факторах.

    Теплопроводность
    Короче говоря, теплопроводность материала — это то, насколько легко этот материал поглощает и передает (выделяет) энергию. Когда огонь или нагревательный элемент плиты касается сковороды, энергия от источника тепла передается на сковороду. Это увеличивает внутреннюю кинетическую энергию сковороды (обычно называемую «разогревом»). Затем нагретый материал передает энергию соседним материалам, которые находятся на более низком уровне средней молекулярной кинетической энергии (при более низкой температуре, чем у материала).Чем выше теплопроводность материала, тем быстрее он нагревается, а также тем быстрее нагретая область распространяется на неотапливаемые участки того же куска материала.

    Например, если мы поместим большой лист нержавеющей стали (довольно низкая теплопроводность для готовых материалов) на горелку и включим горелку, область непосредственно под горелкой станет горячей, в то время как остальная часть листа будет медленно нагреваться. вверх. Горелка быстро отдает тепло только области стали, расположенной непосредственно над ней.Остальная часть сковороды нагревается за счет теплопроводности этого места. Когда внешние края листа нагреются до высокой температуры, место непосредственно над горелкой станет очень горячим. На рисунке ниже показан пример температуры стального листа над газовой горелкой. Самые горячие участки показаны белым, горячие — красным, а холодные — синим.

    Одно из решений этой проблемы — сделать лист толще. При нагревании толстого куска стали (вместо тонкого листа) нижняя поверхность стали не имеет такого же температурного режима, как верхняя поверхность.Поскольку верхняя поверхность находится на большем расстоянии от нагревательного элемента, энергия должна проходить снизу вверх (точно так же, как энергия проводится наружу). В этом случае верхняя поверхность стали нагревается более равномерно. На рисунке ниже показан толстый стальной лист после того, как он был нарезан, так что центр переднего края находится там, где тепло горелки касается нижней части листа. Горячее пятно (белое) уменьшается к тому времени, когда тепло переходит к верхней поверхности листа. Там, где лист нагревается, температура теперь более равномерная, но у нас по-прежнему неравномерное нагревание с этим материалом.

    По этой причине, чем толще сталь, тем меньше колебания температуры на верхней поверхности. К сожалению, низкая теплопроводность означает, что нижней части стали необходимо передать много энергии, чтобы она стала горячей. Таким образом, сковороде из материала с низкой теплопроводностью потребуется больше времени для достижения температуры приготовления. Фактически, материалы с низкой теплопроводностью дольше реагируют на любое изменение температуры, поэтому тепловая реакция сковороды также будет медленной.(Температурный отклик — это то, насколько быстро температура поверхности сковороды реагирует, когда мы увеличиваем или уменьшаем пламя конфорки.)

    В большинстве случаев приготовления пищи желательно, чтобы посуда быстро нагревалась, чтобы не возникали горячие точки, и чтобы она не реагировала на изменения, которые мы вносим в регуляторы диапазона. Материалы с высокой теплопроводностью удовлетворяют наши потребности, потому что они быстро передают тепло, что приводит к быстрой реакции на тепловые изменения и равномерному распределению внутренней кинетической энергии.

    Вот список некоторых распространенных материалов, используемых в посуде, и их соответствующая теплопроводность:

    Материал Теплопроводность
    Медь 401 Вт / м * K
    Алюминий 237 237 Вт / м * K
    Чугун 80 Вт / м * K
    Углеродистая сталь 51 Вт / м * K
    Нержавеющая сталь 16 Вт / м * K

    Теплоемкость
    Количество внутренней кинетической энергии, хранящейся в материале, можно назвать его теплоемкостью.Это не то же самое, что температура, которая представляет собой среднюю молекулярную кинетическую энергию в материале. Например, килограмм воды при температуре 100 ° F содержит больше энергии, чем килограмм стали при температуре 100 ° F. В то время как теплопроводность описывает способность материалов поглощать энергию, теплоемкость — это количество энергии, необходимое для повышения или понижения температуры материала. Молекулярный состав некоторых материалов таков, что по мере того, как они поглощают энергию, большая часть ее преобразуется в потенциальную энергию, и лишь небольшое количество увеличивает молекулярную кинетическую энергию (распространенным примером является вода).Другие материалы, такие как большинство металлов, легко увеличивают свою молекулярную кинетическую энергию и не хранят большую часть поглощенной энергии в качестве потенциальной энергии. Теплоемкость материала пропорциональна его массе. Итак, кусок стали весом 2 кг имеет вдвое большую теплоемкость, чем кусок стали весом 1 кг (имеет смысл, не так ли?).

    Это означает, что посуда, изготовленная из материалов с высокой теплоемкостью, нагревается дольше, но при этом в ней накапливается значительное количество энергии, когда она горячая.Когда энергия выводится из материала, температура материала будет медленно снижаться по сравнению с материалами с низкой теплоемкостью. Чугун часто называют примером материала посуды с высокой теплоемкостью. Удельная теплоемкость (теплоемкость материала для данной массы) чугуна составляет половину удельной теплоемкости алюминия, но поскольку чугунная посуда обычно в несколько раз превышает массу алюминиевой посуды, она имеет гораздо более высокую теплоемкость.

    Толщина металлов, используемых при изготовлении посуды, часто указывается производителем (например, алюминий 3 мм), но поскольку теплоемкость является функцией массы материала, плотность должна быть известна для сравнения посуды. из разных материалов.

    Материал Удельная теплоемкость Плотность
    Алюминий 910 Дж / кг * K 2600 кг / м 3
    Нержавеющая сталь 500 Дж / кг 7500-8000 кг / м 3
    Углеродистая сталь 500 Дж / кг * K 7500-8000 кг / м 3
    Чугун 460 Дж / кг * K 7900 кг / м 3
    Медь 390 Дж / кг * K 8900 кг / м 3

    Глядя на таблицу выше, если умножить удельную теплоемкость на плотность, вы получите находят, что теплоемкость на единицу объема стали, чугуна и меди составляет около 1.В 5 раз больше алюминия. Это означает, что для достижения такой же теплоемкости в алюминиевом противне, как и в сковороде из нержавеющей стали, толщина алюминиевого сковороды должна быть в 1,5 раза (при условии, что другие размеры сковороды такие же).

    Собираем вместе: температуропроводность
    Если вы обратили внимание, то поймете, что я ввел вас в заблуждение, когда обсуждал теплопроводность. Сама по себе теплопроводность не определяет, насколько быстро будет нагреваться сковорода (а также насколько равномерно она будет нагреваться).Фактически, теплоемкость также играет роль в определении этого. Разве не было бы замечательно, если бы у нас было одно число, которое говорило бы нам, с какой скоростью тепло будет проходить и распространяться в материале? Это называется температуропроводностью материала и представляет собой просто теплопроводность, деленную на единицу теплоемкости (удельная теплоемкость, умноженная на плотность). Давайте посмотрим, как складываются материалы:

    Материал Температуропроводность
    Медь 120 * 10 -6 м 2 / с
    Алюминий 100 * 10 -6 м 2 / с
    Чугун 22 * ​​10 -6 м 2 / с
    Углеродистая сталь 14 * 10 -6 м 2 / с
    Нержавеющая сталь 4.3 * 10 -6 м 2 / с

    Без дополнительных расчетов на основе уравнения теплопроводности мы мало что можем сделать с этой таблицей значений, кроме сравнения материалов друг с другом. Однако очевидно, что лучшими материалами (с точки зрения отдачи энергии) являются медь и алюминий. Это подводит нас к нашему последнему размышлению: реактивности.

    Реакционная способность
    Мы не только должны заботиться о тепловых свойствах материалов, но и должны быть уверены, что материалы, которые мы используем в нашей посуде, не причинят нам вреда и не повлияют отрицательно на вкус нашей еды (вы решаете, что хуже).По этой причине, помимо высокой температуропроводности, нам также нужен нереактивный материал. К сожалению, и медь, и алюминий легко вступают в реакцию с продуктами питания. (Медь, когда попадает в организм в большом количестве или постоянно, может вызвать проблемы с печенью, желудком и почками, а также анемию. Кроме того, долгое время подозревали, что алюминий способствует развитию болезни Альцгеймера. О, в каждой кулинарной книге на этом этапе обсуждения упоминается: что случайного взбивания вспененного яичного белка в медной миске недостаточно, чтобы навредить вам, но воздержитесь от готовки каждый день на открытой меди.) Нержавеющая сталь, наименее реактивная из всех популярных материалов, используемых в кухонной посуде, также имеет худшую температуропроводность.

    Кажется, сегодня физика нам не друг. Но благодаря волшебству производителей посуды, которые хотят найти способы взимать с нас большие деньги, были разработаны решения, позволяющие нам наслаждаться посудой из материалов с высокой температуропроводностью и низкой реакционной способностью. Комбинируя нереактивную поверхность нержавеющей стали с тепловыми свойствами меди или алюминия, вы получаете лучшее из обоих миров.Есть несколько вариаций этой темы: медь, облицованная сталью или оловом, нержавеющая сталь с алюминиевым или медным диском, алюминий, плакированный нержавеющей сталью, и медь, плакированная нержавеющей сталью. В приведенной ниже таблице резюмируется моя субъективная оценка эффективности различных комбинаций материалов (они перечислены в порядке от наиболее эффективных к наименее эффективным):

    Рейтинг Состав Комментарии
    1 Медь с оловянным покрытием Самый высокий отклик; жестяная футеровка может быть привередливой, может быть подвержена плавлению; Медь снаружи требует большего ухода
    2 Медь с футеровкой из нержавеющей стали Медь снаружи требует большего ухода, но придает посуде превосходные термические свойства меди
    3 Алюминий с футеровкой из нержавеющей стали Толстый алюминий обеспечивает отличный термический отклик на тонкую стальную внутреннюю часть
    4 Медь, полностью плакированная нержавеющей сталью Медный слой может быть тоньше меди с футеровкой из нержавеющей стали; снаружи и внутри прочны и просты в уходе
    Алюминий, полностью облицованный нержавеющей сталью Слой алюминия может быть тоньше алюминия с футеровкой из нержавеющей стали; снаружи и внутри прочны и просты в уходе
    Алюминий с футеровкой из нержавеющей стали и медью снаружи Те же характеристики, что и плакированный алюминий, но с трудностями в уходе за медью
    5 Нержавеющая сталь с медным диском Изогнутый край дна приводит к тому, что диск не входит в полный контакт со всем дном поддона, что приводит к худшей теплопроводности по сравнению с плакированной медью
    Нержавеющая сталь с алюминиевым диском То же, что и нержавеющая сталь с медным диском

    Ранее я упоминал, что чугун имеет большую теплоемкость по сравнению с другими материалами (в основном из-за массы, используемой при изготовлении посуды).Благодаря этому атрибуту чугун получает особое место на кухне. Когда задача по приготовлению пищи требует поддержания постоянного тепла (и достаточного его количества), ничто не сравнится с чугунным. Поскольку чугун может вступать в реакцию с кислыми продуктами и ингредиентами, которые готовятся в течение длительного времени, чугунная посуда приправляется — процесс, при котором слои жира медленно превращаются в пористое железо, пока жир не полимеризуется, образуя защитный барьер (и заставляет посуда относительно антипригарная).

    Общие материалы и их сравнение
    Теперь, когда мы рассмотрели важные свойства при выборе материала для посуды, давайте рассмотрим каждый из распространенных материалов, используемых в посуде.

    Медь
    Описание Медь — мягкий (легко царапается), но прочный (прослужит весь срок службы) материал, обладающий отличными тепловыми свойствами. Материал склонен к окислению, но при осторожном уходе сохраняет свою красоту на долгое время.
    Плюсы
    • Высокая температуропроводность
    • При достаточной толщине сковороды нагреваются чрезвычайно равномерно
    • Чрезвычайно отзывчивый
    Минусы
    • Тяжелая гудрон
    • Чрезвычайно дорогая поверхность для царапания
    • Сковорода может слишком быстро остыть после снятия с огня (из-за очень высокой теплопроводности)
    • Приготовление пищи непосредственно на меди может привести к нежелательному потреблению меди. никель или нержавеющая сталь, отлично подходят для всех видов кухонных плит.
    Care
    • Ручная стирка с неабразивным моющим средством и сушка вручную
    • Регулярно используйте полироль для открытой меди для сохранения блеска
    Примеры
    9
    Алюминий Описание Обычная алюминиевая посуда недорогая, легкая и термочувствительная, но при этом реактивная. Алюминиевая посуда с тефлоновым покрытием является недорогой, антипригарной и нереактивной.Анондизированный алюминий был обработан для образования оксида алюминия (чрезвычайно твердого и нереактивного) покрытия на поверхности посуды. В плакированном или облицованном алюминии нержавеющая сталь приклеена к внутренней части посуды, образуя инертную поверхность. Плюсы
    • Чрезвычайно низкая стоимость при простой или тефлоновой футеровке; умеренная цена при анондировании
    • Отличные термические свойства
    Минусы
    • Очень дорого, если футеровка или плакировка из нержавеющей стали
    • Высокая реактивность по отношению к кислотным ингредиентам (и несколько реактивная к щелочам)
    • Может потребоваться более низкая плотность более толстая конструкция для увеличения теплоемкости
    • Алюминий склонен к образованию царапин, если он не анодирован, не облицован или не плакирован нержавеющей сталью. При высоких температурах он может деформироваться.
    Наилучшее применение
    • Обычный алюминий — подходит для некислотных продуктов, таких как варочный бульон или паста
    • Алюминий с покрытием — отлично подходит для всех целей, если алюминий достаточно толстый
    Уход Ручная стирка с мягким моющим средством и мочалкой или губкой. Примеры
    Чугун
    Описание Чугун состоит из железа, углерода (больше, чем углеродистая сталь) и микроэлементов, присутствующих в обычных глинах.Утюг расплавляют и выливают в форму из песка или глины, чтобы сформировать посуду. Эмалированный чугун имеет тонкий, но прочный инертный слой стекла, сплавленный с поверхностью посуды.
    Плюсы
    • Обычный чугун по низкой цене
    • Производственный процесс приводит к получению толстой и плотной посуды с непревзойденной теплоемкостью
    • Толщина также обеспечивает равномерный нагрев
    Consame 9015 7 907 железо может быть дорогим (хотя некоторые из них имеют умеренную цену)
  • Высокая теплоемкость означает, что посуда требует больше времени для нагрева
  • Хотя она чрезвычайно твердая, может треснуть или расколоться при падении или термическом ударе (заливка холодной воды в горячую кастрюлю)
  • Наилучшее применение
    • Традиционные вок (простой чугун), сковороды, голландские печи
    • Южное приготовление пищи
    Care Обычный чугун перед первым использованием и по мере необходимости следует выдержать.Приправленная посуда не должна контактировать с мылом или моющими средствами. Вымойте, замачивая в теплой воде на несколько минут и несколько раз протирая солью и ополаскивая, пока соль не станет белой (обычно это делается одной очисткой). Высушите тканью и ненадолго нагрейте на слабом огне, чтобы испарилась вся влага. Для эмалированного чугуна ручная стирка в горячей мыльной воде.
    Примеры
    • Lodge Logic (недорогой чугун)
    • Wok Shop (недорогой чугунный традиционный кантонский вок; этот вок потрясающий, но его закругленное дно лучше всего подходит для газовых плит)
    • Le Creuset ( дорогой эмалированный чугун)

    Углеродистая сталь
    Описание Углеродистая сталь содержит меньше углерода, чем чугун, и ее формуют и прессуют из листов, а не отливают.Его можно отжечь (нагреть металл до тех пор, пока его молекулярная структура не перестроится, чтобы уменьшить внутренние напряжения, а затем специально охладить, чтобы сохранить новую структуру), чтобы сформировать синюю сталь (или черную сталь), более твердый и менее реактивный материал. Углеродистая сталь также может быть покрыта эмалью.
    Плюсы
    • Все варианты обычно невысоки
    • Быстрый процесс приправки углеродистой стали; эмалированная углеродистая сталь, а также синяя или черная сталь не нуждаются в добавлении
    Минусы
    • Плохие термические свойства означают медленный нагрев и неравномерность температуры.
    • Тонкий и легкий (для некоторых это может быть профи), что приводит к очень низкой теплоемкости
    Лучшее применение
    • Сковороды, сотейники, вок
    Уход Перед первым использованием необходимо заправить. Уход за ним, как если бы он был чугунным. При желании сковороду можно мыть в мыльной воде, мыть и быстро приправлять (15 минут приправы), поскольку она менее пористая, чем чугун.
    Примеры

    Нержавеющая сталь
    Описание Сталь, смешанная с хромом и никелем (нержавеющая сталь 18/8 состоит из 18% хрома и 8% никеля, а 18/10 — 10% никеля. ) производит коррозионно-стойкую сталь, твердую и легко сохраняющую блеск.Диски из меди или алюминия можно сплавить с посудой из нержавеющей стали, чтобы улучшить ее термические свойства. Нержавеющую сталь можно также использовать для облицовки медной или алюминиевой посуды, а также для облицовки алюминия или меди (см. Выше обзор алюминиевой и медной посуды).
    Pros
    • Обычная нержавеющая сталь и нержавеющая сталь с алюминиевыми или медными дисками по низкой цене
    • Блестящая поверхность позволяет легко увидеть, как ваша еда подрумянивается
    • Коррозионно-стойкая и легко моющаяся
    • Благодаря толстому алюминиевому или медному диску или оболочке вокруг сердечника нержавеющая сталь становится одним из лучших материалов для приготовления пищи (не только по своим тепловым свойствам, но и по долговечности, простоте ухода и визуальному контролю приготовления — все преимущества нержавеющей стали при очень небольшом количестве ее недостатков)
    Минусы
    • Обычная нержавеющая сталь: худший материал для приготовления (с точки зрения термических свойств)
    • Соль может вызвать точечную коррозию со временем, если ее не добавить до кипения жидкость
    Наилучшее применение
    • Обычная нержавеющая сталь: кипящая вода (можно готовить на пару) и задачи, не связанные с приготовлением пищи s (чаши для смешивания, контейнеры для хранения и т. д.)
    • Нержавеющая сталь с медным или алюминиевым диском: отлично подходит для всех целей, если диск хорошо приклеен и имеет достаточную толщину.
    Care Ручная стирка с мягким моющим средством. При необходимости используйте нежные абразивные материалы.
    Примеры
    • Cooktop Essentials
    • (чрезвычайно дешевая нержавеющая сталь)
    • Revere Copper Clad (недорогая нержавеющая сталь с вводящим в заблуждение торговым названием; медная облицовка на дне этих кастрюль слишком тонкая, чтобы обеспечить какие-либо термические преимущества )
    • T-Fal (Tefal) (недорогой антипригарный материал из нержавеющей стали с медным маркетинговым трюком — опять же, слишком тонкий)
    • Farberware Classic (недорогая нержавеющая сталь с алюминиевым диском, встроенным во внешнюю поверхность из нержавеющей стали)
    • Circulon Steel (недорогая нержавеющая сталь с алюминиевым диском)
    • Scanpan Steel (недорогая нержавеющая сталь с покрытием 6.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *