Написала Марія Сесілія Ернандес 24 жовтня 2011 року
Каміло Ботеро*
Коли інженер збирається спроектувати систему кондиціонування та вентиляції, наприклад, у регіоні з тропічним кліматом, він повинен встановити, яким буде теплове навантаження, тобто кількість енергії у вигляді тепла, яку потрібно видалити.
Спочатку професіонал визначає психрометричну ситуацію для конкретного випадку і стикається із завданням, яке сьогодні здається простим завдяки допомозі та комп'ютерним досягненням, але насправді воно є дуже складним.
Наприклад, незважаючи на розвиток технологій, зовсім непросто оцінити значення для різних розумних теплових енергій (енергії, що передається через різницю температур), які беруть участь у тій загальній енергії, яку потрібно вивести з навколишнього середовища, для досягнення умов комфорту людини або для певного промислового процесу.
Як розрахувати теплове навантаження - це тема, яка займає нас сьогодні. Це технічна та велика інформація, тому вона буде доповнена в наступних виданнях ACR LATINOAMÉRICA.
Для того, щоб узгодити термінологію, якою ми будемо користуватися відтепер, необхідно визначити деякі поняття, які будуть згадані в цій та наступних частинах.
- Термодинаміка та теплообмін: різниця між цими двома поняттями полягає в тому, що перша принципово має справу зі станами в рівновазі, а друга представляє ситуацію дисбалансу, оскільки це наслідок різниці температур.
- Тепло: це енергія, яка передається через перепад температур. Всі процеси теплового потоку дотримуються першого і другого законів термодинаміки.
Форми теплового потоку
Тепловий потік, який генерується різницею температур, може бути представлений у трьох основних формах, хоча в програмах розрахунку теплового навантаження для кондиціонування повітря вони, як правило, не розглядаються окремо; це:
Провідність: цей тепловий потік відбувається між двома тілами або між двома частинами одного тіла, як продукт молекулярної взаємодії, між тими, що мають вищу енергію (вища температура), і тими, що мають меншу енергію (нижча температура), оскільки Кінетична енергія молекул пропорційна їх температурі.
Випромінювання: це явище відбувається у вигляді електромагнітних хвиль і йому не потрібне фізичне середовище для транспортування енергії. Коли температури високі, це має велике значення, оскільки це пропорційно четвертій потужності температури.
Конвекція: це комбінований процес транспортування енергії, накопичення енергії та транспорту речовини. Це відбувається між твердими речовинами та рідинами.
При вирішенні проблем теплопередачі необхідно не тільки знати тип теплового потоку, але також, якщо процес:
Переходимо до цифр
За мій багаторічний досвід більше декількох людей приходять до мене, щоб проконсультуватися зі мною щодо технічних деталей, розрахунків, формул та рівнянь, які необхідно застосовувати, в даному конкретному випадку для встановлення тепловіддачі. Тому нижче я детально розкажу рівняння, які слід використовувати в цій темі.
Провідність: рівняння, яке регулює провідність, називається рівнянням Фур'є і має такий вираз для найпростішого випадку - це стаціонарний одновимірний випадок на плоскій пластині.
Номенклатура рівняння Фур'є.
Поява знака мінус зумовлена умовою, що тепло є позитивним, якщо воно здійснюється у напрямку осі х.
Обгрунтування знака мінуса при q = - kA dT/dx
Виміряйте теплопровідність
Можна сказати, що теплопровідність (k) - це кількість тепла за одиницю часу, площі та градієнта, яке проводиться через тверде тіло.
Це визначення пропонує метод вимірювання k.
Нехай буде зразком площі перерізу A і довжини ∆x: якщо кількість теплоти вводиться на одну грань, а відводиться на іншу, і якщо цей тепловий потік вимірюється під час стійкого стану та різниці температур між двома гранями, з наведеного рівняння обчислюється значення k.
Команда, яка виконує вищезазначену операцію, буде такою:
Принцип, за яким працює k-метр, полягає у формуванні балансу енергії та маси для процесу перетворення електричної енергії в теплопередачу за допомогою провідності і, нарешті, для нагрівання потоку води.
Типовими значеннями провідності є: (B.T.U./hr ft ºF).
Теплове випромінювання
Можна сказати, що випромінювання - це енергія, яку випромінює тіло у вигляді електромагнітних хвиль внаслідок своєї температури.
Як відомо з фізики, кількість енергії, що випромінюється як функція довжини хвилі, становить від 0,1 мкм до 100 мкм.
Для даної температури загальна максимальна випромінювана енергія на всіх довжинах хвиль становить:
Якби А1 був сірим тілом; тобто, якщо його викид енергії становить частку від максимальної випромінюваної енергії.
Тепер, якщо це два сірі тіла, які мають певне положення по відношенню одне до одного, теплообмін визначається як:
Іноді тепловий потік бажано вирахувати через лінійну різницю температур, для цього визначається середній коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням:
Конвекція
Як вже було сказано, це комбінований процес молекулярного теплообміну; накопичення енергії та масовий транспорт.
Таблицею, що відображає діапазони найважливішого hc, буде:
На закінчення
З появою програмного забезпечення для розрахунку теплового навантаження була створена відволікаюча софістика, що полегшує перегляд цього розрахунку.
Кажуть: "Все, що вам потрібно зробити, це ввести дані, і програмне забезпечення дасть мені результат!"
Реальність така, що це програмне забезпечення базується на погодинних кліматичних даних, яких ми не маємо в нашому регіоні, і на глобальних коефіцієнтах тепловіддачі, які не відповідають місцевим будівельним матеріалам і для яких ми не маємо цих значень. Крім того, використовувані дані про сонячну радіацію не є даними сайту.
Тому я пропоную своїм колегам повернутися до своїх книг про тепловіддачу, які є чудовими, і запам'ятати ці основні принципи, викладені тут, просто.
Вони, безсумнівно, пам’ятатимуть години та години, які вони витратили, намагаючись вирішити якусь проблему, яка передбачала вирішення загального рівняння руху, яке було вкладено у вирішення рівняння за допомогою диференціальних та інтегральних обчислень з трьома координатами положення та змінним часом, а можливо, і з внутрішніми генерація тепла.
Можливо, рішення рівняння Бесселя для розрахунку ребра для покращення продуктивності теплообмінників або обчислення форм-фактора з кількома інтегралами повернеться вам у голову.
Тоді вони прийдуть до висновку, що теплообмін був однією з тем нашої кар’єри, яка представляла для нас найбільшу складність.
На щастя, у практичному житті нам залишаються лінійні рівняння, стаціонарний стан та одновимірність. Део Гратіас!
* Каміло Ботеро є чинним секретарем Федерації іберо-американських асоціацій кондиціонерів та холодильників - FAIAR; Він був президентом ACAIRE і президентом Camilo Botero Ingenieros Consultores Ltda. Він працював викладачем у кількох колумбійських університетах, профспілках і в даний час в ACAIRE на дипломних курсах з проектів кондиціонування, енергоефективності в кондиціонуванні та охолодженні, когенерації та тригенерації., прикладна психометрія, термодинаміка, механіка рідин, теплообмін та турбомашинобудування.