Curs Master (Sem. I)Stefanescu

  • Published on
    05-Jul-2015

  • View
    1.594

  • Download
    2

Embed Size (px)

Transcript

<p>Bazele transferului de cldur i mas n construcii</p> <p>Cupriins Cupr ns</p> <p>1. Consideraii generale ............................................................................ 3 2. Transmisia cldurii ............................................................................... 62.1. Noiuni fundamentale ................................................................. 6 2.2. Transferul cldurii prin conducie........................................... 132.2.1. Mecanismul fenomenului .......................................................... 13 2.2.2. Legea lui Fourier ....................................................................... 13 2.2.3. Coeficientul de conductivitate termic....................................... 18</p> <p>2.3. Transmisia cldurii prin convecie .......................................... 212.3.1. Mecanismul fenomenului .......................................................... 21 2.3.2. Legea lui Newton ...................................................................... 22 2.3.3. Coeficientul de transfer termic de suprafa .............................. 24</p> <p>2.4. Transmisia cldurii prin radiaie ............................................ 252.4.1. Mecanismul fenomenului .......................................................... 25 2.4.2. Relaia lui StefanBoltzmann .................................................... 26</p> <p>2.5. Noiunea de rezisten termic unidirecional ..................... 28 2.6. Transmisia cldurii prin conducie la structuri n mai multe straturi paralele ................................. 31 2.7. Transferul global de cldur ................................................... 33 2.8. Transmisia cldurii prin conducie n regim nestaionar ...... 362.8.1. Ecuaia diferenial a conduciei termice.................................... 36 2.8.2. Mrimi caracteristice privind regimul termic variabil ............... 38</p> <p>1</p> <p>2.9. Condiii de unicitate .................................................................42 2.10. Rezistena termic a elementelor cu puni ............................452.10.1. Puni termice ........................................................................ 45 2.10.2. Conceptul de rezisten termic specific corectat.............. 46 2.10.3. Coeficienii liniari i punctuali de transfer termic ................ 51</p> <p>2.11. Coeficientul global de izolare termic ..................................59</p> <p>3. Transferul de mas .................................................................. 643.1. Mecanismul transferului de mas ........................................... 64 3.2. Ecuaia diferenial a transferului de mas ........................... 65 3.3. Umiditatea construciilor.......................................................... 663.3.1. Surse de umiditate .................................................................... 66 3.3.2. Umiditatea aerului ..................................................................... 67 3.3.3. Umiditatea materialelor ............................................................ 68</p> <p>3.4. Apecierea prin calcul a riscului la condens ............................ 693.4.1. Condensul pe suprafaa interioar ............................................. 71 3.4.2. Condensul n interiorul elementelor ......................................... 72</p> <p>2</p> <p>1. Consideraii generaleFizica construciilor are ca obiect studiul proceselor care se desfoar ntre mediul exterior i cel interior (delimitat de construcie), n scopul adoptrii unor msuri de protecie care s conduc la asigurarea condiiilor optime pentru desfurarea activitilor omului, respectiv a condiiilor de igien i confort, iar pentru cldiri cu alte destinaii dect cele de locuit, a condiiilor favorabile unor procese specifice. Funcie de parametrul de confort avut n vedere n mod preponderent, fizica construciilor cuprinde o serie de capitole de baz: higrotermica, ventilarea natural, acustica, iluminatul natural. Dei toate laturile fizicii construciilor sunt importante, higrotermica necesit o atenie deosebit, deoarece se ocup de aspecte eseniale privind condiiile de munc, destindere sau odihn ale oamenilor. Higrotermica este o ramur a fizicii construciilor n cadrul creia sunt studiate acele fenomene i caracteristici ale cldirilor ce au n vedere satisfacerea cerinelor de via ale oamenilor i n special protecia contra agenilor climatici: variaii de temperatur i de umiditate, vnt, ploaie, zpad etc. Astfel, sunt investigate procesele de transfer de mas i cldur n construcii, respectiv transmisia vaporilor de ap (higro) i a cldurii (termo) prin elementele de construcii, precum i efectele pe care aceste procese le au asupra condiiilor de microclimat interior, a condiiilor de igien i confort, a durabilitii i a caracteristicilor fizice ale elementelor. Prin transfer de cldur se nelege procesul spontan, ireversibil de propagare a cldurii n spaiu, reprezentnd schimbul de energie termic ntre corpuri, sau regiuni ale aceluiai corp, ca rezultat al diferenei de temperatur dintre acestea. Transferul de cldur este un transfer de energie3</p> <p>ntre sisteme fizicochimice sau ntre diferitele pri ale aceluiai sistem, n cadrul unei transformri n care nu se efectueaz lucru mecanic. tiina transferului de cldur are ca preocupare procesele n care energia termic la parametri mai ridicai este transformat n energie termic la parametri mai cobori. n mod curent, parametrul cu care se apreciaz calitatea cldurii este temperatura, definit ca o msur global a intensitii proceselor care determin energia intern a unui corp. Schimbul de cldur respect cele dou principii fundamentale ale termodinamicii. Principiul I al termodinamicii, care exprim legea conservrii energiei: Dac ntr-un sistem izolat termic, schimburile de cldur se desfoar fr reacii chimice, fr fenomene electromagnetice sau de disociere i fr deplasri de mase, cantitatea de cldur a sistemului rmne constant, oricare ar fi schimburile termice dintre prile sale componente. Principiul al II-lea al termodinamicii, care stabilete sensul natural al propagrii cldurii, ntotdeauna de la zona cu temperatur mai ridicat ctre zona cu temperatur mai cobort: Dac ntr-un sistem izolat termic, distribuia temperaturilor este neuniform, vor avea loc schimburi de cldur, aceasta scurgndu-se din regiunile cu temperatur ridicat spre cele cu temperatur joas, pn la completa nivelare a temperaturilor sistemului. Practic, transferul de cldur este prezent ntr-o msur mai mare sau mai mic n majoritatea domeniilor tehnicii actuale, iar importana lui este n4</p> <p>continu cretere. Legile transferului termic controleaz modul n care cldura se transmite prin elementele exterioare ale cldirilor (anvelopa), proiectarea i funcionarea unei extrem de mari varieti de aparate i instalaii industriale etc. Se poate afirma c obiectivele generale ale studiului transferului de cldur sunt constituite de gsirea metodelor i procedeelor de frnare a acestui fenomen n cazul elementelor de izolare termic, sau de intensificare n cazul unor instalaii de diverse tipuri. n mod analog transferului de cldur, transferul sau schimbul de mas se definete ca procesul spontan de transfer de substan, ntre dou regiuni cu concentraii diferite. Sensul transferului de mas este ntodeauna din regiunea cu concentraie mai mare ctre regiunea cu concentraie mai redus. Transferul de mas are loc n dou moduri distincte: prin difuzie molecular i prin difuzie turbulent. n aplicaiile practice, procesele de transfer de cldur i de mas se pot desfura separat sau mpreun. Cldirile trebuie s satisfac anumite cerine de confort, pentru ndeplinirea crora mrimile fizice ce caracterizeaz microclimatul ncperilor nu trebuie s depeasc anumite limite. De exemplu, temperatura interioar n cldirile de locuit trebuie s fie minim 20 C iarna i maxim 26 C vara, umiditatea relativ cca. 35...70% iarna i 60% vara, viteza maxim de micare a aerului interior 0.2 m/s.</p> <p>5</p> <p>2. Transmisia cldurii2.1. Noiuni fundamentale Rezolvarea problemelor de transfer termic specifice construciilor se bazeaz pe cunoaterea legilor fizicii referitoare la schimbul de cldur, stabilite n cadrul teoriei propagrii cldurii. Dintre criteriile de confort, de prim importan este cel care se refer la valorile temperaturilor n spaiile locuite, denumit confort termic. Datorit diferenelor de temperatur dintre aer i elementele de construcii are loc transferul cldurii prin conducie, convecie i radiaie (Fig. 1).</p> <p>Conducie</p> <p>Convecie</p> <p>Radiaie</p> <p>Fig. 1. Transferul cldurii prin conducie, convecie i radiaie</p> <p>a. Transferul cldurii prin conducie const n transmisia cldurii dintr-o regiune cu temperatur mai ridicat ctre o regiune cu temperatur mai sczut, n interiorul unui mediu solid, lichid sau gazos, sau ntre medii diferite n contact fizic direct, sub influena unei diferene de temperatur,6</p> <p>fr existena unei deplasri aparente a particulelor care alctuiesc mediile respective. n construcii acest tip de transfer este ntlnit n special la corpurile solide (perei, planee, acoperiuri, tmplrie etc.) i se desfoar prin vibraia termic a reelei cristaline i, n cazul elementelor metalice, cu ajutorul electronilor liberi (de valen). b. Transferul termic prin convecie reprezint procesul de transfer al cldurii prin aciunea combinat a conduciei termice, a acumulrii de energie i a micrii de amestec. Convecia este cel mai important mecanism de schimb de cldur ntre o suprafa solid i un fluid, ntre care exist contact direct i micare relativ. n construcii transferul convectiv are loc n special la lichide i gaze i se datoreaz transportului de cldura prin micarea moleculelor fluidelor. Fenomenul intervine la suprafaa de contact a elementelor de construcii cu aerul interior sau exterior. c. Transferul energiei termice prin radiaie este procesul prin care cldura este transferat de la un corp cu temperatur ridicat la un corp cu temperatur sczut, corpurile fiind separate n spaiu. Schimbul de cldur prin radiaie se realizeaz de la distan, fr contact direct ntre corpuri. Fenomenul are sens dublu: un corp radiaz energie, dar i absoarbe energia emis sau reflectat de corpurile nconjurtoare. Radiaia termic are loc sub form de unde electromagnetice i intervine n mod semnificativ la diferene mari de temperatur ntre corpurile solide, sau ntre solide i fluide, cum este n cazul elementelor de nclzire din locuine (radiatoare). Principalele noiuni cu care se opereaz n cadrul problemelor legate de studiul fenomenelor de transfer termic sunt: a. Temperatura reprezint o mrime scalar de stare, care caracterizeaz gradul de nclzire al corpurilor. Temperatura poate varia n timp i spaiu7</p> <p>fiind, n cazul cel mai general, o funcie de 4 variabile (trei variabile geometrice i variabila timp): T = f(x, y, z, ) .</p> <p>Ca unitate de msur se utilizeaz gradele, care difer funcie de sistemul de msur folosit: Kelvin (K), Celsius (C), Fahrenheit (F). n sistemul internaional (SI) unitatea de msur a temperaturii este Kelvinul.b. Cmp termic reprezint totalitatea valorilor temperaturii ce</p> <p>caracterizeaz un anumit spaiu (domeniu). Cmpul termic poate fi constant (staionar sau permanent) sau variabil (nestaionar sau tranzitoriu), dup cum temperatura din fiecare punct este constant sau variabil n timp. De asemeni, cmpul termic este unidirecional (Fig. 2), atunci cnd propagarea cldurii are loc n mod preponderent pe o singur direcie, bidirecional sau plan (Fig. 3), dac propagarea cldurii are loc pe dou direcii i tridirecional sau spaial (Fig. 4), n situaia n care propagarea cldurii are loc pe toate cele trei direcii n spaiu.</p> <p>a</p> <p>Te = -15 C</p> <p>b</p> <p>Q</p> <p>Ti = 20 CFig. 2. Cmpul termic unidirecional ntr-un perete (cmp curent) a. perete exterior omogen; b. harta temperaturilor(temperatura scade de la nuanele deschise spre cele nchise)</p> <p>8</p> <p>a</p> <p>b</p> <p>Q</p> <p>Ti = 20 C</p> <p>Te = -15 C</p> <p>Q</p> <p>Fig. 3. Cmpul termic bidirecional (plan) la colul unui perete exterior a. perete exterior omogen; b. harta temperaturilor(temperatura scade de la nuanele deschise spre cele nchise)</p> <p>perete interior din zidrie</p> <p>centur termoizolaie perete exterior din zidrie</p> <p>planeu</p> <p>Fig. 4. Cmpul termic spaial pe grosimea unui perete exterior din zidrie(temperatura scade de la nuanele deschise spre cele nchise) 9</p> <p>c. Linie izoterm este locul geometric al punctelor de egal temperatur,</p> <p>dintr-un cmp termic plan (Fig. 5). Deoarece un punct al unui corp nu poate avea simultan dou valori diferite ale temperaturii, rezult c liniile izoterme sunt continue i nu se intersecteaz ntre ele.</p> <p>perete exterior</p> <p>termoizolaie</p> <p>planeu</p> <p>centur</p> <p>Fig. 5. Linii izoterme la intersecia unui perete exterior din zidrie cu planeul</p> <p>d. Suprafa izoterm este locul geometric al punctelor dintr-un cmp</p> <p>termic spaial, ce se caracterizeaz prin aceeai valoare a temperaturii (Fig. 6; domeniul analizat este cel din Fig. 4). Suprafeele izoterme sunt continue i nu se intersecteaz ntre ele, din acelai motiv ca n cazul liniilor izoterme. Suprafeele izoterme pot fi plane sau curbe.e. Gradient de temperatur este o msur a variaiei temperaturii pe o</p> <p>anumit direcie din spaiul (domeniul) analizat. Mai riguros, gradientul de temperatur reprezint limita raportului ntre diferena de temperatur T i10</p> <p>distana x dintre dou puncte, cnd x 0 (din punct de vedere matematic este derivata temperaturii n raport cu spaiul):grad T = lim T dT = dx x 0 x</p> <p>Fig. 6. Suprafa izoterm ntr-un perete exterior din zidrie, la intersecia cu planeul(curbura spre exterior se datoreaz izolaiei termice suplimentare din dreptul centurii)</p> <p>f. Cantitatea de cldur (Q) reprezint o cantitate de energie i n SI se</p> <p>msoar n Joule (J). Se pot folosi i alte uniti de msur, cum ar fi Wh sau caloria (cal).g. Fluxul termic sau debitul de cldur () este cantitatea de cldur ce</p> <p>strbate o suprafa n unitatea de timp. Din punct de vedere matematic11</p> <p>reprezint derivata cantitii de cldur Q n raport cu timpul , i se msoar n J/h sau, mai uzual, n W:</p> <p>=</p> <p>dQ d</p> <p>h. Densitatea fluxului termic sau fluxul termic unitar (q) reprezint</p> <p>cantitatea de cldur care strbate unitatea de suprafa n unitatea de timp (Fig. 7). Fluxul unitar este o mrime vectorial, avnd direcia normal la suprafeele sau liniile izoterme i se msoar n W/m2.</p> <p>perete interior din zidrie</p> <p>centur termoizolaie perete exterior din zidrie</p> <p>planeu</p> <p>Fig. 7. Harta fluxului termic unitar pe grosimea unui perete exterior din zidrie(nuanele nchise corespund valorilor mari ale fluxului)</p> <p>12</p> <p>2.2. Transferul cldurii prin conducie 2.2.1. Mecanismul fenomenului</p> <p>La corpurile solide nemetalice (dielectrice), conducia termic se realizeaz prin vibraia termic a reelei cristaline. La corpuri solide metalice i semiconductoare, conducia termic se realizeaz prin transferul de energie datorit vibraiei termice a reelei cristaline i, pe de alt parte, cu ajutorul electronilor liberi (de valen). Contribuia electronilor liberi este de 10...30 de ori mai mare dect contribuia vibraiei reelei. La corpurile lichide i gazoase, conducie termic apare sub forma a dou procese: ciocnirile elastice din aproape n aproape ntre molecule s...</p>