Гост 25380-2014 здания и сооружения. метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции

Объемная плотность — тепловой поток

Объемная плотность теплового потока — 700 кВт / лги высо кая температура гелия на выходе из реактора ( 850 С) позволяют использовать в дальнейшем в качестве силовой установки не паровые турбины, а газотурбинную установку.

Чтобы исключить влияние средней объемной плотности теплового потока qv на температуру топлива и гидродинамическое сопротивление Др, целесообразно определять относительную разность температур ДГ / ДГН и относительное сопротивление Др / Дрш приняв в качестве эталона ( базового варианта) наиболее простой вариант.

Увеличение единичной паропроизводительности и объемной плотности теплового потока в топках часто приводит к возрастанию концентрации окислов азота в дымовых газах. Поэтому можно считать, что при работе на газообразном топливе токсичность дымовых газов определяется окислами азота.

При применении шаровых твэлов в реакторах ВГР с высокой объемной плотностью теплового потока возникает необходимость увеличения удельного массового расхода теплоносителя.

В работе приводятся результаты оптимизационных расчетов параметров шаровых твэлов реакторов ВГР лри различной средней объемной плотности теплового потока, на основе которых могут быть сделаны рекомендации и выбран конструктивный вариант твэла и реактора.

Зависимость размеров шаровых твэлов d ( сплошные линии и относительной потери давления Др / р ( пунктир от объемной плотности теплового потока бесканальной и канальной активных зон при одинаковом значении объемной пористости т 0 4.

Расчеты были выполнены для всех описанных ранее пяти вариантов активной зоны при изменении объемной плотности теплового потока от 5 до 15 МВт / м3 в предположении, что в активной зоне по принципу одноразового прохождения применено профилирование тепловыделения по радиусу за счет разного обогащения ядерного топлива в центральной и периферийной зонах. В горячей точке на оси реактора вблизи графитового пода относительное тепловыделение принято равным 0 6 среднего значения, а / Сг1 5 по всей зоне.

В дальнейшем поверхностную плотность теплового потока q будем называть плотностью теплового потока, так как объемная плотность теплового потока в данном учебном пособии не используется.

Так, в стандарте отсутствуют единицы удельной работы и удельной анергии, массовой скорости, объемной плотности теплового потока, проницаемости горных пород и других величин.

Шаровая форма твэла позволяет добиться меньших температурных напряжений в оболочке по сравнению с напряжениями в цилиндрических стержневых твэлах при одинаковой объемной плотности теплового потока и равных геометрических размерах. Шаровая форма также допускает значительное уменьшение их размеров, поскольку обычно такие твэлы не являются конструкционными элементами активной зоны, а заполняют в виде шаровой насадки либо всю активную зону, как в реакторах AVR, THTR-300, либо какие-то ее части.

Результаты проведенного анализа конструктивных вариантов; активной зоны с шаровыми твэлами показывают, что в реакторах подобного типа можно получить объемную плотность теплового потока — 15 МВт / м3 при относительной потере давления в активной зоне менее 2 % ( при абсолютном давлений — 5 МПа) как в бесканальной активной зоне с беспорядочной засыпкой шаровых твэлов, так и в канальном варианте при N1 5 при сохранении той же объемной пористости.

Задача состоит в разработке метода расчета для выбора геометрических размеров твэлов для двух указанных схем с учетом гидродинамического сопротивления Ар, средней объемной плотности теплового потока qv и максимально допустимой температуры топлива в шаровых твэлах как для случая гомогенного твэла, когда микротвэлы размещены во всем объеме шарового твэла, так и для случая гетерогенного твэла, когда топливная зона с микротопливом в виде сферического слоя занимает только часть его объема.

Некоторые характеристики реакторов БГР и БН.

Однако использование стержневых вентилируемых твэлов с оболочками из нержавеющей стали и окисного топлива, а также умеренное давление гелия и обусловленная этим малая объемная плотность теплового потока не позволили получить в проектах реакторов БГР существенно меньшее время удвоения топлива по сравнению с реактором БН.

Реализация этого принципа позволяет выравнить температуры топлива в объеме активной зоны, уменьшить разницу между температурами топлива и гелия, добиться увеличения объемной плотности теплового потока.

Средняя плотность — тепловой поток

Средняя плотность теплового потока в торце шипа в 2 — 2 5 раза больше средней плотности теплового потока падающего яа участок теплового влияния шипового экрана, который охлаждает этот шип. Это объясняется градиентом температур между торцом шипа и слоем шлака и футеровки на указанном участке. По мере продвижения к ножке шипа средняя плотность теплового потока в его сечении возрастает за счет стока тепла из футеровки, обусловленного радиальным градиентом температур.

Средняя плотность теплового потока в переходной области 4Пео может быть цредставлена как сзпша средней плотности теплового потока в период контакта жидкости ( Л) и паровой плевки ( Пл) с поверхностью, продолжительностью Чгжк и пк соответственно.

Средняя плотность теплового потока q условно вычисляется по формулам теплопроводности ( гл.

Средняя плотность теплового потока q условно вычисляется по формулам теплопроводности ( см. гл.

Средняя плотность теплового потока ( тепловая нагрузка) является важнейшей характеристикой поверхностного тешюобменного аппарата.

Величина средней плотности теплового потока в слое набивки над шипом находится на основании следующих соображений.

Номограмма для определения граничной массовой скорости в горизонтальных трубах.| Определение коэффициента С для расчета граничных скоростей в вертикальных трубах.

Здесь q — средняя плотность теплового потока, рассчитанная по внутренней поверхности трубы, Вт / м2; /, d — длина и внутренний диаметр обогреваемой части трубы, м; ( р ш) о — граничная массовая скорость при выбранных условиях, kp — поправочный коэффициент.

Для топочных устройств парогенераторов средняя плотность тепловых потоков для верха и низа топок примерно в 2 раза меньше плотности потока в районе ядра факела. Тогда можно оценить пределы коэффициентов г ] qi r q2, а следовательно, и пределы т ] мин.

Анализ экспериментальных данных изменения средних плотностей тепловых потоков на конструкциях стен и перекрытий, средних значений температур соответствующих поверхностей и среднеобъем-ной температуры, выраженных в безразмерном виде FIFm & % f ( t / tmnx), показал, что они имеют одинаковый характер вида / ах пе-пк и отличаются между собой значениями величин постоянных аил.

ДГ Г5 — Гс; qc — средняя плотность теплового потока на стенке; Ts — температура насыщения; Гс — средняя температура стенки; рп — плотность насыщенного пара; г — теплота парообразования; ср, рш, A, v, jx и Рг — соответственно теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности, кинематическая и динамическая вязкости и число Прандтля конденсата при температуре Ts; о, Цс, Ргс — физические свойства конденсата при температуре Тс; Н — высота стенки или длина трубы; d — диаметр трубы; g — ускорение свободного падения.

В табл. 5 — 2 приведен пример расчета средней плотности теплового потока и средней температуры шлаковой пленки. Последовательность дальнейших расчетов излагается ниже.

Таким образом, знание среднеинтегральной температуры позволяет рассчитать среднюю плотность теплового потока и расход тепла на нагревание однослойной стенки.

Уравнение ( 70) представляет собой общее выражение для средней плотности теплового потока в произвольном сечении XQ канала с диффузными стенками, излучение концов которого однородно.

Гор, Яср и формуле ( 94) определяют среднюю плотность теплового потока 7ср в данном пункте земной поверхности.

Температурное поле. Изотермы.

При расчетах
теплообменных аппаратов необходимо
знать распределение температур по
сечению аппарата т.е. температурное
поле
.
Если в температурном поле соединить
точки, имеющие одинаковую температуру,
то мы получим поверхность уровня,
проекция которой на плоскость, называется изотермой
, т.е. линией постоянной температуры.

На
рис. средняя кривая (изотерма)-t,

верхняя изотерма
,
кратчайшее расстояние между изотермами
(по нормали)-.
Вычтем из ()-(t)
и отнеся к
;
предел этого отношения приназ.градиентом
(t)
температур.

Поскольку тепло
переносится от большей температуры к
меньшей, то тепловой поток пропорционален
отрицательной величине градиента.
Этот градиент является вектором,
направление которого соответствует
повышению температуры. Величина
температурного градиента характеризует
наибольшую скорость изменения температуры
в данной точке температурного поля.

Температурное
поле зависит от пространственных
координат точки и времени в этом случае
осуществляется нестационарный
процесс. Эта зависимость представляет
собой уравнение нестационарного
теплообмена.
Если время равно 0 т.е. температурное
поле зависит от пространственных
координат точки- процесс стационарный.
Расчет температурного поля сложный и
осуществляется путем интегрирования
сложных уравнений.

Основы теории подобия.

Исследование
теплообмена проводится экспериментальным
и расчетным путем. Недостаток
экспериментального способа в том, что
он рассматривает единичные явления.
Недостаток расчетного способа – он
рассматривает целый класс явлений.
Чтобы перейти к единичным явлениям,
нужно сформулировать условия однозначности
для эксперимента, т.е. задать геометрию
области, ТФХ, краевые условия.

Теория
подобия рассматривает группы явлений.
При анализе и обработке результатов
единичных измерений можно получить
единое решение для группы явлений. Все
явления, входящие в группу, должны
удовлетворять условиям геометрического,
физического и временного подобия.

Геометрическое
подобие. Даны два прямоугольника со
сторонами

и
.
Они будут геометрически подобны, если
отношение их соответствующих сторон
будет одинаково. Величина этого
соотношения называется геометрической
константой подобия
.
Точки, лежащие в пределах этих
прямоугольников и отношение соответствующих
координат которых равно
,
называются сходственными точками.

Физическое
подобие. Во всех сходных точках двух
систем отношение одноименных функций
есть константы.

Временное
подобие. Моменты времени, когда в подобных
системах происходит одно и тоже событие,
называются сходственными моментами
времени. Для них всегда можно выбрать
одно и тоже значение безразмерного
времени.

По
методу теории подобия результаты
единичных явлений обрабатываются в
безразмерном виде и представляются в
виде зависимости
.

безразмерные комплексы, состоящие из
размерных физических величин, полученные
из соответствующих математических
моделей явления. Эти комплексы называются
критериями или числами подобия.

определяемое число подобия;

определяющие числа;

поправки. Вид функции

определяется статистической обработкой
результатов.

Полученное
уравнение называется критериальным
уравнением или уравнением подобия –
приближение аналитически точного
решения.

Теоремы
теории подобия:

подобные
явления характеризуются одинаковым
набором чисел подобия;

подобные
явления описываются одними и теми же
уравнениями подобия;

числа
подобия, содержащие элементы условия
однозначности, должны быть численно
равны.

Тепловые балансы.

Если, фазового
перехода при нагревании или охлаждении
не происходит, то тепловой поток
определяется —
,
.

Зная, изменение
температуры горячего теплоносителя от
t1
до t2
(охлаждении) можем записать, что.
Этот же тепловой поток передается
холодному теплоносителю который изменяет
температуру от

до
,
можем записать
наоборот, т.к. тело нагревается.

Тепловой
баланс аппарата записывается:
.

Потери тепла
в расчетах составляют — 35
% (чаще гораздо больше).

Количество тепла,
расходуемое для нагревания и охлаждения
теплоносителя можно рассчитать через
энтальпию, и тогда.

В том случае,
когда теплоноситель меняет свое
агрегатное состояние в процессе нагрева
или охлаждения следует использовать
только энтальпийную форму записи.
Разность (энтальпия) обозначается
-()-называется
удельная теплота фазового перехода или
удельная теплота парообразования или
конденсации.


таблицы 56,57(задачник).

Перенос тепла от
одного теплоносителя к другому может
происходить путем теплопроводности,
конвекции и излучения.

1) Теплопроводность
— это перенос тепла вследствие теплового
движения молекул (это молекулярная
диффузия).

В жидкостях и газах
— теплопроводность возникает при движении
атомов и молекул. В твердых телах — за
счет колебательного движения атомов
в узлах элементарной решетки.

2) Конвекция
— это
перенос тепла струями движущейся
жидкости или газа. Если
конвекция обусловлена разностью
плоскостей, возникающих в точках с
разной температурой, наблюдается
естественная
конвекция
.

Конвективный
перенос, осуществляемый с помощью
насосов либо вентиляторов называется
вынужденной
конвекцией

(когда струйки созданы искусственно).

3) Излучение
— передается путем электромагнитных
колебаний с различной длиной волны.
Тепловой поток при излучение зависит
от четвертой степени температуры. Обычно
перенос тепла осуществляется
комбинированно, когда имеют место и
теплопроводность, и конвекция, и
излучение. Такой сложный процесс
называется — теплопередача
.

Теплопроводность
— диффузионный перенос количества
тепла, в следствии движения молекул,
(аналог переноса электрического тока).
Симбатные свойства (подобные), которые
описываются одними и теми же уравнениями.

Количество
тепла передаваемое через поверхность
перпендикулярную тепловому потоку
прямо пропорционально градиенту
температур — закон
Фурье.

где :
-тепловой
поток,

-элементарная
поверхность теплообмена,

-время протекания
процесса,

-градиент температур.

Удельный тепловой
поток
пропорционален
градиенту температур.

В этих уравнениях
-коэффициент теплопроводности.

В уравнении
Фурье коэффициент теплопроводности
()
показывает, какое количество тепла
проходит вследствие теплопроводности
в единицу времени через единицу
поверхности теплообмена при падении
температуры на 1 градус на единицу длины
нормали к изотермической поверхности.
Величина, характеризующая способность
тела проводить тепло путем теплопроводности,
зависит от природы вещества, его
структуры, температуры и других факторов.

Знак (-) в уравнение
Фурье стоит так как тепловой поток и
градиент температур направлены в
противоположные стороны (то есть тепло
перемещается в сторону падения
температуры). При обычных температурах
и давлении лучшими проводниками тепла
являются металлы и худшими — газы.

Теплопроводность
газов меньше чем у капельных жидкостей.

При нагревании
газов увеличивается,жидкостей — уменьшается. У металлов
теплопроводность наиболее высокая.

Увлажнение пористых
материалов вызывает рост величины
вследствие вытеснения воздуха водой,
отличающихся более высокой теплопроводностью.
При этомвлажного материала часто превышает
значениядля сухого материала и воды в отдельности.

Теплопроводность
теплоизоляционных материалов
близок к газам. Это объясняется пористой
структурой материалов. В порах содержится
воздух

Важное значение имеет критический
радиус пор, чем больше размер пор, тем
большую долю теплового переноса занимает
конвекция, снижая тем самым
теплоизоляционные свойства

Тепловой поток отопительного прибора

Тепловой поток отопительного прибора Qо.п., при условиях, отличающихся от номинальных, определяют по формуле:

Qо.п. = Qн.y.  • (ΔTо.п./ΔTн.у.)n  • (Gо.п./Gн.у.)p  • b  • c  • ψ1  • ψ2  • ψ3       (1)

где:
  • , значение которых зависит от типа отопительного прибора и схемы движения воды (для некоторых типов нагревательных приборов);
  • , который учитывае отличие расчетного барометрического давлени для конкретного географического пункта от стандартного атмосферного давления;
  • , который учитывает схему движения воды в отопительном приборе при разных диапазонах расхода теплоносителя (учитывается только для чугунных секционных радиаторов и стальных панельных радиаторов типа РСВИ);
  • , который учитывает уменьшение теплового потока отопительного прибора при движении воды в нем по схеме «снизу-вверх». Для чугунных секционных радиаторов, стальных панельных радиаторов и конвекторов типа «Аккорд» величину ψ1 вычисляют по ;
  • на число рядов отопительных приборов по вертикали, который учитывает уменьшение теплового потока верхних приборов, омывающихся нагретым потоком воздуха от расположенных ниже приборов;
  • ψ3 — поправочный коэффициент, который учитывает уменьшение теплового потока отопительных приборов при их установке в два ряда в глубину.

Часто в литературе приводят в следующем модифицированном виде:

Qо.п. = Qн.y.  • φ1  • φ2  • b  • c  • ψ1  • ψ2  • ψ3       (2)

где:
  • , который учитывает изменение теплового потока отопительного прибора при отличии расчетного температурного напора ΔTо.п. от температурного напора при нормальных условиях ΔTн.у. = 70 °С;
  • , который учитывает изменение теплового потока отопительного прибора при отличии расчетного расхода воды Gо.п. от расхода воды при нормальных условиях Gн.у. = 0,1 кг/с (360 кг/ч).

Величину коэффициента ψ1 вычисляют по формуле:

ψ1 = 1 – а  • (tвх — tвых)       (3)

где:
  • а = 0,006 — для чугунных секционных радиаторов и стальных панельных радиаторов типа РСВИ;
  • а = 0,002 — для настенных конвекторов типа «Аккорд»;
  • tвх — температура воды на входе в отопительный прибор, °С;
  • tвых — температура воды на выходе из отопительного прибора, °С.

Тепловой и гидродинамический пограничные слои. Режимы течения теплоносителей.

При
движении жидкости вдоль стенки всегда
образуется динамический пограничный
слой, в пределах которого происходит
наиболее интенсивное изменение скорости.
В зависимости от скорости течения
различают ламинарный, переходный и
турбулентный пограничные слои.

В
зависимости от режима течения изменяются
и условия теплоотдачи с поверхности,
если стенка и жидкость имеют разную
температуру. В этом случае образуется
тепловой пограничный слой, в пределах
которого наиболее существенно меняется
температура. Тепловой пограничный слой
обладает термическим сопротивлением
.

Наибольшее
значение

имеет ламинарный пограничный слой.
Сопротивление турбулентного ПС
значительно меньше за счет интенсивного
перемешивания и переноса теплоты.
Основную часть сопротивления в ТПС
имеет образующийся под ним тонкий
ламинарный подслой.

Пример расчета

Определить тепловой поток Q (Дж/c), проходящий через плоскую двухслойную стенку, имеющую поверхность F = 12 м2, а так же найти температуру на границе слоев, если известно, что стенка состоит из слоя шамота толщиной S1 = 0,46 м и слоя теплоизоляции толщиной S2 = 0,25 м; коэффициенты теплопроводности слоев соответственно λ1 = 0,84 Дж/(м*с*°С) и λ2 = 0,28 Дж/(м*с*°С); температура внутренней поверхности стенки t1 = 1395°С, температура наружной поверхности t3 = 80°С.

Решение

Создаем задачу в 15м признаке схемы — задачи теплопроводности (одна степень свободы в узле – температура t) (рис. 2).

Рассмотрим участок стены, высотой 1 метр. Толщина первого слоя S1 = 0,46 м (слой шамота), толщина второго слоя S2 = 0,25 м (теплоизоляция).

ШАГ 1. Геометрия

Зададим балку-стенку с помощью команды Создание плоских фрагментов и сетей (рис.3).

В пятнадцатом признаке схемы для 4-х узловых пластин по умолчанию назначается тип КЭ1509 — четырёхугольный конечный элемент теплопроводности.

ШАГ 2. Характеристики материалов

С помощью диалогового окна Жесткости и материалы (рис. 5) создадим набор жесткостей Теплопроводность (пластины), где зададим соответствующие коэффициенты теплопроводности K для слоёв стены. Значения коэффициента теплопоглощения C и удельного веса Ro в задачах стационарной теплопроводности не учитываются, поэтому можно их задать равными единице.

Назначим жесткости на элементы расчетной схемы(рис.6)

ШАГ 3. Внешнее воздействие

Температуру внутренней и наружной поверхности стенки задаем как заданную температуру в узлах. В диалоговом окне Задание нагрузок выбираем закладку Нагрузки в узлах → Заданная температура , в диалоговом окне Параметры задаем температуру:

— температура внутренней поверхности стенки t1 = 1395°С;

— температура наружной поверхности t3 = 80°С(рис.7).

ШАГ 4. Тепловой поток в узлах

Плотность теплового потока через двухслойную стенку можно определить по формуле (6)

(8)

Тепловой поток по формуле (7)

(9)

В ПК ЛИРА-САПР в процессе расчета определяется тепловой поток в узлах расчетной схемы от выбранных элементов. Для этого в диалоговом окне Рассчитать тепловой поток (рис.8) необходимо задать следующую информацию:

– номера узлов, в которых должен быть вычислен тепловой поток;

– номера элементов, которые передают тепловой поток в эти узлы.

Списки элементов и узлов можно редактировать вручную, перечислив в соответствующих полях их номера. Если на схеме предварительно выделить элементы и узлы, то составить списки для расчета теплового потока в узлах можно автоматически с помощью кнопок Обновить. В соответствующих полях Список элементов и Список узлов отобразятся перечни номеров только тех элементов/узлов, которые в момент нажатия кнопки отмечены на схеме.

ШАГ 5. Просмотр результатов

Выполняем расчет схемы. Становится доступным просмотр результатов в виде Мозаик теплового потока (рис. 9).

Для определения теплового потока, проходящего через стенку при стационарном тепловом состоянии, необходимо выполнить суммирование теплового потока в узлах. Для этого выделяем узлы, в которых был ране вычислен тепловой поток и в диалоговом окне Суммирование нагрузок нажимаем кнопку Применить (рис.10).

Найдем температуру на границе слоев, помня, что тепловой поток через каждый слой есть величина постоянная, т.е.:

(10)

Из приведенного выше выражения вытекает, что:

(11)

В ПК ЛИРА-САПР после расчета становится доступным просмотр результатов в виде Изополей температур (рис.11).

Определение суммы тепловых потоков Пример

  1. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е стереотип. «Энергия», 1977 – 344с.
  2. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением N 1):СП 50.13330.2012. – . – M.: Минрегион России, 2012. – 100 с. – (Свод правил). (Приложение Н.)
  3. Проектирование тепловой защиты зданий:СП 23-101-2004. – . – M., 2004. – 145 с. – (Свод правил). (Приложение М.)
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий