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粉煤灰加气混凝土墙体温度及节能效应研究




2.3.1.1导热基本原理

相互接触的物体各部分之间依靠微观粒子的热运动而传递热量的过程称为导热。在纯导热过程中物体各内部之间或物体与物体之间没有宏观运动。传热学采用以宏观的方式来描述、研究导热,我们假设导热过程是连续均匀的,以便采用连续函数来表达温度分布状态,即温度场:

T=f(x,y,z,t)(2.1)

式中T表示温度,温度为标量;x、y、z表示空间坐标;t表示时间。

若?T/?t=0,此时温度场各点温度不是随时间t变化而变化,是一个常函数;称该温度场为稳态温度场;若?T/?t?0,此时温度场各点温度变化是随时间t变化而变化的,称该温度场为非稳态温度场。若温度场各点温度只随着空间坐标中的一个变量变化而变化,称为一维温度场;若温度场各点温度只随着空间坐标中的两个或三个变量变化而变化,称为二维温度场或三维温度场。

某一时刻物体内部温度相同的点的集合所构成的面叫做等温面,等温面与任一截面的交线,交线则为等温线。某一时刻物体内部任意一点只能有一个温度值,从而不相同的等温面是不可能相交。温度沿等温面法线方向的变化大小,称为温度梯度gradt:式中:gradt是一个向量;n表示温度增加的方向,由式(2.2)知,热流方向与温度梯度方向相反。
对于各向同性的材料,傅里叶提出热流向量与温度梯度称反比,方向相反,其数学表达式:

傅里叶定律建立了温度场与热流场之间的关系,唯一的温度场确定唯一的热流场,可求得经物体内部或边界上任一表面传导的热流量Q:
其中,dA表示面积元向量,方向为表面的外法线方向。在已知导热系数的条件下,由温度场可以求得流过任意表面的热流量。2.3.1.2对流换热基本原理对流换热是传热学中重要的组成部分,研究流体运动所引起的传热现象。流体将热量从一处传递到另一处的现象,流动的流体质点以热熔方式将热量带走,称为热对流。热对流传递的热流:

热对流只发生在运动的流体中,热量传递中,流体是能量的携带者或传递者。在流体运动中,既有热对流发生,也有导热发生,两者密不可分。当导热占主导地位时,对流换热必然是导热与热对流的联合作用,称为运动的流体的热扩散。1701年牛顿

为了描述这种问题,提出了对流换热公式:

式中:α表示换热系数;A表示换热的表面积;Δt表示温度差;tw表示物体的表

面温度;tf表示流体的温度。
2.3.1.3热辐射基本原理

热辐射在机理上与导热和对流有本质不同,热辐射依靠电磁波传递能量,并伴随

有能量形式的转换。外界投射的纵辐射能为Q0,其中被物体吸收走的能量为Qa,被物体反射走的部分能量为Qr,穿透物体的部分能量为Qd,则有:
A被称为吸收率;R被称为反射率;D被称为投射率。当A=1,R=D=0时,这种物体被称为黑体,即辐射的能量被物体全部吸收;当R=1,A=D=0时,这种物体被称为白体;当D=1,A=R=0时,这种物体被称为透明体。单位时间、面积黑体辐射出的总能量与黑体的温度关系式:

辐射换热过程就是自然界中物体相互不断地向对方发射辐射能,同时吸收其它物体的发射辐射能,并以辐射的方式进行的物体相互之间的热量传递和交换。

2.3.2稳态导热

在实际工程中,完全稳定的导热情况是不存在的,在当温度随着时间的变化很小时,可以近似的看作稳态导热。稳定导热即忽略温度随时间的变化,只考虑温度的空间分布。

2.3.2.1一维稳态导热

在一维稳态导热中温度场分布只是空间坐标的函数,是一种物理、数学模型的理想简化。在实际工程中,如建筑的墙体、屋面板的温度变化可以看作一维稳态导热。

一维无内热源稳态导热,已知两表面的温度分别为t1和t2,其导热微分方程:
温度分布函数可看作两个温度分布的叠加,后一项是非齐次的带热源的一维稳态导热微分方程在边界条件下的解,前两项是齐次的无热源的一维稳态导热微分方程在边界下的解。2.3.2.2二维稳态导热

二维稳态导热问题,在常物理性的条件下用泊松方程或拉普拉斯方程表达、描述。在建筑工程中,二维稳态温度场也是常见的,如建筑物中的柱,在内外环境温度作用下,其主要温度变化沿柱截面,而在其高度方向变化很小,就可以看作一个二维温度场问题[24]。分析二维或三维稳态导热的方法主要有解析法和数值分析法。一个矩形区域中无内热源的稳态导热稳态,图2-8中矩形区域的4个边界有3个边界维持均匀稳定的温度t0;第4个边界条件为已知的温度分布函数f(x)。引入过余温度,可使得3个等温边界条件为齐次的。

2.3.3非稳态导热

考虑物体温度空间分布的非稳态导热涉及的数学问题较复杂。在建筑物中的墙体与屋面板,其温度都是由外表面向内表面传递,其传导热过程属于一维瞬态的温度场。一维瞬态温度场的变化是随着时间的变化而变化,


2.4本章小结

本章对约束概念、温度作用及温度场基本原理进行了阐述。对结构构件之间以及材料内部有关约束的概念进行了阐述;温度作用分类、温度作用规律及其分布进行了解释;在建筑物中有:导热、对流以及太阳辐射,这三种基本方式的传热方式,它们不孤立的,并且以导热为主,相互存在相互影响的;在建筑结构中的温度场,按空间可分为一维温度场、二维温度场以及三维温度场,建筑结构的温度随着时间变化而变化又可以分为瞬态温度场和稳态温度场,对一、二维稳态温度场的基本原理进行介绍,针对一维瞬态温度场推导了其微分方程,这几类情况只能分析一些简单的实际工程,对于复杂的实际工程,需要复杂物理模型以及借助准确的数学方法来解决。


第三章加气混凝土墙体稳态传热试验与分析

3.1试验仪器介绍

为了确保这次试验更加接近实际工程情况,我们采用的仪器都是高标准的先进的仪器,来确保本次试验数据的准确性以及试验结果的真实性,有稳态传热性能测定仪及DH3818-4静态应变测试仪。

3.1.1稳态传热性能测定仪

稳态传热性能检测装置包含了试件框、冷箱、防护箱以及计量箱这四部分组成,如图3-1所示。检测材料放置于试件框用中,冷箱的主要作用为降温,其降温主要由冷箱后部为压缩机组控制[25];计量箱被防护箱围绕,计量箱的环境温度与控制防护箱的环境温度相相同,防护箱围绕着计量箱,从而使得通过计量箱壁的热流量达到最小。

图3-1稳态传热性能测定仪

稳态传热性能测定仪中冷室、热室的保温层采用绝热材料一次设计成型,其内部没有空气夹层,因此提高了设备的保温隔热性能,在仪器的脚轮以及可伸缩地角设置在其底部,它方便仪器的移动又可调整仪器水平角度,其中制冷部分采用先进、进口的压缩机制冷,它拥有高效的制冷功率,其性能稳定,而且连续运行的工作时间长,为了避免频繁启停对压缩机造成损坏,同时它拥有断电延时保护。为了提高设备稳定性以及降低干扰,其稳态传热性能测定仪采用集成式设计,采用日本进口的PLC与温度扩展模块做为它控制系统硬件;它的测温探头为进口数字温度传感器18B20;新型无触点开关器件制作的输出端,具有高度的可靠性、开关速度快、低噪音、抗干扰能力强、长寿命,并且提高设备的使用寿命以及其安全性。PID控制方法做为稳态传热性能测定仪主要控制方法,软件自动调整PID参数,其控制精度达到0.02℃,从而保障了跟踪精度。稳态传热性能测定仪控制系统的工控软件,即操作简便又便于维护,它采用VisualBasic6.0作为其软件系统,它具界面直观、操纵方便、断电后可继续等优势,并且可以实现数据实时存储以及远程维护等功能,采用RS-232C标准作为串口通信实现同步采集试验数据。其存储数据直接存储为Excel形式,方便试验数据的
处理,实现设备脱离计算机后还可以独立运行。

计量箱结构特点采用移动方式,与防护箱连成一体的结构,提高了设备的保温、密封效果,其温度控制范围较大[26],0℃~50℃的环境温度能够连续可调。计量箱、防护箱具体规格及技术参数分别如表3.1、表3.2所示。

规格加热功率控温范围温度波动加热装置

2.00m×0.50×2.00m≤700W0℃~60℃≤±0.1℃电阻加热带

稳态传热性能测定仪系统中冷室的工况范围较大,因此在选配制作制冷系统时只能按照最低温度的测试要求,同时考虑降温速度来确定制冷功率,而温度控制精度要求很高。冷室、试件框具体规格及技术参数分别如表3.3、表3.4所示。

表3-3冷室规格及参数

规格加热功率控温范围温度波动加热装置

2.00m×1.10×2.00m≤700W-20℃~20℃≤±0.1℃电阻加热带

表3-4试件框规格及参数