Теплопроводность воздуха в зависимости от температуры и давления

В таблице приведены значения теплопроводности воздуха λ в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении.

Величина коэффициента теплопроводности воздуха необходима при расчетах теплообмена и входит в состав чисел подобия, например таких, как число Прандтля, Нуссельта, Био.

Теплопроводность выражена в размерности Вт/(м·град) и дана для газообразного воздуха в интервале температуры от -183 до 1200°С. Например, при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении теплопроводность воздуха равна 0,0259 Вт/(м·град).

При низких отрицательных температурах охлажденный воздух имеет малую теплопроводность, например при температуре минус 183°С, она составляет всего 0,0084 Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность воздуха увеличивается. Так, при увеличении температуры с 20 до 1200°С, величина теплопроводности воздуха возрастает с 0,0259 до 0,0915 Вт/(м·град), то есть более чем в 3,5 раза.

Теплопроводность воздуха в зависимости от температуры — таблица

t, °С	λ, Вт/(м·град)	t, °С	λ, Вт/(м·град)	t, °С	λ, Вт/(м·град)	t, °С	λ, Вт/(м·град)
-183	0,0084	-30	0,022	110	0,0328	450	0,0548
-173	0,0093	-20	0,0228	120	0,0334	500	0,0574
-163	0,0102	-10	0,0236	130	0,0342	550	0,0598
-153	0,0111		0,0244	140	0,0349	600	0,0622
-143	0,012	10	0,0251	150	0,0357	650	0,0647
-133	0,0129	20	0,0259	160	0,0364	700	0,0671
-123	0,0138	30	0,0267	170	0,0371	750	0,0695
-113	0,0147	40	0,0276	180	0,0378	800	0,0718
-103	0,0155	50	0,0283	190	0,0386	850	0,0741
-93	0,0164	60	0,029	200	0,0393	900	0,0763
-83	0,0172	70	0,0296	250	0,0427	950	0,0785
-73	0,018	80	0,0305	300	0,046	1000	0,0807
-50	0,0204	90	0,0313	350	0,0491	1100	0,085
-40	0,0212	100	0,0321	400	0,0521	1200	0,0915

2. Теплопроводность анизотропных тел

Для анизотропных твердых тел плотность потока в общем случае не совпадает с направлением нормали к изотермической поверхности, и уравнения Фурье могут быть записаны в следующем виде: qi = — lij(∂T / ∂xj), где коэффициенты lij образуют симметричный тензор 2-го ранга.

Анизотропные кристаллы обычно характеризуют теплопроводностями в направлении главных осей. Если тензор lij привести к главным осям (x, y, z), то уравнение принимает простой вид: q1 = — l1(∂T / ∂x); q2 = — l2(∂T / ∂x); q3 = — l3(∂T / ∂x).

Назначение теплопроводности

Так как теплопроводность – это показатель передачи тепловой энергии от нагреваемых предметов к предметам с более низкой температурой, то процесс происходит до тех пор, пока градусы не уравняются. При построении зданий желательно применять материалы с минимальным показателем теплопроводности.

Для уменьшения нагрева помещения от солнечных лучей используются покрытия с отражающей поверхностью (оцинковка, зеркальные панели), а для увеличения применяются вещества, которые хорошо поглощают свет (битум, рубероид).

Такое понятие, как коэффициент теплопроводности, обозначает количество проходящего тепла через 1 м толщины материала за 1 час. Его используют для расчёта характеристики теплоизоляционных материалов, которые потребуются для сбережения тепла внутри помещения, а также способности сырья быстро отводить или дольше сдерживать энергию внутри конструкции.

Материалы с высокой проводимостью используются в качестве основы для радиаторов и нагревательных труб. Для производства применяют алюминий, медь или сталь из-за их высокой плотности и хорошей передачи энергии. Для утепления используют сырье с низкой теплопроводностью и высокой пористостью. Например, войлок или стекловолокно способствуют улучшению энергетической эффективности.

Теплопроводность воздуха

Воздух представляет собой смесь газов в различных пропорциях, каждый из которых обладает собственными теплофизическими характеристиками. Для удобства в расчётах вместо воздуха как смеси используют его модель как однородного газа. Основные газообразные компоненты воздуха:

• кислород — 20,95% по объёму и 23,20% по весу;
• азот — 78,09% и 75,47%, соответственно;
• углекислый газ — 0,03% и 0,046%;
• водород, аргон, криптон и другие газы в ничтожных количествах.

С повышением температуры кинетическая энергия молекул атмосферных газов растет, они начинают двигаться с большей скоростью, расстояние между ними и их свободный пробег увеличиваются. Этот процесс заметен как понижение плотности воздуха. Вместе с разрежением растёт и сопротивление теплопередаче.

Изменение теплопроводности смеси атмосферных газов — сложный процесс, зависящий от многих физических явлений, например, от влажности. Поэтому коэффициент теплопроводности воздуха при различных температурах — не расчётная величина, а усреднённый результат многочисленных экспериментов. Следует отметить, что для атмосферных колебаний давления изменениями λ можно пренебречь. Таблица коэффициентов теплопроводности воздуха в зависимости от значений температуры выглядит так:

Температура, K	λ, Вт/(м·град)	Т	λ	Т	λ	Т	λ
90	0,0084	230	0,0204	370	0,0315	600	0,0469
100	0,0093	240	0,0212	380	0,0323	650	0,0497
110	0,0102	250	0,0221	390	0,0330	700	0,0524
120	0,0111	260	0,0229	400	0,0338	750	0,0549
130	0,0120	270	0,0238	420	0,0352	800	0,0573
140	0,0129	280	0,0246	440	0,0366	850	0,0596
150	0,0138	290	0,0254	460	0,0380	900	0,0620
160	0,0147	300	0,0262	480	0,0394	950	0,0643
170	0,0155	310	0,0269	500	0,0407	1000	0,0667
180	0,0164	320	0,0277	520	0,0420	1050	0,0691
190	0,0172	330	0,0285	540	0,0433	1100	0,0715
200	0,0180	340	0,0292	560	0,0445	1150	0,0739
210	0,0188	350	0,0300	580	0,0457	1200	0,0763
220	0,0196	360	0,0308

Эти данные точны для сухого газообразного воздуха в состоянии покоя при атмосферном давлении 1 бар при идеальных пропорциях составляющих его газов. На практике отклонения от табличных значений могут быть вызваны самыми разнообразными факторами.

Например, наличие промышленных производств, выбрасывающих в атмосферу огромное количество химических и биологических микрочастиц (альдегиды, аммиак, оксиды, тяжёлые металлы), приводит к значительным загрязнениям атмосферы, а подобные примеси в больших количествах способны не только локально изменить теплопроводность воздуха, но и повлиять на глобальный теплообмен в атмосфере.

Закон охлаждения Ньютона и коэффициенты

Чаще всего жидкости и газы нагреваются или охлаждаются, соприкасаясь с поверхностью различных твердых объектов. Такой процесс обмена теплом называют теплоотдачей, а поверхность, переносящая тепло, получила наименование «поверхность теплообмена» или «теплоотдающая».

Рассчитать скорость теплоотдачи можно с помощью эмпирического уравнения теплоотдачи, основанного на законе охлаждения Ньютона. Если процесс установился, то уравнение выглядит следующим образом: Q = α*F*(tж — tст)*τ, где:

• Q — поток тепла;
• α — коэффициент теплоотдачи, показывающий, сколько теплоты получает или отдаёт теплоноситель 1 м² в некий отрезок времени, если температурная разница между составляющими равна 1 °C (эта величина даёт характеристику скорости передвижения тепла в теплоносителе, она зависит от режима перемещения, физических свойств теплоносителя, геометрии каналов, состояния поверхности, отдающей энергию);
• F — теплоотдающая поверхность;
• tж — температура вещества;
• tст — температура стенки;
• τ — время.

При рассмотрении процесса теплопередачи в твёрдой стенке обязательным условием является разница между температурами поверхностей. Она образует тепловой поток, который направлен от плоскости с наиболее высокой температурой к поверхности с меньшим подобным показателем. Если процесс установился, то закон Фурье принимает вид: Q = λ*F*(t’ст — t»ст)/δ, где:

• Q — тепловой поток;
• λ — коэффициент теплопроводности, показывающий, сколько тепла проходит за временную единицу через некий отрезок теплоотдающей поверхности, если температура опускается на 1 °C на единицу длины нормали по отношению к изотермической поверхности (это физическая характеристика, которая определяет способность вещества к теплопроводности, зависящая от его природы, структуры и иных показателей);
• F — поверхность стенки;
• t’ст — t»ст — температурная разница между поверхностями стенки;
• δ — толщина стенки.

Зачастую для решения задач по физике необходимо сделать расчёт теплопередачи по формулам, подходящим для различных видов процесса. Такая разница объясняется разными физическими характеристиками веществ, а также особенностями методов передачи теплоты.

Теплоизоляционные характеристики стекла. Теплопередача и теплопроводность

Разница в температуре между двумя точками любого тела вызывает перенос тепла от горячей точки к холодной.

Теплопроводность происходит различными путями:

• теплопередача, т.е. внутри самого материала. Тепло передается последовательно от одной молекулы к другой, например, когда металлический стержень прогревается весь при нагревании с одного конца
• конвекция в жидкостях и газах. Разность температур создает разницу в плотности. Молекулы из более легких теплых участков поднимаются вверх, в то время как холодные массы движутся в противоположном направлении; эти перемещения приводят к выравниванию температур, например, так происходит при нагревании кастрюли с водой
• излучение: любое нагретое тело испускает энергию в форме электромагнитного излучения.

Оно пересекает область, прозрачную для волн; но когда волны встречают препятствие, они отдают часть своей энергии препятствию, которое в свою очередь испускает тепло. Этот путь переноса тепла работает и в вакууме, например, в случае солнечного излучения или электрической лампочки.

Конструкция стеклопакета позволяет ограничить потерю тепла путем теплопередачи через стекло благодаря наличию между двумя стеклами изолирующего пространства, заполненного осушенным воздухом или инертным газом.

Фундаментальные механизмы теплопередачи через остекление (в случае, когда наружная температура ниже температуры в помещении)

2.4.2 Теплопередача и теплопроводность

Вводная информация

Плотность теплового потока q (Вт/м 2 ) в секунду, проходящего через остекление из теплой среды в холодную, определяется следующейформулой:

где Θ_i и Θ_е температуры воздуха внутри и снаружи помещения

• R сопротивление теплопередаче остекления м.2 K/Вт

• U = 1/R коэффициент теплопередачи остекления Вт/(м2К)

Коэффициент теплопередачи U (ранее k)

Определяет количество тепла, прошедшее через остекление, в установившемся режиме через единицу площади поверхности при разнице температур воздуха по разные стороны в 1°C.

Количество тепла в секунду Q (Вт), проходящее через остекление площадью поверхности S (м2) из теплой атмосферы в холодную составляет, соответственно:

Для твердого изотропного вещества сопротивление теплопередаче R определяется как отношение его толщины e (м) к теплопроводности λ Вт/[м<):

Для минимизации теплопередачи и обеспечения максимальной теплоизоляции необходимо достичь минимально возможного значения коэффициента теплопередачи U_g остекления (т.е. сопротивление остекления теплопередаче R должно быть максимально высоким).

Стандарт EN 673 в деталях описывает методику расчета коэффициента теплопередачи остекления U_g. Значение, полученное с использованием данного расчета, представляет собой величину U_g в центральной точке остекления, т.е. исключая краевые зоны, вызванные наличием дистанционной рамки и рамы остекления, влияющие на передачу тепла

В следующей таблице показаны значения коэффициента теплопередачи различных типов остекления.

Коэффициент U_g для различных типов остекления [Вт/(мК)]

DGU High performance с iplus Advanced 1.0 (#3)

TGU с iplus LS (#2 and 3)

Коэффициент теплопроводности λ

Определяет количество тепла, прошедшее за 1 с через панель толщиной 1 м и площадью поверхности 1 м 2 при разнице температур между поверхностями в 1°C.

Теплопроводность стекла составляет 1 Вт/(мK). Оно не является теплоизоляционным материалом. Теплоизоляционным считается материал с коэффициентом теплопроводности менее 0,065 Вт/(мK).

2.4.3 Различные типы изолирующего остекления

Стандартный однокамерный стеклопакет

Стандартный однокамерный (двойной) стеклопакет изготовлен из двух листов стекла с дистанционной рамкой и полостью, заполненной осушенным воздухом. Поскольку воздух обладает теплопроводностью 0,025 Вт/(мК) (при 10 0 C), при этом теплопроводность стекла равна 1,0 Вт/(мК), воздушная прослойка улучшает термоизоляционные свойства и снижает коэффициент U_g остекления.

Однокамерный стеклопакет: ориентация компонентов и количество сторон

Поверхности однокамерного стеклопакета обычно нумеруют цифрами от 1 до 4 (снаружи внутрь), а для двухкамерного — от 1 до 6.

Определенного улучшения можно достичь посредством замены осушенного воздуха в полости (λ = 0,025 Вт/(мК), ρ = 1,23 кг/м 3 , при 10°C, т.е. при обычных условиях, описанных в стандарте EN 673) на теплоизоляционный газ, обладающий более низкой теплопроводностью, а также большей объемной массой для снижения конвекции (затрудняет перемешивание).

Теплоизолирующие газы снижают коэффициент U_g изолирующего стеклопакета на 0,2-0,3 Вт(м 2 K) и применяются исключительно в сочетании с низкоэмиссионными покрытиями. Таким образом достигается максимальное значение теплоизоляционных показателей.

На практике при производстве изоляционного стекла используется аргон (λ= 0,017 Вт/(мК), ρ = 1,70 кг/м3).

Стеклопакеты повышенной эффективности

Технологический прогресс, достигнутый в производстве высокоэффективных изоляционных покрытий играл ведущую роль в выводе на рынок целой линейки высокоэффективного изоляционного остекления.

Эти высокоэффективные теплоизоляционные покрытия называются низкоэмиссионными покрытиями (или low-e покрытиями) и представляют собой:

• мягкие low-e покрытия, производимые магнетронным нанесением
• твердые low-e покрытия, наносимые непосредственно на линии в процессе выпуска флоат-стекла.

Свойства низкоэмиссионного покрытия:

• Нейтральный внешний вид
• Высокая прозрачность (высокий уровень светопропускания)
• Высокий уровень цветопередачи

Для сочетания теплоизоляционных и солнцезащитных свойств необходимо использовать иные типы покрытий, объединяющих обе эти функции.

AGC не рекомендует устанавливать на одной стене стандартные и высокоэффективные стеклопакеты по причине незначительного различия оттенков (связанного с наличием низкоэмиссионного покрытия), способного повлиять на внешний вид остекления в отраженном свете при определенных условиях.

По умолчанию низкоэмиссионное покрытие располагается на поверхности 3 (в позиции 3) однокамерного стеклопакета. Также возможна установка в позицию 2.

Низкоэмиссионное остекление

Стандартная алюминиевая дистанционная рамка может заменяться на на теплоизолирующую рамку («теплый край»). Теплоизоляционные свойства рамки «теплый край» значительно превосходят показатели стальных или алюминиевых рамок.

Использование дистанционной рамки («теплый край») не влияет на коэффициент теплопередачи стеклопакета Ug (соответствующий коэффициенту U, замеренному в центре стеклопакет в соответствии с EN 673), но влияет на коэффициент теплопередачи окна Uw, определяющий теплопотери окна в целом.

Энергоэффективные двухкамерные стеклопакеты

Теплоизоляция возрастает благодаря наличию инертного газа в межстекольном пространстве, теплоизоляционной рамки, а так же при добавлении камеры.

В двухкамерном стеклопакете, благодаря наличию второй камеры (дополнительного теплоизоляционного слоя), U_g обычно составляют от 0,5 до 0,7 Вт/(м 2 К), в зависимости от использованной конструкции (типа покрытий, газа, толщины дистанционной рамки и т.п.).

Компоненты и процессы, используемые для производства двухкамерных стеклопакетов аналогичны компонентам и процессам в производстве однокамерного остекления. В частности, применяется low-e покрытие, располагающееся обычно в позициях 2 и 5. Солнцезащитные свойства могут быть достигнуты путем использования соответствующих покрытий.

Основными недостатками двухкамерных стеклопакетов является их толщина, масса, пониженное светопропускание и общее пропускание солнечной энергии, связанные с увеличенным количеством листов стекла.

В связи с высоким уровнем теплоизоляции двухкамерных стеклопакетов рекомендуется проводить анализ риска термошока, особенно для среднего стекла.

Как и в случае с однокамерными стеклопакетами можно использовать дистанционные рамки «теплый край» для улучшения общих теплоизоляционных показателей.

2.4.4 Температура остекления и комфорт

Чувство комфорта в любом помещении зависит не только от окружающей температуры, но также и от близости холодных поверхностей. Человеческое тело с температурой (кожи) приблизительно 28°C отдает тепло, когда приближается к холодным поверхностям, таким как остекление с плохой теплоизоляцией. Возникает дискомфортное чувство холода.

На графике ниже приведены значения температуры внутренней поверхности одинарного остекления и различных типов стеклопакетов при наружной и внутренней температуре 0°C и 20°C соответственно (в стационарных условиях).

Видно, что использование энергоэффективного остекления не только ограничивает потери тепла, но и уменьшает чувство дискомфорта, вызванное близостью холодных поверхностей.

Изменение температуры внутренней стороны остекления зависит от значения коэффициента U_g

2.4.5 Конденсат на поверхности изоляционного остекления

На поверхности остекления могут возникать три типа конденсации:

• поверхностная конденсация с внутренней стороны (поверхность 4 однокамерного стеклопакета / поверхность 6 двухкамерного стеклопакета): возникает при повышенной относительной влажности внутри помещения и/или низкой температуре внутренней поверхности остекления. При нормальных условиях внутри помещения (отапливаемое здание без отдельных источников влажности) подобный тип конденсации редко проявляется при использовании высокоэффективного изолирующего остекления
• поверхностная конденсация на наружной стороне (поверхность однокамерного или двухкамерного стеклопакета): подобная конденсация может иногда возникать на рассвете на высокоэффективных изолирующих стеклопакетах, но только после ясной ночи при практически полном отсутствии ветра. В таких условиях, принимая во внимание повышенные теплоизоляционные свойства изолирующих стеклопакетов, наружный лист стекла остывает настолько, что на внешней поверхности выпадает конденсат. Это явление носит временный характер и подтверждает эффективность остекления
• конденсация внутри стеклопакета: она указывает на дефект стеклопакета, поскольку он более не обеспечивает герметичности от пара и влаги.

Если влагопоглотитель утрачивает эффективность или герметик теряет герметичность, внутри стеклопакета образуется конденсат, и требуется замена стеклопакета.