Wärmeverluste
Während sich Wärmeenergie auf die Gesamtenergie aller Moleküle im Objekt bezieht, ist Wärme die Energiemenge, die aufgrund ihres Temperaturunterschieds spontan von einem Körper zum anderen fließt . Wärme ist eine Energieform, aber es ist Energie auf der Durchreise . Wärme ist keine Eigenschaft eines Systems. Die Energieübertragung als Wärme erfolgt jedoch auf molekularer Ebene aufgrund eines Temperaturunterschieds . Wenn eine Temperaturdifferenz macht spontan Wärmeströme bestehen aus dem wärmeren System zum kälteren System , nie umgekehrt. Diese Richtung der thermodynamischen Prozesse ist gegeben durch diezweiter Hauptsatz der Thermodynamik .
Infolgedessen muss jedes Objekt, das heißer als die Umgebung ist, kontinuierlich einen Teil seiner Wärmeenergie verlieren. Dies ist ein natürliches Verhalten aller Objekte. Wenn der Wärmestrom aufhört , sollen sie die gleiche Temperatur haben . Sie sollen sich dann im thermischen Gleichgewicht befinden . Wärmeverluste durch heißere Gegenstände treten durch drei Mechanismen auf (entweder einzeln oder in Kombination):
- Wärmeleitung . Die Wärmeleitung, auch Diffusion genannt, findet innerhalb eines Körpers oder zwischen zwei sich berührenden Körpern statt. Es ist der direkte mikroskopische Austausch der kinetischen Energie von Partikeln durch die Grenze zwischen zwei Systemen. Wenn ein Gegenstand eine andere Temperatur hat als ein anderer Körper oder seine Umgebung
- Wärmekonvektion . Die Wärmekonvektion hängt von der Bewegung der Masse von einer Raumregion zur anderen ab. Wärmekonvektion tritt auf, wenn der Massenstrom eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) zusammen mit dem Materiestrom im Fluid Wärme transportiert.
- Wärmestrahlung . Strahlung ist die Wärmeübertragung durch elektromagnetische Strahlung wie Sonnenschein, ohne dass Materie im Raum zwischen Körpern vorhanden sein muss.
Wärmeverluste – Bekleidung
Der Zweck der Kleidung ist ähnlich. Die isolierenden Eigenschaften von Kleidung ergeben sich aus den isolierenden Eigenschaften von Luft . Gase weisen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften auf und sind daher ein gutes Isolationsmaterial, wenn sie eingeschlossen werden können (z. B. in einer schaumartigen Struktur). Luft und andere Gase sind im Allgemeinen gute Isolatoren. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Abwesenheit von Konvektion . Ohne Kleidung würde unser Körper in ruhiger Luft die Luft in direktem Kontakt mit der Haut erwärmen und würde sich bald einigermaßen wohl fühlen, da Luft ein sehr guter Isolator ist. Es muss hinzugefügt werden, auch in diesem Fall wird Luft aufgrund natürlicher Konvektion strömen . In natürlicher KonvektionLuft, die einen Körper umgibt, nimmt Wärme auf und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt auf. Die Wärmeausdehnung der Luft spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten fallen schwerere (dichtere) Komponenten, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Luftmasse führt.
Im Wind würde die unseren Körper umgebende warme Luft durch kalte Luft ersetzt, wodurch der Temperaturunterschied und der Wärmeverlust des Körpers erhöht würden . Kleidung ist ein Hindernis für diese Luftbewegung. Der Hauptvorteil liegt in der Abwesenheit einer großflächigen Konvektion. Darüber hinaus werden Kleidungsstücke aus Materialien hergestellt, die im Allgemeinen gute Isolatoren sind. Viele Isoliermaterialien (z. B. Wolle) haben einfach eine große Anzahl gasgefüllter Taschen, die die Wärmeleitfähigkeit des Materials erheblich verringern. Der Wechsel von Gastasche und festem Material führt dazu, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einem raschen Abfall des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.
Wärmeverluste – Wärmedämmung
Um Wärmeverluste in der Industrie und auch beim Bau von Gebäuden zu minimieren , wird häufig eine Wärmedämmung eingesetzt. Der Zweck der Wärmedämmung von besteht darin, den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten durch Zugabe von Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verringern . Die Wärmedämmung in Gebäuden ist ein wichtiger Faktor für den thermischen Komfort der Bewohner. Die Wärmedämmung reduziert unerwünschte Wärmeverluste und den unerwünschten Wärmegewinn . Daher kann die Wärmeisolierung den Energiebedarf von Heiz- und Kühlsystemen senken. Es muss hinzugefügt werden, es gibt kein Material, das Wärmeverluste vollständig verhindern kann, Wärmeverluste können nur minimiert werden.
Ähnlich wie bei Kleidung basiert die Wärmedämmung auf Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und auf ihrer Geometrie (z. B. Doppelglasfenster). Die Isoliereigenschaften dieser Materialien ergeben sich aus den Isoliereigenschaften von Luft. Viele Isoliermaterialien (z. B. Glaswolle) funktionieren einfach durch eine große Anzahl gasgefüllter Taschen, die eine Konvektion in großem Maßstab verhindern . Die Geometrie dieser Materialien spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Beispielsweise verringert eine Vergrößerung der Breite der Luftschicht, beispielsweise die Verwendung von zwei durch einen Luftspalt getrennten Glasscheiben, den Wärmeverlust mehr als nur eine Erhöhung der Glasdicke, da die Wärmeleitfähigkeit von Luft viel geringer ist als die für Glas .
Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand
Eine Hauptquelle für Wärmeverluste aus einem Haus sind Wände. Berechnen Sie die Wärmeflussrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Die Wand ist 15 cm dick (L 1 ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 1 = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und Außenseite betragen h 1 = 10 W / m 2 K und h 2 = 30 W / m 2K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten insbesondere von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) stark abhängen.
- Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
- Nehmen wir nun eine Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke expandierte Polystyrolisolierung (L 2 ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k 2 = 0,03 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.
Lösung:
Wie geschrieben wurde, umfassen viele der Wärmeübertragungsprozesse Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Leitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bekannt ist . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Kühlung entspricht :
Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.
- kahle Wand
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 3,53 [W / m 2 K] × 30 [K] = 105,9 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 105,9 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 3177 W.
- Verbundwand mit Wärmedämmung
Unter der Annahme einer eindimensionalen Wärmeübertragung durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient wie folgt berechnet werden:
Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K.
Der Wärmefluss kann dann einfach berechnet werden als:
q = 0,276 [W / m 2 K] × 30 [K] = 8,28 W / m 2
Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:
q Verlust = q. A = 8,28 [W / m 2 ] × 30 [m 2 ] = 248 W.
Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, eine Zugabe der nächsten Schicht Wärmeisolator verursacht keine so hohen Einsparungen. Dies ist besser aus der Wärmewiderstandsmethode ersichtlich, mit der der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.
Beispiel – Wärmeverlust durch ein Fenster
Wärmeverlust durch Fenster
Eine Hauptquelle für Wärmeverluste aus einem Haus sind die Fenster. Berechnen Sie die Wärmeflussrate durch ein Glasfenster mit einer Fläche von 1,5 m × 1,0 m und einer Dicke von 3,0 mm, wenn die Temperaturen an der Innen- und Außenfläche 14,0 ° C bzw. 13,0 ° C betragen. Berechnen Sie den Wärmefluss durch dieses Fenster.
Lösung:
Zu diesem Zeitpunkt kennen wir die Temperaturen an den Materialoberflächen. Diese Temperaturen sind auch durch die Bedingungen innerhalb und außerhalb des Hauses gegeben. In diesem Fall fließt Wärme durch Wärmeleitung durch das Glas von der höheren Innentemperatur zur niedrigeren Außentemperatur. Wir verwenden die Wärmeleitungsgleichung:
Wir nehmen an, dass die Wärmeleitfähigkeit eines gewöhnlichen Glases k = 0,96 W / mK beträgt
Der Wärmefluss beträgt dann:
q = 0,96 [W / mK] × 1 [K] / 3,0 × 10 –3 [m] = 320 W / m 2
Der Gesamtwärmeverlust durch dieses Fenster beträgt:
q Verlust = q. A = 320 x 1,5 x 1,0 = 480 W.
Es muss hinzugefügt werden, 15 ° C ist nicht sehr warm für das Wohnzimmer eines Hauses. Diese Temperatur entspricht jedoch nicht der Innentemperatur, sondern der Oberflächentemperatur. Aufgrund des endlichen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten gibt es immer einen erheblichen Temperaturabfall zwischen der Innentemperatur und der Fensteroberflächentemperatur. Beachten Sie, dass beide Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.
Siehe auch: Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient
Ähnlich wie bei Kleidung basiert die Wärmedämmung auf Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit und auf ihrer Geometrie (z. B. Doppelglasfenster). Die Isoliereigenschaften dieser Materialien ergeben sich aus den Isoliereigenschaften von Luft. Viele Isoliermaterialien (z. B. Wolle) funktionieren einfach durch eine große Anzahl gasgefüllter Taschen, die eine Konvektion in großem Maßstab verhindern . Die Geometrie dieser Materialien spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Beispielsweise verringert eine Vergrößerung der Breite der Luftschicht, beispielsweise die Verwendung von zwei durch einen Luftspalt getrennten Glasscheiben, den Wärmeverlust mehr als nur eine Erhöhung der Glasdicke, da die Wärmeleitfähigkeit von Luft viel geringer ist als die für Glas .
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