Что влияет на потерю тепла излучением

Что влияет на потерю тепла излучением

Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение, теплопроведение, конвекция и испарение.

Излучение — это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5—20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения — это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40—60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40—50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.

Рис. 13.4. Виды теплоотдачи. Пути отдачи тепла организмом во внешнюю среду можно условно подразделить на «влажную» теплоотдачу, связанную с испарением пота и влаги с кожи и слизистых оболочек, и на «сухую» теплоотдачу, которая не связана с потерей жидкости.

Теплопроведение — способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.

Конвекция — способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность — 40—60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25—30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).

Отдача тепла организмом путем теплопроведения, конвекции и излучения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей, становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.

Теплоотдача путем испарения — это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».

При температуре внешней среды около 20 «С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500— 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.

Источник

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ИЗЛУЧЕНИЕМ ЧЕРЕЗ СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

В тепловом контуре здания светопрозрачные ограждающие конструкции имеют значительную долю по площади. Однако они имеют худшую теплозащиту: приведенное сопротивление теплопередачи оконного блока с двойным остеклением 5…6 раз меньше, чем у наружных стен. Поэтому через световые проемы теряется значительное количество теплоты – 20. 30 % всех тепловых потерь жилого здания [1].

Тепловые потери через светопрозрачные ограждения происходят по нескольким каналам: потери через оконный блок и переплеты (мостики холода, неплотности), потери за счет теплопроводности воздуха и конвективных потоков между стеклами, а также теплопотери посредством теплового излучения.

Рис 1. Теплопотери в многоквартирных домах типовых серий, строящихся с 2011 по 2015 годы (в соответствии с ПП РФ № 18) [1]

Одним из самых эффективных способов повышения энергоэффективности светопрозрачных конструкций является теплопоглощающее остекление, которое содержит определенный процент металла с поглощением лучей с длиной волны более 0,7 нм. Теплопропускная способность остекления зависит от угла падения солнечных лучей и толщины стекла. Теплопоглощающее стекло всегда наружное. Теплоотражающие стекла покрывают металлическими или полимерными пленками. Коэффициент теплопропускания таких стекол составляет 0,2…0,6. В ряде стран применяют трехслойные теплоотражающие пленки, приклеиваемые к стеклам после окончания работ по остеклению. В этом случае удается снизить до 0,13. Также применяются стекла с энергосбережением (И-стекло) — это стекло с напылением оксида метала (или цинка или серебра) его ставят во внутреннюю часть стеклопакета, чтобы стекло покрытием было направлено в межстекольное пространство. Это способствует нагреванию поверхности стекла, за счет многократного отражения ик-волны, что значительно уменьшает конденсат на поверхности [2].

Расчёт проводим на примере одинарного стекла. При расчете теплопотерь через окна величину теплового потока на отдельных участках радиационно-конвективного переноса теплоты (на внутренней и внешней поверхностях окна, в межстекольном зазоре) принято выражать в виде суммы конвективной и лучистой составляющих. При этом, величину каждой из этих составляющих при фиксированном перепаде температуры Δt на отдельном участке вычисляют с использованием коэффициентов конвективного α_к н лучистого α_л теплообмена [3, 4]:

Однако вследствие изменения как самих этих составляющих тепловою потока, так и соотношения между ними на различных участках переноса теплоты через окно составить заключение о величине каждой из этих составляющих и о влиянии на них основных параметров процесса достаточно сложно. Кроме того, при этом теряется общее представление о физической природе каждого из процессов конвективного и лучистого переноса теплоты. Ниже рассматривается только лучистый перенос теплоты через окно.

Эта характеристика, помимо значений F₁ и F_в зависит от степени черноты стекла и степени черноты поверхности помещения. Учитывая тот факт, что в подавляющем большинстве практических задач внутренняя поверхность помещения F_в значительно больше поверхности стекла, получаем F₁/F_в 0. В итоге для всех этих случаев выражение (3) существенно упрощается

От поверхности стекла F₁ лучистый тепловой поток рассеивается в окружающую среду. Две излучающие поверхности (поверхность стекла F₁ и поверхность окружающей среды F_в) образуют замкнутую систему, причем поверхность стекла не имеет вогнутостей. Для такой излучающей системы плотность теплового потока, передаваемого от поверхности стекла F₁ в окружающую среду, определяется соотношением

Поскольку поверхность F_н окружающей среды бесконечно велика по сравнению с поверхностью стекла F₁, то F₁/F_н 0, то приведенная степень черноты этой системы равна степени черноты стекла

В установившемся процессе плотность теплового потока q_в1, воспринимаемого поверхностью стекла от поверхности помещения, равна плотности теплового потока q_1н, рассеиваемого стеклом в окружающую среду:

Соотношения (2), (5) и (8) составляют систему из трех уравнений для определения трех неизвестных q_в1, q_1н, T₁. Приравнивая (2) и (5) и учитывая получаем соотношение

Отсюда сначала находим неизвестную температуру T₁ стекла

Подставляя это значение в любое из выражений (2) или (5), получаем выражение для расчета величины лучистого теплового потока q_л, передаваемого из помещения в окружающую среду через оконный проем с одинарным стеклом:

в котором приведенная степень черноты рассчитывается по формуле

Сравнивая соотношения (5) и (12), видим, что они внешне одинаковы, но входящие в них величины и рассчитываются по несколько отличающимся выражениям (6), (7) и (13) соответственно. При этом выражение (13) является частным случаем соотношения (6) при F₁/F_н = 1.

2. Для обычного оконного стекла степень черноты для низкотемпературного теплового излучения достаточно велика = 0,91…0,94 и близка к 1 [4]. Для такого теплового излучения стекло является практически черным телом, т е. оно поглощает всё падающее на него тепловое излучение. Это коренным образом отличается от поведения стекла по отношению к видимому свету, который стекло пропускает почти полностью. Так, например, оконное стекло толщиной 4,5 мм пропускает 0,96 падающего видимого света и поглощает только 0,04 его [4].

В качестве примера на рис 4 приведены экспериментальные данные для оконных стекол. Из этих данных следует, что прозрачное для видимого света обычное оконное стекло толщиной 2 мм становится непрозрачным и черным для теплового излучения с длиной волны больше 5 мкм. Именно в этом длинноволновом диапазоне расположена основная часть спектра низкотемпературного теплового излучения черных тел, имеющих температуру ниже 40 °С (рис. 4).

3. Размещение в оконном проеме одинарного стекла позволяет примерно вдвое уменьшить тепловой лучистый ноток за счет его переизлучения стеклом по сравнению с оконным проемом без стекла (коэффициент 1/2 в правой части выражения (11)). Даже одинарное стекло создает значительным экранирующий эффект.

Экранирующим эффект стекла можно значительно увеличить, а проходящий через стекло лучистый тепловой поток соответственно снизить за счет применения стекол со специальным покрытием. Такие стекла называют селективными, или низкоэмиссионными. Теплоизолирующая способность селективного стекла много лучше, чем у обычного. Солнечное коротковолновое излучение хорошо проникает через такое стекло и нагревает поверхности внутри помещения, которые, в свою очередь, излучают длинноволновое тепловое излучение, эффективно отражающееся от поверхности селективного стекла обратно.

В настоящее время применяют два типа покрыт ни, различающихся по технологии нанесения [6].

1. «Твердое покрытие» на основе оксида олова SnO₂, называемое иначе «полупроводниковым покрытием». Наносится непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла (так называемая технология on-line – англ. «на линии») за счет химической реакции пиролиза (разложения вещества под действием высоких температур). Во время этой реакции слой оксида олова тол шиной порядка 400…600 нм оседает на поверхность горячего стекла, становясь неотделимой его частью.

При этом образуется крепкое и прочное металлическое покрытие, обладающее химической, механической и термической стойкостью, равноценной стеклу без покрытия. Твердые покрытия устойчивы к воздействию погодных условии и выдерживают воздействия температур до 620 °С.

Рис. 4. Спектральная плотность излучения поверхности абсолютно черного тела как функция длины волны излучения при различных температурах черного тела [7]

В зависимости от типа покрытия поглощательная (излучательная) способность в диапазоне длин волн низкотемпературного теплового излучения составляет = 0,16…0,20 для стекол с твердым покрытием и = 0,04…0,12 для стекол с мгяким покрытием. Внешний вид таких стекол практически не отличается от обычных.

Пример расчёта [7]. Пусть вместо обычного стекла с излучательной способностью = 0,94 в окно установлено низкоэмиссионное стекло с пониженной излучательно-поглощательной способностью = 0,12. Согласно выражению (11):

Заключение. В результате проведённого исследования были изучены современные технология изготовления светопрозрачных ограждающих конструкций, изучена модель лучистой теплопередачи через светопрозрачные ограждающие конструкции.

По результатам исследования можно сказать, что использования селективных покрытий позволяет снизить в несколько раз тепловые потери лучистым теплообменом по сравнению с обычными (ненизкоэмиссионными стёклами).

Библиографический список

1. Ливчак В. И. Еще один довод в пользу повышения теплозащиты зданий // Энергосбережение, 2012, №6.

2. Захаров В.М., Смирнов Н.Н., Калинина Л.Б. Энергосберегающие конструкции окон на основе применения теплоотражающих экранов. // Светопрозрачные конструкции, 2008, №5-6, С. 42…45.

3. Дроздов В.А., Савин В.К., Александров Ю.П. Теплообмен в светопрозрачных конструкциях. – М.: Стройиздат, 1979. – 307 с.

4. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). – СпБ.: Издательство «АВОК Северо-Запад», Санкт-Петербург, 2006. – 400 с.

5. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с.

6. Борискина И. В., Плотников А. А., Захаров Л. И. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий: Учебное пособие. – М.: Издательство АСВ, 2000. – 182 с.

7. Майоров В.А. Передача теплоты через окна: Учеб. пособие. Издательство АСВ, – М.: 2014. – 120 с.

Источник

Сайт о выживании, Survival guide

Гипотермия, так называют понижение средней температуры тела человека ниже 35 градусов. Контролируемая гипотермия используется иногда в хирургии, чтобы временно снизить показатели обмена веществ пациента. Но если средняя температура тела опустится до 33 градусов Цельсия или ниже, то вы уже вряд ли сможете помочь себе самостоятельно. Чтобы контролировать свою внутреннюю температуру, тело должно быть способно чувствовать разницу температур с окружающей средой и соответственно реагировать. Для этого оно снабжено рецепторами расположенными на коже, в спинном мозге, мускулатуре и в головном мозге, которые своевременно запускают физиологические изменения, чтобы оперативно справиться с воздействием негативных наружных условий на организм.

На развитие и протекание гипотермии влияет множество факторов :

— Возраст и пол.
— Состояние здоровья.
— Качество питания и степень истощения.
— Подверженность природным воздействиям и продолжительность этого воздействия.
— Ветер, температура и влажность воздуха.
— Предшествующая адаптация к холоду и так далее.

Признаки и симптомы наступления гипотермии.

Регулирование средней температуры тела.

Регулирование средней температуры тела называется терморегуляцией и становится возможной при осуществлении соответствующих физиологических реакций и рефлексов, таких как :

— Сужение кровеносных сосудов.
— Увеличение кровеносных сосудов.
— Озноб и дрожь.
— Потоотделение.

Регулирование температуры у человека представляет собой баланс между выработкой тепла в результате обменных процессов, таких как например пищеварение и отдачей тепла в результате дыхания, испарения (потоотделения), физики радиации, конвекции и проводимости. В холодной обстановке тепло тела сохраняется в первую очередь за счет сужения кровеносных сосудов, расположенных возле поверхности тела, оставляя большую часть крови (тепла) в центральной части тела. Это позволяет телу использовать кожу и находящуюся под ней жировую прослойку как изоляционный материал.

Единственная область кожи, которая не сужает кровоток и всегда сохраняет примерно постоянную температуру, несмотря на условия окружающей среды — кожа головы. Это становится одной из причин, по которой голова и шея очень быстро теряют и приобретают тепло. Именно поэтому они нуждаются в особой защите от негативных воздействий окружающей среды. Пытаясь урегулировать температуру, тело изменяет силу кровотока к коже. В холодную погоду кровеносные сосуды значительно уменьшают кровоток к коже от обычного объема. Когда температура продолжает падать, кровеносные сосуды в коже расширяются. А если температура продолжает опускаться еще ниже, то начинают поочередно сжиматься и расширяться, чтобы тело могло убедиться, что кожа остается не поврежденной холодом.

Наглядным результатом этих действий становятся красные уши, нос, руки и другие выступающие из одежды части тела. Если температура снаружи продолжает снижаться, то и наружные кровеносные сосуды продолжают сужаться. Следующая реакция тела на холод — это неконтролируемые частые судорожные сокращения мышц от 10 до 20 раз в секунду, более известные как дрожь, могут повысить обмен веществ почти в пять раз. Энергия требуемая на дрожание берется из жиров и простых сахаров, очень быстро расходуется и требует пополнения, например в виде пищи.

Дрожание уменьшается, когда поднимается уровень углекислого газа (плохо вентилируемое помещение), когда кислород в воздухе становится более разряженным (на большой высоте над уровнем моря) или после употребления алкоголя, который также уменьшает реакцию дрожания. Именно по этому не рекомендуется употребление алкоголя в холодных условиях. Расширяя кровеносные сосуды на поверхности тела он затрудняет и мешает естественным процессам терморегуляции, гипотермия наступает быстрее. Кровеносные сосуды суженные из-за употребления никотина, обезвоживания или по другим причинам, также не приведут ни к чему хорошему.

Когда кровь в системе кровообращения теряет воду, она становится более густой. Густая кровь циркулирует медленнее и труднее качается сердцем, что в свою очередь затрудняет способность тела отдавать лишнее или распространять необходимое тепло. Несмотря на то, что обезвоживание запускает защитные функции организма, одна из которых уменьшает количество потерь воды через мочу, воздействие холодной погоды наоборот увеличивает ее выработку, организм стремится избавиться от лишней жидкости, чтобы снизить энергозатраты на поддержание тепла. Конечным результатом является то, что тело теряет больше воды, чем в обычных условиях.

Еще одна реакция организма на холод особо ярко проявляется у людей с густым волосяным покровом на теле — это поднятие волос дыбом или гусиная кожа. Гусиная кожа приподнимает волосы тела, таким образом создавая крошечные воздушные изолирующие мешочки и увеличивая толщину волосяного покрова.

Факторы влияющие на потери тепла.

Проводимость.

Проводимость это передача тепла через прямой контакт, включая горячий или холодный воздух, воздействующий на кожу. Направление теплового потока всегда формируется от теплого к холодному, поэтому каждый раз, когда мы прикасаемся к чему то, что холоднее, чем наша температура тела, то мы теряем тепло через проводимость. Если же прикасаемся к тому, что теплее нашего тело, то наоборот — получаем тепло. Различные вещества могут довольно резко различаться по своей теплопроводности, так проводимость воды в 25 раз больше проводимости воздуха, в то время как мышцы почти вдвое теплопроводимее тканей жиров.

Вода отнимает от организма человека в 11 раз больше тепла, чем воздух такой же температуры, мокрая одежда отдает в 4 раза больше тепла, чем сухая. При нахождении человека в воде или в мокрой одежде теплопродукция в организме увеличивается в 3-9 раз, однако это не может компенсировать теплопотери, в результате чего наступает переохлаждение или гипотермия.

Конвекция.

Конвекция это передача тепла через потоки воздуха и жидкостей, она может быть принудительной (вынужденной) и естественной. Примером принудительной конвекции будут открытые окна движущегося автомобиля или работающий вентилятор. Естественная конвекция происходит, когда при нагревании или охлаждении изменяется плотность молекул воздуха находящихся возле тела, что заставляет их самих двигаться прочь от тела или к телу. Человеческое тело обладаем граничным слоем медленно движущихся рядом с кожей молекул, образующегося за счет энергии тела.

Например, садясь в ванну с горячей водой, приходится делать это медленно, постепенно и с привыканием. Но по прошествии нескольких минут, если сидеть спокойно, вода уже не будет казаться такой обжигающей, как в начале. Однако стоит только поменять положение тела и таким образом потревожить граничный слой, как вода вдруг снова покажется намного горячее, чем была. Классическая конвекция — это ветер.

Охлаждение ветром является причиной того, что температура окружающей среды воспринимается нами намного холоднее, чем она есть на самом деле. В нейтральных условиях почти 40 % потерь тепла обнаженного человеческого тела происходит в результате конвекции, если добавить к этому мокрую одежду или сильный ветер, то этот процент значительно вырастет, поэтому конвекция сильно повышает вероятность гибели от гипотермии.

Излучение (радиация).

Излучение это процесс потери или приобретения тепла. Длинноволновое излучение исходит от огня, человеческого тела и от всего, что имеет температуру выше абсолютного нуля. Потери излучаемого тепла насчитывают почти 45 % общей потери тепла от обнаженного тела в нейтральных условиях и зависят от площади, например если вы свернетесь лежа «клубочком», то это уменьшит потери излучаемого вами тепла как минимум на 35 % по сравнению с обычным положением.

Коротковолновое излучение идет от Солнца и его интенсивность зависит от сезона, времени дня, высоты над уровнем моря, географической широты, отражаемости поверхности, атмосферного загрязнения, озоновых уровней и так далее. Излучение от солнечного света нагревает человеческое тело тремя способами — прямо через кожу, отражением от атмосферы и отражением от земли. В отличие от длинноволнового излучения, коротковолновая радиация поглощается темной одеждой и пигментацией кожи.

Испарение.

Испарение это процесс потери тепла через преобразование жидкости в пар. Основными способами, которыми тело теряет тепло в жаркой окружающей среде, является испарение воды в форме пота с поверхности кожи и выдыхаемая влага. В пустыне потовые железы человека действуют как спасители, ну а холодной зимой потоотделение особенно опасно. Если одежда не дышит, то есть не пропускает воздух с одной стороны, а водяные пары не могут испаряться сквозь ткань с другой, то капли пота скапливаются на теле и внутренней части одежды. Теплоизолирующие свойства одежды уменьшаются и происходит переохлаждение или гипотермия организма.

Дыхание.

Дыхание это процесс отдачи тепла и водных испарений через дыхательную поверхность легких, когда сочетаются процессы теплоизлучения, конвекции и испарения. Каждый вдох и выдох согревает или охлаждает вдыхаемый воздух и соответственно охлаждает или нагревает легкие, а это в свою очередь оказывает существенное влияние на организм и чаще всего негативное.

В заключении, чем опасна гипотермия :

Источник