TCVN9313:2012

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9313:2012 (ISO 7345:1987) về Cách nhiệt - Các đại lượng vật lý và định nghĩa TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 9313:2012 ISO 7345:1987 CÁCH NHIỆT - CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA Thermal insulation - Physical quantities and definitions Lời nói đầu TCVN 9313 : 2012 hoàn toàn tương đương với ISO 7345 : 1987 TCVN 9313 : 2012 được chuyển đổi từ TCXDVN 299 : 2003 ( ISO 7345 : 1987) theo quy định tại khoản 1 Điều 69 của Luật Tiêu chuẩn và Quy chuẩn kỹ thuật và điểm a), khoản 1, điều 7 Nghị định 127/2007/NĐ-CP quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật tiêu chu ẩ n và Quy chuẩn kỹ t huật. TCVN 9313 : 2012 do Viện Kiến trúc, Quy hoạch Đô thị và Nông thôn biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chu ẩ n Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố. TCVN 9313:2012 CÁCH NHIỆT - CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ VÀ ĐỊNH NGHĨA Thermal insulation - Physical quantities and definitions 1. Phạm vi áp dụng Tiêu chuẩn này định nghĩa các đại lượng vật lý sử dụng trong lĩnh vực cách nhiệt và đưa ra các ký hiệu và đơn vị tương ứng. CHÚ THÍCH: Do phạm vi c ủ a tiêu chuẩn này ch ỉ giới hạn trong lĩnh vực cách nhiệt nên một số định nghĩa đưa ra ở Điều 2 khác v ớ i những định nghĩa đưa ra trong TCVN 7870-5 : 2007. Để phân biệt sự khác nhau đó, trước c á c thuật ngữ c ó đánh dấu sao (*). 2. Các đại lượng vật lý và định nghĩa Bảng 1 - Các đại lượng vật lý Tên gọi Đại lượng Đơn vị 2.1 . Nhiệt, nhiệt lượng Q J 2.2 . Lưu lượng dòng nhiệt: Nhiệt lượng truyền tới hoặc truyền từ một hệ thống chia cho thời gian: f = F W 2.3 . Cường độ dò ng nhiệt: Lưu lượng d òng nhiệt chia cho diện tích: q = CHÚ THÍCH: Từ “cường độ ” có thể thay thế bằng thuật ngữ “ cường độ bề mặt” khi có thể nhầm lẫn với thuật ngữ “cường độ theo chi ề u d à i ” (Xem 2.4). q W /m 2 2.4 . Cường độ dòng nhiệt: Lưu lượng dòng nhiệ t chia cho chiều dài: q l = q l W /m 2.5 . Hệ s ố dẫn nhiệt: Đại lượng được xác định theo biểu thức CHÚ TH Í CH: Khái niệm ch í nh xác v ề hệ số dẫn nhiệt xem Ph ụ lục A. Khái niệm này cũng liên quan tới việc sử dụng khái niệm hệ số dẫn nhiệt cho vật liệu xốp đẳng hướng hoặc dị hướng, ảnh hưởng của nhiệt độ v à các điều kiện thử nghiệm. l W/(m.K) 2.6 . Nhiệt trở su ấ t: Đại lượng được xác định bởi biểu thức: CH Ú THÍCH: Khái niệm chính xác v ề nhiệt tr ở suất xem Phụ lục A. r (m.K)/W 2.7 . * Nhiệt trở 1) : Chênh lệch nhiệt độ chia cho cường độ dòng nhiệt trong trạng thái ổn định. R = CHÚ THÍCH: 1) Đối với một lớp phẳng khi sử dụng khái niệm hệ số dẫn nhiệt và khi tính chất không đổi hoặc tuyến tính với nhiệt độ (Xem Phụ l ục A) thì: R = Trong đ ó : d là chi ề u dày của l ớ p phẳng. Các định nghĩa này giả thiết định nghĩa v ề hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và một diện tích mà cường độ dòng nhiệt truyền qua đ ó l à đồng nhất. Nhiệt trở có thể liên quan tới vật l iệu, cấu trúc hoặc bề mặt. Nếu T 1 hoặc T 2 không phải là nhiệt độ c ủ a bề mặt chất rắn mà c ủ a bề mặt ch ấ t lỏng, th ì nhiệt độ tham chiếu phải được xác định trong mỗi trường hợp cụ thể (có tham chiếu với sự truyền nhiệt đối lưu tự do hay cưỡng bức và bức xạ nhiệt từ các vật xung quanh...). Khi xác định giá tr ị nhiệt tr ở thì phải biết T 1 và T ­2 . 2) “Nhiệt trở ” có thể thay th ế bằng thuật ngữ “nhiệt trở b ề mặt ” khi n ó có th ể nhầm lẫn với thuật ngữ “nhiệt tr ở theo chiều d ài ” (Xem 2.8). R (m 2 .K)/W 2.8 . * Nhiệt trở theo chiều dài: Chênh lệch nhiệt độ chia cho cường độ dòng nhiệt theo chiều dài trong điều kiện ổ n định: R­ l = CHÚ THÍCH: Giả thiết về đ ị nh nghĩa hai nhiệt độ T 1 , T 2 v à chi ề u dài mà cường độ theo chiều dài c ủ a d ò ng nhiệt là đồng nh ấ t. Nếu bên trong hệ thống T 1 hoặc T 2 không phả i là nhiệt độ c ủ a bề mặt ch ấ t r ắ n mà là của bề mặt chất l ỏ ng th ì nhiệt độ tham chiếu đó phải được xác đ ị nh trong từng trư ờ ng hợp cụ th ể (có chú ý đến truyền nhiệt đ ố i lưu hay cưỡng bức và bức xạ nhiệt từ các mặt xung quanh,...). Khi xác định giá trị nhiệt trở theo chiều dài thì phải biết T 1 và T 2 . R l (m.K)/W 2. 9. Hệ s ố trao đổi nhiệt bề mặt: Cư ờ ng độ dòng nhiệt tại bề mặt trong điều kiện ổn định chia cho chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt đó và môi trường xung quanh. h = CH Ú T H Í CH: Giả thiết về định nghĩa bề mặt truyền nhiệt, nhiệt độ bề m ặ t T s , nhiệt độ không kh í T a là xác định (có sự tham chiếu với sự truyền nhiệt đối lưu tự do hay cưỡng bức và bức xạ từ các mặt xung quanh,...). h W/(m 2 . K) 2.10 . Độ dẫn nhiệt: Số nghịch đảo của nhiệt tr ở từ bề mặt này tới bề mặt kia trong điều kiện cường độ dòng điện l à đồng nhất. A= CHÚ THÍCH: “Độ dẫn nhiệt ” được thay thế bằng “độ dẫn nhiệt b ề mặt ” khi nó có thể bị nhầm l ẫ n với thuật ngữ “độ dẫn nhiệt theo chiều d à i ” . A W/(m 2 .K) 2.11 . Độ dẫn nhiệt theo chiều dài: Số nghịch đảo của nhiệ t trở theo chiều dài từ bề mặt này tới bề mặt kia trong điều kiện cường độ dòng nhiệt là đồng nhất. L 1 = L 1 W/(m.K) 2.12 . Độ truyền nhiệt: Dòng nhiệt ở đi ều kiện ổn định chia cho tích số của diện tích và chênh lệch nhiệt độ của môi trư ờ ng ở hai phía của hệ thống: U = CHÚ THÍCH: 1) Giả thiết định nghĩa về hệ thống, hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và các điều kiện biên là xác đ ị nh. 2) “Độ truyền nhiệt” được thay thế bằng thuật ngữ “Độ truyền nhiệt b ề mặ t” khi n ó có thể nh ầ m lẫn với thuật ngữ “ đ ộ truyền nhiệt theo chiều dài ” (Xem 2.13). 3) Số nghịch đảo của độ truyền nhiệt là t ổ ng nhiệt trở của m ô i trường ở hai phía của hệ thống. U W/(m 2 .K) 2.13 . Độ truyền nhiệt theo chiều dài: Dòng nhiệt ở điều kiện ổn định chia cho tích số của chiều dài và chênh lệch nhiệt độ của môi trường ở hai phía của hệ thống: U l = CHÚ THÍCH: 1) Giả thiết định nghĩa về hệ thống, hai nhiệt độ tham chiếu T 1 , T 2 và các điều kiện biên là xác định. 2) S ố nghịch đảo của độ truyền nhiệt theo chiều dài là tổng nhiệt trở theo chiều dài giữa m ô i trường ở hai phía của hệ thống. U l W/(m.K) 2.14 . Nhiệt dung: Đại lượng được xác định bằng phương trình sau: C = CHÚ TH Í CH: Khi nhiệt độ c ủ a hệ thống tăng lên một lượng dT do sự tăng thêm một lượng nh ỏ nhiệt dQ thì đại lư ợng dQ / dT gọi l à nhiệt dung. C J/K 2.15 . Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung chia cho kh ối lượng c J/(kg.K) 2.15.1 . Nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi c p J/(kg.K) 2.15.2 . Nhiệt dung riêng ở thể t í ch không đổi c v J/(kg.K) 2.16 . * Hệ số khuyếch tán nhiệt: Hệ số dẫn nhiệt chia cho tích số giữa khối lượng riêng và nhiệt dung riêng. a = CHÚ THÍCH: 1) Đối v ớ i chất lỏng, nhiệt d ung riêng th í ch hợp l à c p . 2) Định nghĩa này giả thiết môi trường đồng nhất, kh ô ng trong suốt. 3) Hệ số d ẫn nhiệt độ có liên quan tới trạng thái không ổn định v à có thể đo trực tiếp hoặc tính toán bằng công thức trên từ các đại lượng được đo riêng rẽ. 4) Ngoài ra, hệ s ố dẫn nhiệt độ c ó k ể đến sự thay đ ổ i nhiệt độ ở bên trong khối vật liệu khi nhiệt độ ở bề mặt thay đ ổ i. H ệ số dẫn nhiệt độ c ủ a vật liệu c à ng cao th ì nhiệt độ b ê n trong vật liệu càng nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ bề mặt. a m 2 /s 2.17 . Hệ s ố hàm nhiệt: Căn bậc hai của tích số giữa độ dẫn nhiệt, khối lượng riêng và nhiệt dung riêng. CHÚ THÍCH: 1) Đối với chất lỏng, nhiệt dung riêng thích hợp là c p . 2) Đặc tính này liên quan tới điều kiện không ổn định. N ó có th ể được đo hoặc tính toán bằng c ô ng thức trên t ừ các đại lượng đo riêng rẽ. Ngoài ra, hệ s ố hàm nhiệt thể hiện sự thay đổi c ủ a nhiệ t độ bề mặt vậ t liệu kh i cường độ dòng nhiệt đi qua b ề mặt thay đổi. Hệ số hàm nhiệt c ủ a vật liệu càng thấp thì nhiệt độ b ề mặt càng nhạy c ả m với sự thay đổi c ủ a d òng nhiệt tại b ề mặt. b J/(m 2 .K.s 1/2 ) 3. Đặc tính năng lượng của công trình Bảng 2 - Đặc tính năng lượng Tên gọi Đại lượng Đơn vị 3.1 . H ệ s ố tổn thất nhiệt theo thể tích: Dòng nhiệt từ c ô ng trình chia cho tích số thể tích và chênh lệch nhiệt độ giữa môi trường bên trong và bên ngoài: F v = CHÚ THÍCH: Dòng nhiệt có thể bao g ồ m: các tác động truyền nhiệt qua v ỏ bao che của công tr ì nh, hệ thống thông gió, bức xạ mặt trời,... Trong đó, đại lượng thể tích V phải được xác định. Khi áp d ụng h ệ số tổn thất nhiệt theo thể tích chấp nhận các định nghĩa v ề nhiệt độ bên trong , nhiệt độ bên ngoài, thể tích và các tác động nhiệt khác gây ra lưu lượng dòng nhiệt. F v W/(m 3 .K) 3.2 . Hệ s ố tổn th ấ t nhiệt theo diện tích : Dòng nhiệt từ công trình chia cho tích s ố diện tích và chênh lệch nhiệt độ g i ữa môi trường bên trong và bên ngoài: F s = CHÚ THÍCH: Dòng nhiệt có thể bao gồm : các tác động truyền nhiệt qua vỏ bao che c ủ a công tr ì nh, hệ thống thông gió, bức xạ mặt trời, … Diện tích có thể là diện tích vỏ bao che, diện t í ch sàn,... Khi á p dụng hệ s ố tổn thất nhiệt theo th ể tích ch ấ p nhận các định nghĩa về nhiệt độ bên trong, nhiệt độ bên ngoài, thể t í ch và các t á c động nhiệt khác gây ra lưu lượng dòng nhiệt. F s W/(m 2 .K) 3.3 . Bội số trao đổi không khí: S ố l ần thay đ ổ i không khí trong một thể tích xác định chia cho thời gian. CHÚ THÍCH: Đơn v ị của bội số trao đổi không khí (h -1 ) không phải l à đơn vị đo trong hệ S I . Tuy vậy, số lần thay đổi kh ô ng khí trong một giờ nói chung được ch ấ p nhận để thể hiện bội số trao đổi không kh í . n h -1 4. Ký hiệu và đơn vị đo của các đại lượng khác Bảng 3 - K ý hiệu v à đơn v ị đo các đại lượng khác Tên gọi Đại lượng Đơn v ị 4.1 . Nhiệt độ động lực T K 4.2 . Nhiệt độ bách phân q ° C 4.3 . Chiều dày d m 4.4 . Chiều dài l m 4.5 . Chiều rộng b m 4.6 . Diện tích A m 2 4.7 . Thể tích V m 3 4.8 . Đường kính D m 4.9 . Thời gian t S 4.10 . Khối lượng m Kg 4.11 . Khối lượng riêng p kg/m 3 5. Các ký hiệu phụ Đ ể tránh nhầm lẫn, cần sử dụng những ký hiệu phụ hoặc các dấu hiệu nhận biết khác. Trong trường hợp đó ý nghĩa của chúng cần r õ ràng. Những ký hiệu dưới đây được khuyến cáo sử dụng: - Bên trong (interior): i - Bên ngoài (exterior): e - Bề mặt (sur f ace): s - Mặt trong (interior sur f ace): si - Mặt ngoài (exterior sur f ace): se - D ẫ n nhiệt (conduction): cd - Đối lưu (convection): cv - Bức xạ (radiation): r - Ti ế p xúc (contact): c - Không gian khí (không khí) (gas (air) space): g - Môi trường xung quanh (ambient): a PHỤ LỤC (Tham khảo) KHÁI NIỆM VỀ ĐỘ DẪN NHIỆT A. 0 . Giới thiệu Đ ể hiểu rõ thêm khái niệm độ dẫn nhiệt khi áp dụng, phụ lục này đưa ra cách giải th í ch theo toán học chính xác hơn. A.1. Gr a dian nhiệt (grad T) tại điểm P Đây là một véctơ theo hư ớ ng pháp tuyến n với mặt đẳng nhiệt chứa điểm P . Độ lớn của nó bằng đạo hàm c ủ a nhiệt độ T theo khoảng cách từ P dọc theo phương pháp tuyến n, véc t ơ đơn vị l à . Từ định nghĩa này có: (A.1) A .2. Cường độ dò ng nhiệt bề mặt q, ở điểm P (bề mặt có dòng nhiệt được truyền qua) Được xác định như sau: (A.2) Khi đề cập đến sự trao đổi nhiệt do dẫn nhiệt ở mỗi điểm của vật thể nơi tồn tại sự dẫn nhiệt thì đại lượng q phụ thuộc vào hướng của bề mặt (t ứ c là phụ thuộc vào hướng pháp tuyến ở điểm P tới bề mặt diện tích A) v à có thể tìm được hư ớ ng ph á p tuyến n với bề mặ t diện tích A n chứa điểm P , nơi mà trị s ố q có giá trị l ớ n nhất và được ký hiệu bằng véctơ : (A.3) Đối với bề mặt bất kỳ diện tích A s đi qua điểm P , cường độ dòng nhiệt bề mặt q là một thành phần của véctơ theo hư ớ ng pháp tuy ế n tới bề mặt đó tại điểm P . Véctơ được gọi là “mật độ d òng nhiệt ” (không phải cường độ dòng nhiệt). Bất kỳ khi nào véctơ không thể xác định được (đối với truyền nhiệt đối lưu và hầu hết các trư ờ ng hợp truyền nhiệt bức xạ), thì chỉ sử dụng thuật ngữ “lưu lượng dòng nhiệt” và “cường độ dòng nhiệt bề mặt”. A.3. Nhiệt tr ở suất r tại đi ể m P Đây là đại lượng cho phép tính toán véctơ grad T tại đi ể m P từ véc t ơ tại điểm P bằng định luật Fourier. Trường hợp đơn gi ả n nh ấ t (vật liệu đẳng nhiệt) là khi grad T và song song và ngược chiều, lúc đó r được xác định ở mỗi đi ể m như hệ số tỷ lệ giữa các véctơ grad T và . (A.4) Trong trường hợp này r cũng là hệ s ố tỷ lệ nghịch giữa các thành ph ầ n của grad T và tại cùng một điểm dọc theo hướng s b ấ t kỳ và không phụ thuộc vào hướng s đ ã chọn. Trong trường hợp chung (vật liệu đẳng hướng hoặc dị hư ớ ng), một trong ba thành phần xác định grad T là đại lượng tỷ lệ tuyến tính của các thành phần c ủ a véctơ . Do đó nhiệt trở su ấ t được x á c định thông qua tenxơ [ ] của chín hệ s ố của các đại lượng tỷ lệ tuyến tính đ ó theo h ệ thức dưới đây : (A.5) Nếu nhiệt trở suất r hoặc [ ] không đổi theo tọa độ và thời gian, có thể xem n ó như là một đặc tính nhiệt ở nhiệt độ đã cho. A.4. Độ dẫn nhiệt l tại điểm P Đây là đại lượng cho phép đ ể tính toán véctơ tại điểm P từ véctơ grad T tại điểm P , c ó nghĩa là bằng tích số của độ dẫn nhiệt với nhiệt tr ở su ấ t bằng mộ t hoặc bằng một đơn vị te nxơ . Nếu và grad T song song và ngược chiều thì: l r = 1 (A.6) Giống như nhiệt tr ở suất, độ dẫn nhiệt trong hầu hết các trường hợp l à một tenxơ [ ] của chín hệ số của các đại lượng tỷ lệ tuyến tính thuộc các thành phần của grad T mà các hệ số này xác định mỗi thành ph ầ n của theo hệ thức dưới đây: (A.7) Như vậy [ ] có thể được xác định được bằng cách đảo ngược [ ] và ngược lại. Nếu độ dẫn nhiệt l hoặc [ ] không đổi theo t ọa độ và thời gian, nó có thể được xem như l à một đặc tính nhiệt ở nh i ệt độ đã cho. Độ dẫn nhiệt có thể là một hàm số của nhiệt độ và của hướng (vật liệu dị hướng). Do đó cần biết m ố i quan hệ của các thông số này. H ã y xem xét một vật thể có chiều dày d được g i ới hạn bằng hai mặt phẳng song song và đẳng nhiệt, có nhiệt độ T 1 và T ­ 2 , mỗi mặt có diện tích A. Các mép bên bao quanh các mặt ch í nh của vậ t th ể n à y được giả thiết là đoạn nhiệt và t hẳng góc với ch ú ng. Giả thiết rằng vậ t th ể được tạo b ở i vật liệu ổ n định, đồng nhất và đ ẳ ng hướng (hoặc không đẳng hướng - dị hướng - với một t rục đ ố i xứng vuông góc với các mặt chính). Trong điều kiện như vậy các hệ thức dưới đây = đ ạ o hàm từ định luật Fourier tr o ng các trạng thái ổn định sẽ được á p dụng nếu hệ s ố dẫn nhiệt l hoặc [ ] , hoặc nhiệt trở suất r hoặc [ ] không phụ thuộc nhiệt độ: (A.8) Nếu tất c ả các điều kiện trên được đáp ứng (ngoại trừ hệ s ố dẫn nhiệt l hoặc [ ] là hàm số tuyến tính của nhiệt độ) thì vẫn áp dụng các hệ thức trên nhưng hệ số dẫn nhiệt được tính ở nhiệt độ trung bình. Tương tự, nếu một vật th ể có chiều d à i l được giới hạn b ở i hai mặt đẳng nhiệt, hình lăng trụ, đồng trục có nhiệt độ T 1 và T 2 và đường kính D i và D e tương ứng, và nếu hai đầu của vậ t thể là c á c mặt đoạn nhiệt phẳng vuông góc với hình lăng trụ, và các vật liệu là ổn định, đồng nhất và đẳng hướng, thì các hệ thức dưới đây bằng đạo hàm từ định luật Fourier trong các điều kiện ổn định sẽ được áp dụng nếu độ dẫn nhiệt l hoặc nhiệt tr ở suất r không phụ thuộc vào nhiệt độ: (A.10) (A.11) Trong đ ó D có thể là đường kính bên ngoài hoặc bên trong hoặc đường kính xác định khác. Nếu tất cả các điều kiện trên đều được đáp ứng ngoại trừ hệ số dẫn nhiệt l một hàm số tuyến tính của nhiệt độ thì các hệ thức trên vẫn được áp dụng nhưng hệ số dẫn nhiệt được tính theo nhiệt độ trung bình qua biểu thức sau: Với những giới hạn trên, công thức (8) và (10) thường được sử dụng để xác định hệ số dẫn nhiệt của môi trường không trong suốt, đồng nhất từ các đại lượng đã đo được ở nhiệt độ trung bình T ­ ­m . Tương tự, công thức (A.8) v à (A.10) còn thường được dùng để xác định đặc tính nhiệt của các môi trường xốp từ các đại lượng đo được mà đối với chúng quá trình truyền nhiệt tổng hợp bao gồm ba phương thức: bức xạ, dẫn nhiệt v à đôi khi c ả đ ố i lưu nhiệt. Đặc tính nhiệt đo được đại diện cho tất cả các phương thức truyền nhiệt nêu trên được gọi là độ dẫn nhiệt (đôi khi còn gọi là độ dẫn nhiệt biểu kiến, tương đương hoặc hiệu quả) của môi trường xốp đồng nh ấ t khi nó không phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu đo, tính chất bức xạ nhiệt của các bề mặt giới hạn của mẫu đo và chênh lệch nhiệt độ (T­ 1 - T 2 ). Khi các điều kiện đó không t h ỏa mãn, nhiệt trở bề mặt phải được sử dụng đ ể biểu thị đặc t í nh của mẫu đo với các kích thư ớ c hình học, chênh lệch nhiệt độ (T 1 - T 2 ) và với độ bức xạ nhiệt đã cho của các mặt bên của mẫu đo. THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 7870-5 : 2007, Đại lượng và đơn vị - Phần 5: Nhiệt động lực học. MỤC LỤC 1. Phạm vi áp dụng 2 . Các đại lượng vật lý và định nghĩ a 3 . Đặc tính năng lượng của công trình 4 . Ký hiệu và đơn vị đo của các đại lượng khác 5. Các ký hiệu ph ụ Phụ lục A