材料加工工程--热传输作业-- 危房改造(2 学时)

1. 材料加工工程--热传输作业-- 危房改造(2 学时)

假设学生做为工程师, 设计房子墙壁如图1。 在通常的情况下，假设平面表面热传递的计算是合理的。 要求学生设计一个木头框架建筑, 墙壁上的外木板壁由胶合板覆盖, 中间是玻璃矿物纤维绝缘材料, 在墙壁形成主要热阻, 内表面是叉瓦, 板料石材, 内墙装饰等。

图1, 木头框架建筑墙的结构图

材料加工工程学原则

请学生辨认热阻的数量? 有几个热阻? 用什么公式计算? 热传导率和厚度如表1。要求学生画出热回路, 热回路包括对流热阻, 经验值为houtside = 34 W/m2K, hinside = 9.3 W/m2K。

表1. 墙材料性质
材料         厚度 (cm)   热传导率 (W/m-K)
                                                                   木头          0.96            R1=0.14
                                                                   胶合板       1.28            R2=0.12
                                                                  玻璃纤维      9.1            R3=0.038
                                                                  石材板料      0.96          R4=0.17
                                                                  内墙装饰      0.96          R5=0.19
学生应学会计算墙壁在南方冬天情况下的热传递率： Tinside= 25°C， Toutside = 10 °C。

一个实际问题是在潮湿气候 (如梅雨季节, 春秋雨季), 必须将湿气(如烹调释放的水汽，洗涤产生的水汽，人体排出的水汽等)从房子的里面排到外面。 如果湿气在玻璃纤维凝聚时它将降低材料的有效的热传导性并引起其他问题。

计算在墙壁内，水汽是否凝聚。 如果水凝聚，它是否会降低热传导率？ 假设室内相对湿度50%和室外相对湿度90%。

要求学生会看湿度计算图和能找到温度下降到室内干球温度, 室内相对湿度取决于的露点温度。 学生将需要使用热回路和确定在玻璃纤维绝缘材料每一边的温度。湿度计算图如下所示。

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图 2. 湿度计算图

热传导工程学问题

假设学生是一家咨询公司的工程师, 负责对一个军事基地进行老办公楼的整修。其中 一部分任务是为这些老办公楼设计施工新的墙壁。 你决定在旧的墙上增加9 cm (3.5英寸)玻璃纤维绝缘材料。 因为军事需要, 要求墙壁不能有湿汽凝聚影响热阻。这个设计安装工程在3月开始，并且新的国家军事标准在来年的1月1日才生效。 在作为一个有责任心的工程师, 要求学生能够根据相关标准规范通过演算，自己的主动决定检查新设计的墙壁上湿汽是否将凝聚，满足办公楼整修的要求。 (要求学生会做这些演算。)

数值解

热量系统的等效电路如下所示：

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热流回路等式为q = AT/Re

Re=等效抵抗，为回路是各阻抗的总和。 传导阻抗为Rcond = Ax/kA，Ax是朝热流方向的材料厚度， k是材料的导热性，A是材料垂直的表面热流(假设为单位墙壁面积的1 m2)。 对流阻抗为Rconv = 1/hA， h是表面传热系数，并且A是垂直于表面的热流。 因此，各阻抗可以计算如所示如下： (典型值是houtside = 35 W/m2K， hinside = 9.4 W/m2K。)

• R1 = 1/hoA = 1/[35(1)] K/W = 0.0295 K/W
• R2= Ax/kA = 0.0096/[2(0.14)1] = 0.0342 K/W
• R3 = Ax/kA = 0.0128/[~0.12)1]=0.1067 K/W
• R4 = Ax/kA = 0.091/[(0.038)1]=2.39 K/W
• R5 = Ax/kA = 0.0096/[(0.17)1]=0.0565 K/W
• Ri = 1/hiA = 1/[9.4(1)] K/W = 0.106 K/W
• 总热阻 Re = 2.72 K/W.
• 墙的热流量q = AT/Re = [1 ( 15)]/2.72 = 5.51 W
• 从串联电路原理, 热流量总是相同,
• q = (T3 To)/(R1 + R2 + R3) = (T3 -10))/(0.0295+0.0342 + 0.1067) = 5.51 W
• 我们得到 T3= 11.3 °C.

我们现在需要检查屋子里墙壁中的绝缘材料温度是否在空气的露点温度之下。 如果屋子里墙壁中的绝缘材料温度在空气的露点温度之下，通过墙壁散开的水汽在玻璃纤维绝缘材料上将开始凝聚。 从图2湿度计算图看到，在室内条件Tdrybulb= 23 °C和相对湿度= 50%下，我们发现露点温度是12 °C。 因为最低的玻璃纤维温度(11.3°C)在这个露点温度(12之下°C)，水汽在绝缘材料将凝聚，并且湿汽问题还很严重！

伦理问题 你的演算显示，湿气结露将在冬天会在有绝缘材料的墙壁表面发生。 你把你的结论告诉了你的公司的项目经理，并且建议应该用更加昂贵的绝缘材料(例如闭合的细胞聚氨酯泡沫体) 替代玻璃纤维绝缘材料。 并且用玻璃纤维并符合新的国家标准, 但你的项目经理说，工程会在11月以前完成，而新的标准要明年1月才有效, 因此公司不会需要服从新的行业标准。同时， 项目经理也明确指出，更加便宜的绝缘材料将为他的公司节省建筑材料费。 所以，他指示你继续进行当前较便宜的设计。 你这时候该怎么做？

与工程师法规相关的问题

1. 在这个案例中, 什么是已知事实和未知相关事实？

答: 已知事实：鉴于 当前的设计，会使水汽结露凝聚在绝缘材料表面上。水汽结露凝聚是不符合来年的建筑标准。 改变设计方案会增加成本,  因为新的设计要求用一种更昂贵的绝缘材料。 项目经理不会关心来年的新标准, 因为项目在今年就会按旧标准完成, 不会有任何法律问题, 聚氨酯泡沫材料能满足未来军事标准，但它是更加昂贵的材料。

未知数相关的事实： 法律是否要求企业按来年的标准设计？公司是否在将来还与该军事基地有建筑合同？ 它是否有可能这个项目可以有可能做到来年1月份以后?闭聚氨酯泡沫材料比现在的预算贵多少？ 替代聚氨酯泡沫材料的附加费用是多少？

2. 它是否违犯工程师的良心？

答: 一般来说，不应该要求工程师做违背他们的信仰和良心的任何工作。 工程师也不应该去做任何违背他们个人良心的事。

3. 请讨论正面和反面的情况。

答: 正面的因素:

设计新的绝缘材料使用更好的材料, 如聚氨酯泡沫材料。 军事基地应增加费用。 鉴于新的设计，结果是水汽不会凝聚在墙壁上。

 反之,  办公楼的整修还是使用玻璃纤维绝缘材料。 整修在来年1月之前完成。水气（汽）会凝聚在墙壁上, 在使用中军事仓库墙面会发潮, 公司可能面对来自军方的诉讼，公司声誉受到影响。

5. 你作为工程师可以有什么可能的解决方案？后果可能是什么？

答: 1. 设计选用新的绝缘材料, 如使用聚氨酯泡沫材料。 承包商承担附加（增加）的费用。 水汽不会结露凝聚在墙壁上。

2. 还是使用玻璃纤维绝缘材料对办公楼的整修。 整修在11月完成。 从使用效果来看办公楼墙面会发潮。

3. 给项目经理出个主意

答: 变通的方法：  工程师也许可以考虑其他选择, 例如使用一个特别塑料蒸气隔板在板料和绝缘材料之间, 防止水汽凝聚。 工程师可以跟项目经理来一次坦率的讨论, 与项目经理解释金钱这里不是唯一的因素。 公司的名誉成败在此。 如果政府知道公司的大公无私的行为, 也许可以给公司其他合约, 总之, 要相信国家和政府。 这个办法也许是最好的。

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1. 题3的示意图, 在板料和绝缘材料之间, 使用便宜的透气的塑料蒸气隔板, 防止水汽凝聚。
2. 注: 专业法律法规应参照中国工程师法
   
   References
3. 1. http://onlineethics.org/Resources/Cases/HeatTransfer.aspx
4. 2. McQuiston & Parker Heating, Ventilating & Air-Conditioning.1994.. Wylie. New York, and ASHRAE Hdbk. Fund. 1993. p. 22-1)
5. 3. C. E. Harris, Jr. M. S. Pritchard, M. J. Rabins. Engineering Ethics.1995. Wadsworth Publishing Co. Belmont CA.

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