«Е. Г. Малявина Теплопотери здания Справочное пособие Москва АВОК-ПРЕСС 2007 Содержание Об авторе Введение Основные буквенные обозначения Глава 1. Расчетные параметры ...»

База нормативной документации: www.complexdoc.ru Рис. 8. Значения коэффициента конвективного теплообмена к, Вт/(м2·°С), рассчитанные по формулам (3.10)-(3.12) для турбулентного режима течения воздуха у поверхности ограждения и по формулам (3.14)-(3.16) для ламинарного режима База нормативной документации: www.complexdoc.ru при различной длине поверхности вдоль потока l: а - у вертикальной поверхности; б - у горизонтальной нагретой поверхности, обращенной вверх, или охлажденной, обращенной вниз; в - для горизонтальной нагретой поверхности, обращенной вниз, или охлажденной, обращенной вверх 3.2.4. Коэффициент конвективного теплообмена на внутренней поверхности ограждения при смешанной или вынужденной конвекции В помещении всегда есть некая подвижность воздуха, не зависящая от естественной конвекции на поверхности ограждения, поэтому конвективный теплообмен принимает характер смешанной (естественной и вынужденной) конвекции. Для учета общей подвижности воздуха в помещении В.Н. Богословский [21] предложил энергетический подход, при котором, зная вынужденную подвижность воздуха vв в помещении, можно было бы установить разность температур Dtv, формирующую конвективный поток вдоль поверхности с такой же интенсивностью теплообмена. Для этого потенциальная энергия естественного конвективного потока 1 кг воздуха приравнивается к кинетической энергии вынужденного движения воздуха. Потенциальная энергия естественной конвекции Wп, Вт, за счет разности температур Dtv в гравитационном поле равна Wп = lbDtvg, а кинетическая энергия этого воздуха Wк, Вт, движущегося со скоростью ve, м/с, в естественном потоке составляет Считая потери на трение пренебрежимо малыми, получаем равенство База нормативной документации: www.complexdoc.ru Принимая во внимание положение [21] о том, что теплообмен в потоке свободной конвекции оказывается таким же, как и в вынужденном, если скорость вынужденного движения vк, м/с, равна половине максимальной скорости свободного потока ve получаем Таким образом, зная подвижность воздуха vк вдоль поверхности при вынужденном движении, можно установить разность температур Dtv при которой теплообмен воздуха с поверхностью при свободной конвекции соответствовал бы теплообмену в вынужденном потоке воздуха, движущегося со скоростью vк.

Формула (3.18) позволяет принять условную разность температур Dtусл как сумму разностей температур при свободной конвекции Dt и вынужденной Dtv:

Dtусл = Dt + Dtv.

(3.19) В качестве определяющего размера l, м, принимается высота помещения. Для расчета коэффициента конвективного теплообмена aк, Вт/(м ·°С), при вынужденной конвекции часто применяют формулу Франка [6, 23]:

aк = 7,34v0,656 + 3,78e-1,91v.

База нормативной документации: www.complexdoc.ru Эта формула может быть использована для расчета коэффициента как на внутренней, так и на наружной поверхностях ограждения.

Если в помещении работает рециркуляционный вентиляционный аппарат (фэнкойл или сплит-система) или приток в помещение осуществляется механической вентиляцией, которая создает достаточно высокую подвижность воздуха (выше 0,3 м/с), конвекцию можно считать вынужденной. На основании экспериментальных данных по рекомендации AS HRAE 1985b [28] коэффициент конвективного теплообмена aк, принимаемый для вынужденной конвекции, равен aк = 5,6 + 3,9v2.

(3.21) 3.2.5. Коэффициент конвективного теплообмена на наружной поверхности ограждения Конвективный теплообмен на наружной поверхности ограждения происходит при вынужденном движении воздуха.

Применительно к этому случаю В.М. Ильинским [6] предложена формула для расчета коэффициента конвективного теплообмена aк, Вт/(м2·°С), в зависимости от скорости ветра v и характерного (наименьшего) размера обдуваемой поверхности:

Эта формула основана на зависимости, полученной экспериментальным путем М.А. Михеевым [24], для вынужденной конвекции:

Nu = 0,032Re0,8.

(3.23) База нормативной документации: www.complexdoc.ru где l - коэффициент теплопроводности воздуха Вт/(м·°С); принят В.М. Ильинским при температуре воздуха 0 °С l = 0,025 Вт/(м·°С);

v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; принят В.М. Ильинским при температуре воздуха 0 °С v = 13,7·10-6 м2/с 3.3. Излучение 3.3.1. Основные положения Излучение, или лучистый теплообмен, - это перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту (рис. 9).

Рис. 9. Теплообмен излучением Например, лучистый теплообмен происходит между поверхностями, обращенными в помещение, наружными База нормативной документации: www.complexdoc.ru поверхностями различных зданий, поверхностями земли и неба.

Важен лучистый теплообмен между внутренними поверхностями ограждений помещения и поверхностью отопительного прибора.

Во всех этих случаях лучепрозрачной средой, пропускающей тепловые волны, является воздух.

Каждая поверхность тела в зависимости от своей температуры излучает энергию в виде волн различной длины. Видимые световые лучи имеют длину волны от 0,4 до 0,8 мк, а инфракрасные - тепловые - от 0,8 до 800 мк. Это излучение называется собственным. В соответствии с законом Планка при значениях температуры, имеющих место в помещениях, подавляющая часть энергии излучается в узком диапазоне длин волн, поэтому собственное излучение поверхностей в помещениях может считаться монохроматическим.

Если на поверхность падает лучистая энергия, то, как известно, часть ее поглощается телом, повышая его температуру, часть отражается, а если это лучепрозрачное тело, то часть падающей энергии пропускается сквозь него. Тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию, называется абсолютно черным; то, которое частично отражает лучистый поток, - серым;

то, которое отражает всю падающую лучистую энергию, абсолютно белым; тело, пропускающее всю энергию через себя, абсолютно прозрачным.

Собственное излучение поверхности абсолютно черного тела q, Вт/м2, по закону Стефана-Больцмана пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела:

где Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Со = 5,67 Вт/(м2·К4);

База нормативной документации: www.complexdoc.ru Т - температура излучающей поверхности по шкале абсолютных температур, К.

Это означает, что интенсивность излучения резко возрастает с повышением температуры поверхности тела.

Серые тела излучают меньше энергии, чем абсолютно черные.

Их коэффициент излучения С, Вт/( м2·К4), может быть представлен в виде Соe, (3.25) где e - степень черноты серого тела или относительный коэффициент излучения поверхности.

Для серой поверхности e 1. Поверхности в помещении имеют высокие коэффициенты излучения - больше чем 0,8 (исключение составляют побеленные поверхности, у которых e = 0,62).

По закону Кирхгофа у серых тел коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения. Так как поверхности излучают собственную и отраженную теплоту, эту сумму называют эффективным излучением поверхности (рис. 10). Из-за того что коэффициенты поглощения в помещении близки к 1, отраженная от них часть лучистой энергии, упавшей от других поверхностей, близка к 0. Поэтому отраженной частью излучаемой энергии пренебрегают и эффективное излучение считают равным собственному.

Рис. 10. Структура лучистых потоков на поверхности серого тела:

qпогл - поглощенный лучистый поток, Вт/м2; qпад - падающий лучистый поток, Вт/м2; qотр - отраженный лучистый поток, Вт/м2;

q - собственное излучение поверхности, Вт/м2; qэфф - эффективное излучение поверхности, Вт/м База нормативной документации: www.complexdoc.ru 3.3.2. Приведенный коэффициент излучения Для учета взаимодействия двух серых поверхностей со своими коэффициентами излучения e1 и e2 в расчет вводится приведенный коэффициент излучения eпр,1-2, который может быть рассчитан для трех идеальных случаев.

1. Если поверхности малы или расстояние между ними велико настолько, что отраженная часть излучения, возвращающаяся на излучающую поверхность, становится пренебрежимо малой, то eпр,1-2 = e1e (3.26) 2. Если расстояние между двумя параллельными поверхностями по сравнению с их размерами мало настолько, что вся излучаемая ими теплота попадает друг на друга и вся отраженная от соседней поверхности возвращается на излучающую до полного ее поглощения, то Если одна поверхность площадью А1, м2, окружена со всех сторон другой поверхностью площадью А2, м2, как, например, сфера в сфере, цилиндр в цилиндре, то База нормативной документации: www.complexdoc.ru Рис. 11. Приведенные коэффициенты излучения:

1 - по формуле (3.26); 2 - по формуле (3.28) При произвольном расположении поверхностей в помещении точный расчет eпр,1-2 труден. Реальные значения приведенного коэффициента излучения двух поверхностей лежат между величинами, полученными по формулам (3.26) и (3.28), которые показаны на рис. 11. Для высоких значений коэффициентов излучения поверхностей e1 и e2 в помещении эти величины мало отличаются друг от друга, и поэтому eпр,1-2 можно считать по формуле (3.27), которая приводит к среднему между крайними значениями результату.

База нормативной документации: www.complexdoc.ru 3.3.3. Коэффициент облученности Тепловая энергия излучается поверхностью во всех направлениях. По закону Ламберта распределение этой энергии по направлениям излучения пропорционально косинусу угла между направлением излучения и перпендикуляром к излучающей поверхности. Важно и то, что при лучистом теплообмене двух поверхностей не вся теплота, излучаемая поверхностью 1, падает на поверхность 2.

Чтобы определить долю тепловой энергии, падающей с поверхности 1 на поверхность 2, выделим на поверхностях 1 и элементарные площадки dА1 и dА2 (рис. 12). Будем считать, что отрезок прямой, соединяющей центры площадок, является линией, по которой излучение взаимно направлено с площадок друг на друга. Расстояние R, м, между площадками равно отрезку прямой между их центрами. Восстановим из центров площадок перпендикуляры к ним и получим углы b1 и b2 между перпендикулярами и соединяющей площадки прямой. С учетом закона распределения энергии доля теплоты jdА1-dА2 падающая на элементарную площадку dА2 с площадки dА1:

База нормативной документации: www.complexdoc.ru Рис. 12. Взаимооблучаемые плоскости Чтобы узнать долю теплоты, падающей с элементарной площадки dА1 на всю поверхность А2, надо проинтегрировать выражение (3.29) по А2, а чтобы рассчитать долю теплоты j1-2, падающей со всей поверхности 1 на поверхность 2, надо это выражение проинтегрировать еще и по А1:

Значения коэффициентов облученности подчиняются трем геометрическим законам излучения: замкнутости, взаимности, распределительности лучистых потоков.

Первый закон описывает свойство замкнутости лучистых потоков для невогнутых поверхностей и состоит в том, что сумма коэффициентов облученности с поверхности 1 в сторону всех окружающих поверхностей п равна единице, т.е.

Sj1-п = (3.31) База нормативной документации: www.complexdoc.ru Второй закон касается свойства взаимности лучистых потоков и утверждает, что поток с поверхности 1 на поверхность 2 равен потоку с поверхности 2 на поверхность 1, следовательно, А1j1-2 = А2j2-1.

(3.32) Третий закон раскрывает свойство распределительности лучистых потоков и показывает, что поток с поверхности 1 на поверхность 2 может быть представлен в виде суммы потоков между т отдельными частями поверхности 1 и п частями поверхности 2:

Для простых случаев расчета коэффициентов облученности выведены формулы. Метод нахождения угловых коэффициентов алгебраическим путем разработан Г.Л. Поляком [29].

Для случаев, имеющих практическое значение, ниже приведено несколько формул расчета коэффициентов облученности.