|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 2 3 4 5 6 7 ... 42 Opflm из таких упрощений является изолированное рассмотрение движения воздуха в помещении оТ различных источников, слабо взаимодействующих друг с другом (например-, струи воздуха от вентиляционных систем и конвективные потоки у холодных или нагретых ограждений). Ярко выраженное взаимодействие между потоками учитывается дополнительно на основе некоторых упрощенных гипотез. При этом Б отдельных потоках практически всегда удается выделить главное направление, для которого скорость и характерный размер потока существенно больше, чем в двух других. В гидродинамике такие потоки называются пограничными слоями. Для их расчета используются уравнения Навье -Стокса, упрощенные Л. Прандтлем с учетом отмеченных выше особенностей, движения. Упрощенные уравнения носят название уравнений пограничного слоя в частных производных. Эти уравнения для струйных вентиляционных течений и струй, возникающих у нагретых или охлажденных поверхностей, приведены Б§1.П. Развитие воздушных потоков у ограждений имеет определенную специфику. Эти потоки возникают при наличии в помещении нагретых или охлажденных поверхностей или при выпуске неизотермических приточных струй вдоль поверхностей. В первом случае воздушные потоки возникают в результате разности плотностей воздуха у поверхности и в объеме помещения, которая приводит к возникновению архимедовых сил и движению воздуха вдоль поверхности. Во втором случае источником движения является начальный импульс, полученный частицами воздуха при его выпуске из приточных устройств. В таких пристенных потоках различают пристенный и струйный (внешний) пограничные слои. При этом вне зависимости от степени турбулентности струйного потока у стенки всегда существует вязкостный ламинарный подслой, где существенны силы трения, связанные с вязкостью жидкости. Вблизи истечения весь пристенный пограничный слой занят вязкостным подслоем. Толщина пристенного,пограничного слоя растет по ходу движения воздуха. На некотором расстоянии от начала потока Б пристенном пограничном слое начинают развиваться вихри, приводящие к его турбулизации. Ламинарный пограничный слой переходит в турбулентный, в котором сохраняется лишь небольшой вязкостный подслой вблизи поверхности. Несмотря на то что уравнения пограничного слоя существенно проще уравнений Навье - Стокса, получить в общем случае аналитическое их решение невозможно, поэтому прибегают к численным методам путем конечно-разностной аппроксимации исходных уравнений и к последующим расчетам на ЭВМ. Уравнения пограничного слоя могут быть преобразованы к виду, удобному для их приближенного аналитического решения. С этой целью выполняют интегрирование уравнений пограничного слоя вдоль поперечной координаты, используя уравнение неразрывности. Полученные таким образом уравнения носят название интегральных уравнений пограничного слоя. Для движения воздушной струи вдоль ограждения они приведены в § 1.11. 2-199 33 Наибольшее распространение в практике решения отопитёльно-вентиляционных задач получили полуэмпирические методы, состоящие в том, что на основе экспериментов задают некоторую универсальную функцию, описывающую профили скорости и температуры в по-токах. В результате уравнения сводятся к обыкновенным дифференциальным. Таким образом, в настоящее время существуют три основные направления в развитии теоретических методов расчета конвективных потоков в помещении: на основе уравнений Навье - Стокса и неразрывности, уравнений пограничного слоя в частных производных и интегральных уравнений пограничного слоя. Использование любого из этих методов применительно к турбулентным потокам требует знания некоторых характеристик потока,определяемых экспериментально. Так, для уравнений Навье - Стокса и пограничного слоя требуется знание турбулентных характеристик потока, при использовании интегральных уравнений пограничного слоя требуется задавать экспериментально определяемые профили температуры и скорости. Поэтому Б настоящее время развитие теории конвективного теплообмена происходит на основе сочетания теоретических методов расчета и экспериментальных исследований. В результате различных аэродинамических явлений в помещении могут быть разные формы конвективного теплообмена. Во многих случаях обмен теплом воздуха с относительно небольшими (к объему помещения) нагретыми или охлажденными поверхностями происходит в режиме свободно конвекции. На поверхностях ограждений и других больших нагретых и охлажденных поверхностях в помещении происходит также естественный конвективный теплообмен, который в отличие от свободной конвекции происходит в стесненном ограниченном объеме помещения. В условиях принудительного движения воздуха вдоль поверхностей теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекции. При подаче неизотермических струй воздуха теплоообмен в помещении определяется также массообменом, происходит так называемый струйный теплообмен в результате турбулентного перемешивания различно нагретых масс воздуха. Все эти процессы достаточно сложны и их протекание в объеме помещения имеет определенную специфику. § 1.6. свободная конвекция Около нагретых и охлажденных свободно расположенных в большом объеме воздуха поверхностей возникают конвективные токи, которые вызывают теплообмен между поверхностями и воздухом. Этот процесс называют свободной конвекцией. Если поверхность нагрета, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого возрастает по направлению движения (рис. 1.17). В начальной зоне движения пристенный пограничный слой является вязким (ламинарным). На некотором расстоянии от нижней границы нагретой поверхности режим течения ста- новится турбулентным. Аналогичная картина наблюдается около охлажденной поверхности, поток свободной конвекции у которой направлен вниз. Теплообмен на поверхности в зонах ламинарного и турбулентного режимов течения происходит различно. В пределах толщины пограничного елея происходит изменение температуры и скорости воздуха. Заметное изменение температуры происходит в пределах теплового пограничного слоя толщиной б^, а затухание скорости - в пределах гидродинамического пограничного слоя толщиной б. В общем случае толщины этих слоев не равны. Интенсивность естественного конвективного потока для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде Определяется критерием Грасгофа (Gr) или произведением критерия Грасгофа на критерий Прандтля (GrPr). Для воздуха помещения при температуре 20*G произведение этих критериев равно  Рис. 1.17. Пограничные слои при свободной конвекцнв (6х - толщина ламинарного подслоя) GrPr=Pr: 0,709 ю^яа/, а.53) (15,06 10- ) где р - коэффициент температурного расширения воздуха, равный j Вт кт лтМ^ р
0.00 0,035 BfiiO D,02i D,OW 0,015 D,OtO Рис. 1.18. Некоторые теплофизические параметры воздуха при различных значениях его температуры  ]/Т = 1/293К ; g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с^; / - определяющий размер поверхности в направлении потока воздуха, м; А/ - разность между температурами поверхности и воздуха в помещении; v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, равный при 20С 15,06 10 м^с; Рг - критерий Прандтля (для воздуха при гОС Рг = 0,709). Физические характеристики Рг, v, X 1см. ниже формулу (1.57)} воздуха, температура которого отличается от 20С, могут быть опре делены с помощью, графика (рис. 1.18) Произведение GrPr часто обознача ют как критерий Рэлея (Ra). Примени тельно к рассматриваемым задачам когда речь идет только о воздухе в срав нительно узком диапазоне температур при котором Рг практически постоянен в дополнительном обозначении нет надобности. Рассмотрим закономерности теплообмена при свободной конвекции, в основном используя данные, приведенные в [121 и 18]. Для области ламинарного режима конвективного теплообмена получены аналитические решения, хорошо согласующиеся с данными экспериментальных исследований. При ламинарном режиме толщины гидродинамического б и теплового пограничных слоев практически равны. Распределение температуры и скорости в пределах пограничного слоя имеет вид, приведенный на рис. I.I9. Максимальная скорость в настилающемся потоке приходится на сечение, расположенное на расстоянии около 0,385 от поверхности. Толщина пограничного слоя 5, возрастающая по направлению движения потока, на расстоянии д;от границы поверхности определяется соотношением Рис 1.19 Профили скорости и температуры в пограничном слое при свободной конвекции 8/х = 5,34 0г7 \ (1.54) где Ог - критерий, определенный для характерного размера х. При температуре 20С формула (1.54) с учетом (1.53) после преобразований может быть записана в виде В = 5,34 (1,48 10 )- АГ = 4,83 . 10 (-(1.55) Интенсивность теплообмена зависит от толщины пограничного слоя. Значение 5.минимально в начале поверхности, где теплообмен наибольший. По направлению движения б возрастает, а интенсивность теплообмена уменьшается. Критериальное уравнение, определяющее интенсивность теплообмена Б произвольном сечении х при Рг = 0,709, имеет вид Nu = 0,356 ОгГ. (1.56) Электронная библиотека http: tgv.khstu.ru/ Локальное значение критерия Нуссельта Nu, отнесенное к произвольному сечению х, равно Nu = х/К, (1.57) где Окх - локальное значение коэффициента конвективного теплообмена в сечении х, Вт/(м^ К) [ккал/(ч м^-°С)], X - коэффициент теплопроводности воздуха (см. рис. 1.18). Для воздуха с температурой 20°С уравнение (1.56) можно упростить и записать относительно Оц в виде 0,356 0,0257 1,04 (At/X) . 293(15,06 10- ) . il а„,= 0,89(Д^/х)/*. (I.58> Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена сц, (иногда обозначается оц,) в пределах от О до произвольного сечения / можно определить на основе теоремы о среднем интегральном. Для этого зависимость (1.58) оц, от х, которую можно записать в виде оц == с,л:-/, нужно проинтегрировать в пределах от О до / и разделить на /: axdx = - \ Cjjc dx = - 4 ,-1/4 = -i- 1,04 (А^ ) = 1.39 (Art/) II а„ = \,\9 Ц. Переход от ламинарного к турбулентному режиму течения происходит на некотором расстоянии Z p от начала поверхности. Для этого сечения часто принимают критическое значение произведения (GrPr) p 2 10. По данным Эккерта, для воздуха этот переход происходит при критическом значении критерия Грасгофа около 10. Если принять максимальную скорость o и толщину б за определяющий размер, то критерий Рейнольдса можно определить в виде Re => => Окб/v. Его значение для сечения Z p равно 550. При 1в =20 расстояние / р, соответствующее Огр = 10*, равно Gr= 1,48. 10 Саг= 10 ; кр*-1-1/3 (1.60) Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена Oj, в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от О до равно 1,17а/ 11а„ = 1,01 а/ (1.61) 37 Этому значению соответствует среднеинтегральное значение критерия Нуссельта, равное 87. Вне пределов ламинарной области происходит турбулизация пограничного слоя. Критериальное уравнение теплообмена в области Турбулентного режима, наиболее удачно обобщающее многочисленные экспериментальные данные [9], имеет вид Nu=0,135(Gr Pr)l (1.62) Уравнение для ак: при температуре воздуха 20°С ieex вид = 1,66 а^ = 1,43 l/. (1.63) Как следует из формулы (1.63), Ов не зависит от геометрического параметра х и остается неизменным для всей области турбулентного режима, в пределах которой процесс конвективного теплообмена является автомодельным.Средние значения коэффициента Ок) так же как и его локальные значения, в этой области равны (1.64) Средние значения коэффициента конвективного теплообмена на вертикальных поверхностях ограждений в помещении без особой погрешности можно определить по формуле (1.64), так как перепадам температур и геометрическим размерам нагретых и охлажденных поверхностей, имеющим место в действительности, обычно соответствует в основном турбулентный режим. Все рассмотренные формулы, в том числе и (1.64), написаны для вертикальной свободно расположенной поверхности. Экспериментально установлено, что при горизонтальном расположении нагретой или охлажденной свободной поверхности для расче?га средней интенсивности конвективного теплообмена можно пользоваться также формулой (1.64), но при этом значение численного коэффициента в ней должно быть изменено так, как это показано в табл. 1.3. Таблица 1.3 Значения численного коэффициента в формуле (1. 64) для разных положений свободной поверхности
Щ Движение воздуха в режиме свободной конвекции около нагретых или охлажденных горизонтальных поверхностей происходит иначе, чем около вертикальных. Если горячая поверхность обращена вверх или холодная вниз, то движение воздуха около них происходит, как это показано на рис. 1.20, а. При больших размерах поверхности воздух может подводиться к ее средней части только по нормали. Возникает так называемый сахара-эффект , при котором воздух опускается к поверхности по границам своеобразных шестигранников и, нагревшись, поднимается в центрах этих шестигранников. К границам поверхности воздух подтекает из объ- JJi- .... , ема беспрепятственно. За счет ос- ШШШШтШШШШШШ ложненного подвода воздуха к центральной части при увеличении размеров горизонтальной поверхности средний коэффициент конвективного теплообмена уменьшается. Для нагретой горизонтальной поверхности, обращенной вниз, или холодной, обращенной вверх, движение воздуха показано на рис. 1.20,6. Интенсивности движения воздуха и теплообмена в этом случае незначительные. Здесь, так же как и в первом случае, с увеличением площади осложняется подвод воздуха и средний коэффициент конвективного теплообмена уменьшается. В одном из экспериментов, например, было установлено [5], что при ширине нагретых полос потолочного лучистого отопления менее 1 м коэффициент Ок = 1.52 Вт/(м^ К) [(1,3 ккал/(м^ ч °С)], а при большей ширине он равен лишь 0,46 Вт/(м2 . К) [0,4 ккал/(м' ч °С)]. Во всех приведенных в параграфе формулах за определяющую принимают обычно среднюю температуру воздуха и поверхности. Если она заметно отличается от 20°С, то численные коэффициенты во всех конечных формулах следует пересчитать с учетом данных, приведенных на рис. 1.18. При небольших изменениях определяющей температуры численные значения коэффициентов меняются незначительно (при повышении температуры на 10°С численный коэффициент в формуле (1.64) уменьшается примерно на 1%, а при понижении, наоборот, увеличивается приблизительно на такую же величину). Рис. 1.20. Движение воздуха при свободной конвекции около горизонтальной нагретой поверхности, обращенной нагретой стороной вверх (а) и вниз (б) § 1.7. ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ НА ПОВЕРХНОСТЯХ В ПОМЕЩЕНИИ В отличие от свободной конвекции явления конвективного теплообмена в ограниченном объеме помещения, вызванные также только естественными силами, будем называть естественной конвекцией. Основные закономерности и уравнения свободного конвективного теплообмена, изложенные в предыдущем параграфе, являются результатом экспериментов и теоретических выводов, справедливых для идеальных условий. Опытные исследования проводились в нестесненном пространстве на небольших, тщательно отшлифованных плитах из цветного металла с небольшой излучательной способностью; в условиях опытов исключались побочные явления, усиливающие или тормозящие развитие процесса конвективного теплообмена. В реальных условиях помещения возможно нарушение идеальной картины свободного конвективного теплообмена вследствие воздействия таких факторов, как замкнутый и ограниченный объем, наличие нескольких холодных и нагретых теплообменивающихся поверхностей и пр. Для выявления специфических особенностей естественного теплообмена в помещении на кафедре Отопление и вентиляция МИСИ построена специальная, хорошо оснащенная измерительными приборами камера, размеры которой близки к размерам реальных помещений. Все ее поверхности собраны из специальнВгх коробчатых элементов; каждый элемент может находиться при определенной температуре. В камере могут устойчиво поддерживаться произвольные температурные условия. Аспирант Д. Рат* провел серию экспериментов по выявлению условий конвективного теплообмена на вертикальных нагретых поверхностях, различно размещенных в камере. Экспериментами было установлено определенное своеобразие Кйнвекции в помещении Это своеобразие объясняется влиянием пола и потолка, относительным распо ложением охлажденных и нагретых пс верхностей, влиянием лучисто1;-о тепле обмена, а также неравномерностью pai пределения температуры в плане и г высоте помещения. Рассмотрение данных о тепловом р жиме пограничного слоя, полученш в эксперименте, показывает, что v чественно и количественно картина < Потолок  Рис 1.21. Качественное сопоставление локальных значений коэффициентов конвективного теплообмена на вертикальной нагретой поверхности, расположенной: / - свободно (свободная конвекция); 2-в ограниченном объеме помещения (естественная конвекция); / - зова ламинарного теплообмена; - то же. турбулентного, / - зона торможения * Рат Д. Лучисто-конвективный теп обмен в помещении при панельно-лучис отоплении Диссертация, МИСИ, 1969.  о 1,0 2,0 3,0 i,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Цв ЩО Рис. 1.22. Естественная конвекция на нагретой перегородочной панели, расположенной по всей высоте помещения: I - внжняя граница аоны торможения; i - верхння граннаа Данинарной воиы тественного конвективного теплообмена на нагретой вертикальной поверхности в помещении отличается от рассмотренной для свободной поверхности (рис. 1.21). Результаты анализа теплового режима пограничного слоя воздуха около нагретой поверхности перегородочной панели, когда узкая нагретая полоса на внутренней перегородке непосредственно примыкает к наружной стене и расположена на всю высоту помещения, показаны на рис. 1.22. На этом рисунке приведены кривые изменения локальных значений коэффициентов конвективного теплообмена по высоте панели. На графике четко выделяются три характерные области конвективного теплообмена: развитая область ламинарного режима теплообмена непосредственно над полом, область турбулентного режима в'средней части поверхности и область торможения в верхней части под потолком. Эти данные типичны для условий теплообмена в помещении. В ограниченном пространстве помещения происходит общая интенсификация процесса обтекания поверхности воздухом. Под влиянием пола, вдоль которого воздух подтекает к поверхности под углом 90°, усиливается интенсивность течения и раньше, чем у свободной поверхности, происходит разрушение стабильного ламинарного движения. Верхняя граница ламинарной области соответствует критическому значению (GrPr) p = 1,7 10 В области ламинарного режима движения воздуха теплообмен в общем больше, чем у свободной поверхности. На верхней границе он превосходит соответствующее значение,для свободной поверхности на 25%. Исключение составляет незначительная часть этой области, ограниченная высотой 10 мм от пола, в которой интенсивность теплообмена меньше на 10%. Для полной высоты ламинарной зоны среднеинтегральное значение критерия Nu равно 68,5, а соответствующий ему коэффициент конвективного теплообмена на 9% больше определенного по формуле (1.61). В турбулентной области локальный коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения. Это является отличительной особенностью турбулентного теплообмена в замкнутом пространстве. По сравнению с теплообменом на свободной поверхности а„ оказывается сначала несколько меньше (до 5%), затем больше (до 25%). Наибольшее и среднее значения в турбулентной области растут с увеличением высоты помещения. Экспериментально установлено наличие около потолка области торможения, высота которой A/jop. м, равна А/гтор=1,35---Щг, (1.65) где h - высота помещения, м; Gr определен для характерного размера h. В зоне торможения интенсивность конвективного теплообмена уменьшается. Среднее значение Он в области торможения можно определить по уравнению 1 2 3 4 5 6 7 ... 42 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||