Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 ... 25

бодной конвекции или условной скоростью воздуха вынужденной конвекции. Величина А^усл, которая вызывает такую же интенсивность свободного конвективного теплообмена, как при совместном действии естественной и вынужденной конвекции, равна:

А/усл = + (1.35)

где А^ -разность температур поверхности и воздуха; А/и - разность температур согласно (1.34), эквивалентная общей подвижности воздуха в помещении Ув.

Формула (1.35) может быть использована при расчете теплообмена как на вертикальных, так и на горизонтальных поверхностях, так как входящая в нее величина А/о) учитывает скорость общей циркуляции воздуха вдоль поверхностей.

Имея в виду рассмотренную связь между вынужденной и свободной конвекцией, предложен [49] общий способ расчета конвективного теплообмена, основанный на том, что режим омывания поверхности при смешанной конвекции можно определить условным критерием Рейнольдса Кеусл:

Кеусл-Ке+ yY*

где Re -критерий Рейнольдса, определенный для условий вынужденного потока; Gr -критерий Грасгоффа, вычисленный для условий свободной конвекции.

Критериальная формула для определения среднего коэффициента конвективного теплообмена в условиях смешанной конвекции имеет следующий вид:

Nu = 0,46Re/. (1.37)

Полученные по формуле (1.37) результаты расчета согласуются с экспериментальными данными.

Сложный лучисто-конвективный теплообмен на поверхности в помещении

На поверхности в помещении происходит одновременно лучистый теплообмен с окружающими поверхностями и конвективный теплообмен с воздухом. Лучисто-конвективный теплообмен произвольной поверхности / в помещении

можно определить с помощью одного общего коэффициента теплообмена ai и одной температуры, характеризующей температурную обстановку в помещении. Температурные условия в помещении можно характеризовать так называемой температурой помещения п, равной среднему значению между h и tn.

В этом случае лучисто-конвективный теплообмен на поверхности 1 можно записать в виде

Лб.+ Сб. = а,(т,-д^,. (1.40)

где коэффициент теплообмена ai из (1.40) и (1.38) равен

1 = л,; г +K.r-f (1.41)

при практических расчетах как общим показателем температурной обстановки в помещении по традиции пользуются температурой воздуха в. В этом случае

и коэффициент теплообмена а' равен:

Следует особо отметить, что часто применяемая зависимость а = ал+ак справедлива только при в = к, что далеко не всегда выполняется в условиях помещения.

Естественный конвективный теплообмен на поверхности в ограниченном объеме помещения

Основные закономерности свободного конвективного теплообмена и его уравнения являются результатом экспериментов и теоретических выводов, справедливых для идеальных условий. Свободную конвекцию исследовали в нестесненном пространстве на небольших, тщательно отшлифованных плитах из цветного металла с изометрическими поверхностями, имеющими небольшую излучательную способность. Условия опытов исключали побочные явления, усиливающие или тормозящие развитие процесса конвективного теплообмена.

Специфичность условий в помещении не исчерпывается влиянием общей подвижности воздуха на конвективный теплообмен, о котором говорилось в данной главе. Картина идеального свободного конвективного теплообмена нарушается из-за замкнутого и ограниченного объема, наличия холодных и нагретых поверхностей, различной их геометрии и др. В связи с этим представляет научный и практический интерес специальное изучение естественного конвективного теплообмена в помещении. Для его исследования в МИСИ им. В. В. Куйбышева был выполнен ряд экспериментов.

Первые опыты были поставлены в 1963 г. Была построена небольшая камера с двумя торцовыми стенами в виде охлаждающих панелей. Одна панель была собрана из трех плоских металлических коробок, поставленных одна на другую, другая - в виде металлического листа с приваренным змеевиком. Через коробки и змеевик пропускали холодную воду. Тепловыделения в помещении имитировали экранированной электрической печью, расположенной на полу. Поверхности камеры были теплоизолированы. Электронагрев и система охлаждения имели простейшие устройства регулирования и контроля.

Задача эксперимента состояла в определении особенностей конвективного теплообмена на холодных поверхностях в условиях помещения. При решении задачи использовали общепринятую методику опытного определения конвективного теплового потока. При конвективном теплообмене, как это следует из теории пограничного слоя [23], около поверхности образуется ламинарный слой или подслой, в пределах которого наблюдается параллельно-струйное течение воздуха. Толщина этого слоя небольшая, но в ее пределах передача тепла от воздуха поверхности подчиняется закону теплопроводности Фурье, согласно которому тепловой поток в данной точке X поверхности (локальное значение) равен:

( dt

Цх=-~-К - , (1.44)

\dn)

где - теплопроводность воздуха; dtldn - градиент температуры в воздухе около поверхности по нормали п к поверхности.

В Пределах небольшой толщины прилегающего к поверхности слоя воздуха градиент температуры постоя-

нен и может быть заменен конечным приращением температуры At/An,

Количество конвективного тепла, передаваемого в данной точке поверхности, можно также определить по закону Ньютона:

Аг = ак.;с (в - т^х), (1.45)

где / в - температура воздуха; Тх - температура поверхности в точке измерения х.

Локальное значение коэффициента конвективного теплообмена из двух последних уравнений равно:

ак,д;= ---- . (1.46)

Чтобы определить ак,х по формуле (1.46) необходимо измерить {М/Ап)ху и т^. Наибольшую трудность представляет измерение перепада температуры Д/на расстоянии An в пределах небольшой толщины слоя с линейным распределением температуры. Для этой цели применяли микродатчик температуры в виде лучковой электролитической медь-константановой термопары с проволокой диаметром 0,05 мм. Гидравлическое возмущение у такого датчика незначительно. Доказано, что погрешностью измерений на разных расстояниях от поверхности, связанной с изменением условий лучистого теплообмена температурного датчика с поверхностью, также можно пренебречь. Лучковую термопару укрепляли на координатнике с микрометром. С помощью ко-ординатника термопару точно устанавливали на небольших расстояниях по нормали к поверхности. Непосредственно около поверхности температуру замеряли через 0,1-0,2 мм, по мере удаления от поверхности интервал увеличивался.

Измерения проводили в нескольких точках по высоте панели для каждого режима охлаждения. По полученным данным строили кривые изменения температуры воздуха около поверхности в каждой точке х измерения, определяли (AtlAn)x и по ним - локальные значения ак,х и средние по поверхности значения коэффициента конвективного теплообмена ак.

Значения ак,х рассчитывали при температуре воздуха средней по высоте камеры /в и при температуре, соответствующей отметке измерения х в,. Средние по поверхности значения коэффициента ак определяли только для температуры

Экспериментальная камера, в которой были проведены первые опыты, оказалась недостаточно совершенной. В ходе опытов возникли сложности в назначении и выдерживании режимов нагрева и охлаждения, а также при измерении температуры, изменении положения термопары и др. Эксперименты не показали четкой картины

8 910 12 1181820 (tg-ryc

Рис. 1.3. Результаты определения коэффициента конвективного теплообмена на поверхности охлаждаемой панели (по данным испытаний в камере и натурным наблюдениям).

1 - вертикальная поверхность, испытание в камере; 2 - то же, данные М. А. Михеева; 3 - то же, данные натурных наблюдений; 4, 5, 6 - испытания в камере при расположении вертикальных поверхностей соответственно в верхней, средней и нижней частях стены; 7 - горизонтальная поверхность, расположенная в плоскости потолка, натурные испытания

процесса теплообмена по высоте панели, хотя общие данные были достаточно надежными и представили определенный интерес. Результаты серии опытов по определению средней интенсивности конвективного теплообмена на охлаждаемой поверхности в помещении показаны на рис. 1. 3.

Общее увеличение интенсивности естественного конвективного теплообмена в ограниченном объеме по сравнению с интенсивностью теплообмена при свободной конвекции было объяснено влиянием ограниченного объема камеры с источником конвективного тепла, расположенным на полу.

Одновременно с испытаниями на модели были проведены натурные наблюдения за тепловым режимом помещения с потолочно-лучистым охлаждением (в здании студенческого общежития в Ереване). При общей оценке тепловой обстановки в помещении определяли коэффициент ак на поверхности охлаждающей потолочной

Рис. 1.4. Камера для исследования общего теплообмена в помещении

а - общий вид; б - внутренний вид; в - лучковая термопара, установленная на координатнике с электроприводом

панели. Температуру измеряли лучковой термопарой, укрепленной на координатнике, и обрабатывали по той же методике, которую использовали при работе в камере (см. рис. 1. 3).

Интенсивностью конвективного теплообмена на охлажденной горизонтальной потолочной панели, как. и следовало ожидать, оказалась большей, чем на вертикальных поверхностях. Эта разница объясняется положением панели, влиянием интенсивных потоков воздуха, поднимаюш,ихся от нагретого наружного ограждения, и общей подвижностью воздуха в помещении.

Опыты и натурные испытания первой серии подтвердили заметное различие условий конвективного теплообмена в помещении с условиями свободной конвекции.

Начатые исследования были продолжены в условиях вновь созданной, хорошо оснащенной измерительными и автоматическими регулирующими устройствами камеры теплообмена, размеры которой близки к размерам реального помещения (рис. 1. 4). Ограждения камеры собраны из отдельных элементов в виде полых плоских коробок из алюминия, тщательно теплоизолированных с внешней стороны. Элементы заполнены водой и соединены с регулирующими термостатами, с помощью которых в камере поддерживается устойчивая температура.

На внутренних поверхностях камеры и в объеме воздуха расположены датчика, которые через переключатели пульта управления соединены с показывающими и записывающими приборами. Лучковая термопара для измерения конвективных потоков тепла на внутренних поверхностях камеры установлена на координатнике с электроприводом, имеющим дистанционное автоматическое управление, благодаря которому можно, не нарушая условия термостатйрования камеры во время эксперимента, оперативно измерять температуру. Устройство и оснастка камеры теплообмена позволяют проводить в ней разнообразные опыты по изучению теплового режима помещения.

Аспирант МИСИ Д. Рат провел в камере серию экспериментов по выявлению условий теплообмена на вертикальных нагретых поверхностях, различно размещенных в помещении.

Полученные данные о тепловом режиме пограничного слоя показали, что естественная конвекция на нагретой Вертикальной поверхности в помещении качественно и ко-

личественно отличается от свободной конвекции. Наиболее заметно особенности конвективного теплообмена проявились в опытах с нагретой поверхностью, расположенной на всю высоту помещения. На рис. 1.5 показан характер изменения локальных значений коэффициента а^,х на вертикальной поверхности в помещении при естественном конвективном теплообмене и при свободной конвекции. Основное различие этих процессов

Рис. 1.5. Качественное сопоставление локальных значений коэффициентов конвективного теплообмена а^.х на нагретой вертикальной поверхности, расположенной в неограниченном объеме (свободная конвекция) {1) и в ограниченном объеме помещения (естественная конвекция (2)

СОСТОИТ в ТОМ, ЧТО в верхней части нагретой поверхности, расположенной в ограниченном объеме, значения а^.х резко уменьшаются: образуется четко выраженная характерная зона процесса естественной конвекции - зона торможения. Наблюдается также общее повышение интенсивности процесса в первых двух зонах ламинарного и турбулентного теплообмена. В начале зоны ламинарного режима теплообмена значения ак,д: несколько меньше, чем при свободной конвекции, и на нижней границе а^,х имеет конечное значение. В остальной части зоны ламинарного режима (общая длина которой по сравнению со свободной конвекцией несколько сокращается) значения ак,л: заметно больше, чем в ламинарной зоне свободно расположенной поверхности.

Различия интенсивности теплообмена в зонах ламинарного режима, отмеченные выше, связаны в основном с влиянием пола камеры, вдоль которого воздух подтекает с некоторой скоростью по нормали к нагретой поверхности. Такое движение воздуха около панели снижает

Потолок

6 7 8 9 10

Рис. 1.6. Результаты исследования естественного конвективного теплообмена на нагретой перегородочной панели, расположенной по всей высоте помещения i поверхности панели :

/ - 10; 2 - 20; 5 - 30; 4 - 40; 5 -

3-912

высоте помещения при разности температур между температурой 1 и в, °С

50; б - 60; 7-70

интенсивность теплообмена в начале зоны ламинарного режима, усиливает теплообмен в остальной ее части и приводит к нарушению стабильности ламинарного течения в пограничном слое при меньшем значении гравитационной силы (в результате протяженность зоны ламинарного режима теплообмена уменьшается).

В зоне турбулентного режима теплообмен при естественной конвекции в камере происходит более интенсивно, чем при свободной, и локальные значения ак,>; не остаются постоянными, а растут с увеличением х. Эта особенность объясняется влиянием ниспадающих холодных потоков по бокам нагретой поверхности и общей циркуляции воздуха в помещении. Турбулентная зона на вертикальной нагретой поверхности в камере имеет верхнюю границу, положение которой зависит от высоты помещения. Ее положение относительно потолка определяет размеры третьей характерной зоны естественной конвекции - зоны торможения.

Наличие зоны торможения является особенностью естественной конвекции в замкнутом пространстве. Снижение интенсивности конвективного теплообмена здесь вызвано прежде всего тормозящим действием потолка, а также температурным расслоением воздуха по высоте помещения. У потолка температура воздуха повышается, становится меньше разность температур воздуха и поверхности, уменьшается гравитационная сила и снижается скорость воздушного потока.

Исследован конвективный теплообмен при шести вариантах расположения нагретой поверхности панели (перегородки) в помещении. Ниже подробно излагаются результаты испытания только первого варианта расположения панели (рис. 1.6) и отмечены некоторые наиболее важные показатели других вариантов испытаний.

На рис. 1.6 показаны кривые изменения локальных значений коэффициентов конвективного теплообмена ак,х по высоте панели. Четко выделяются три характерные области конвективного теплообмена: ламинарного режима теплообмена непосредственно над полом, турбулентного- в средней части поверхности и торможения в верхней части, под потолком.

В области ламинарного режима интенсивность теплообмена в общем больше, чем при свободной конвекции, и на верхней границе области ак,л- превосходит соответствующее значение при свободной конвекции на

1 2 3 4 5 6 ... 25