7696

71

13. КОНВЕКТИВНЫЕ ПОТОКИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ У НАГРЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ (ТЕПЛОВЫЕ СТРУИ)

Движение воздуха у вертикальных поверхностей

Тепловые струи, так же как и приточные струи естественной и механической вентиляции, являются основными факторами, определяющими циркуляцию воздуха в производственных помещениях, распределение тепла и концентраций паров, газов и пыли.

При соприкосновении с нагретой поверхностью воздух нагревается и становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц воздуха возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются; на их место поступают новые частицы – холодные, которые также нагреваются и поднимаются. Таким образом, образуется восходящий тепловой поток, определяемый наличием теплообмена у нагретой поверхности.

В курсе «Строительная теплофизика» [3] были рассмотрены понятия

свободной и естественной конвекции.

Свободной конвекцией называется движение потока воздуха, на траекторию которого не оказывают влияния предметы и поверхности помещения.

Естественной конвекцией называется движение потока воздуха, на траекторию которого оказывают влияния предметы и поверхности помещения.

У вертикальной свободной конвективной струи существует несколько участков (см. рис. 31).

∙участок 1 – начальный участок (ламинарный режим течения);

∙участок 2 – переходный участок (на этом участке образуются неустойчивые срывы потоков, т.е. наблюдается ламинарно-турбулентный режим);

∙участок 3 – основной участок (на этом участке наблюдается турбулентный режим движения воздушного потока с устойчивым перемещением частиц как вдоль, так и поперек потока).

На участке 3 наблюдается вязкий подслой, по которому скользит поток воздуха. Этот вязкий подслой называется пограничным слоем. В пограничном слое режим течения ламинарный, теплопередача осуществляется за счет теплопроводности.

Основными характеристиками, позволяющими определить показатели конвективного теплообмена, являются числа Грасгофа (Gr) и Релея (Ra):

73

значительно отличается от 20 °С, могут быть определены из таблиц [3]. Переход от ламинарного к турбулентному режиму течения происходит на

некотором расстоянии lкр от начала поверхности. Для этого сечения часто применяют значение произведения (Gr·Pr)кр=2·107. По данным Эккерта [3], для воздуха этот переход происходит при критическом значении числа Грасгофа Grкр =1·109 позволяет установить границу ламинарного участка. Если принять максимальную скорость vmax и толщину d, то критерий Рейнольдса можно определить в виде Re = υmax d / n. Его значение для сечения lкр равно Re = 550.

Размер критического участка из Gкр можно вычислить по зависимости:

На основном участке, как видно из рисунка, коэффициент теплоотдачи сохраняет примерно постоянное значение и определяется по зависимости:

где A – коэффициент, зависящий от граничных условий.

74

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена αк в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до lкр равно:

αк = 1,01 t1/3.

Этому значению αк соответствует среднеинтегральное значение числа Нуссельта, равное Nu=87.

Вне пределов ламинарной области происходит турбулизация воздуха пограничного слоя. Критериальное уравнение теплообмена в области турбулентного режима, наиболее удачно обобщающее многочисленные экспериментальные данные, имеет вид:

Nux = 0,135 (Grx·Pr) 1/3.

Как видно из формулы (89), αк не зависит от геометрического параметра x

и остаётся неизменным для всей области турбулентного режима, в пределах которой процесс конвективного теплообмена является автомодельным. Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена αк в этой области равно:

вертикальных поверхностях ограждений в помещении без особой погрешности можно определить по формуле (90), так как перепадам температур и геометрическим размерам нагретых и охлажденных поверхностей, имеющим место в действительности, обычно соответствует турбулентный режим.

Во всех приведенных формулах за определяющую принимают обычно среднюю температуру воздуха и поверхности. При небольших изменениях определяющей температуры численные значения коэффициентов меняются незначительно.

При естественной конвекции наблюдается еще один участок (участок 4 на рис.32), называемый участком торможения.

На основном участке в помещении с ограниченным объемом поэтому этот участок разбивают на различные участки по значениям критерия

Рейнольдса Re, на которых коэффициент теплоотдачи постоянен, т.е. αк = const .

Величина αк на участках с определенными значениями числа Рейнольдса определяется по зависимости (88).

Движение воздуха у горизонтальных поверхностей

Движение воздуха около горизонтальных нагретых поверхностей отличается значительной сложностью и зависит от положения плиты и ее размеров.

Движение воздуха у поверхности, обращенной нагретой плоскостью вверх, имеет вид фонтана с поджатым сечением на разгонном участке (рис.33).

76

Далее по потоку за разгонным участком находится участок формирования, на котором происходит формирование параболического профиля скоростей сечения струи [1, 3, 6÷8].

Вблизи нагретых поверхностей больших размеров наблюдается сложное течение воздуха у поверхности, называемое «Сахара-эффектом», при котором воздух опускается к поверхности по границам своеобразных шестигранников, напоминающих строение бензольных колец.

Нагревшись, воздух поднимается в центрах этих многогранников. Происходит это явление вследствие налипания с краев сплошного потока нагретого воздуха, в результате чего центральная часть плиты оказывается изолированной, и воздух к ней будет подтекать только сверху (рис.34).

Рис.33. Движение воздуха около нагретой поверхности, обращенной нагретой стороной вверх

При увеличении размеров горизонтальной поверхности средний

коэффициент конвективного теплообмена уменьшается за счет осложненного подвода воздуха к ее центральной части.

77

Рис.34. Движение воздуха около нагретой горизонтальной поверхности больших размеров

Когда плоская поверхность обращена нагретой стороной вниз, движение воздуха происходит по схеме рис.35.

Рис.35. Движение воздуха около поверхности, обращенной нагретой стороной вниз

79

1 – пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположенного непосредственно у поверхности нагретой пластины, и основного пограничного слоя; 2 – участок разгона; 3 – переходный участок; 4 – основной участок

Впограничном ламинарном подслое движение воздуха происходит вдоль поверхности; вертикальная составляющая скорости мала. Теплота от нагретой пластины передается воздуху путем теплопроводности, и поэтому здесь наблюдается значительный перепад температуры.

Впределах пограничного слоя может быть ламинарное или турбулентное движение воздуха в зависимости от величины произведения

критериев Грасгофа и Прандтля. При наблюдается развитое турбулентное движение.

Нагретый воздух из пограничного слоя поднимается над горячей пластиной отдельными струйками, а на его место опускается холодный воздух. Толщина пограничного слоя равна примерно 0,2 d. Интенсивность подтекания воздуха в пограничном слое больше, чем в вышележащей части струи (на единицу высоты струи).

Вразгонном участке проявляются в основном архимедовы силы, и под их действием скорость движения воздуха непрерывно возрастает, статическое давление уменьшается, что и приводит к уменьшению сечения струи. В конце разгонного участка струя имеет наименьшее сечение. Это сечение называют переходным, или сжатым (или шейкой). Сжатое сечение находится на расстоянии примерно 2 d от полюса струи.

Максимальная осевая скорость струи наблюдается несколько выше конца разгонного участка. В пределах этой части струи, а также во всей последующей

еечасти происходит подмешивание к ней окружающего воздуха, оказывающего тормозящее действие на скорость ее подъема.

Впереходном участке происходит преобразование профилей скоростей и избыточных температур.

80

В переходном и основном участках вместе с подъемными силами действуют силы турбулентной вязкости, под действием которых струя непрерывно расширяется. Угол бокового раскрытия струи α может быть принят, как и для приточных свободных струй без принудительного расширения, равным 12 25′.

Параметры в шейке тепловой струи, развивающейся в неограниченном пространстве при наличии плоского нагревателя диаметром d, можно определить по следующим зависимостям:

Для определения основных параметров тепловой осесимметричной струи выше уровня шейки могут служить формулы, приведенные в [1].

14. МИКРОКЛИМАТ УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

КУЛЬТОВОЙ АРХИТЕКТУРЫ

Данный раздел составлен по положениям, приведённым в АВОК Стандарт – 2 – 2004 Храмы православные. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха».

1. Область применения

Настоящий раздел распространяется на проектирование отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и на выбор теплотехнических характеристик ограждающих конструкций во вновь возводимых, реставрируемых и реконструируемых православных храмах.