Теплопередача герметичной и вентилируемой воздушных прослоек

Герметичные воздушные прослойки

Устройство воздушной прослойки является распространенным приемом теплозащиты. Прослойку используют в конструкциях окон, витражей, наружных стен и перекрытий, для экранирования при защите от излучения и как гравитационный побудитель для интенсификации конвективного теплосъема с обогревающих или охлаждающих устройств, а также для предупреждения переувлажнения конструкций.

Сопротивление теплопередаче воздушной прослойки R_в.п не может быть определено как сопротивление теплопроводности слоя воздуха, т.к. передача теплоты через воздушную прослойку от одной поверхности к другой происходит совместно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Поток теплоты от одной стенки к другой можно представить в виде суммы конвективной q_к и лучистой q_л составляющих:

q = q_к + q_л (3.9)

Конвективный (включает передачу теплоты через воздух посредством теплопроводности) теплообмен q_к в воздушной прослойке от одной поверхности к другой равен:

q_к = a ^/_к (t₁ - t₂), (3.10)

где a ^/_к - коэффициент конвективного теплообмена, отнесенный к разности температур Dt = t₁ - t₂ на поверхностях прослойки.

Конвективный теплообмен в прослойке связан с циркуляцией воздуха. При ламинарном режиме течения (GrPr < 1000) критическая толщина прослойки d_кр, мм, для которой сохраняется ламинарный режим течения:

d_кр » 20 Dt^1/3 (3.11)

При этом режиме в прослойке

a ^/_к = l_в/d, (3.12)

т.е. передача теплоты через слой воздуха толщиной d < d_кр происходит теплопроводностью.

Если GrPr > 1000, то

a ^/_к = 2,79 Вт/(м^{2 о}С). (3.13)

Лучистая составляющая теплопередачи через воздушную прослойку

q_л = a_л (t₁ - t₂), (3.14)

где a_л - коэффициент лучистого теплообмена.

Коэффициент a_л определяется по общей формуле a_л = e_пр с_о вj и при средней температуре 0^оС, в = 0,81 a_л = 3,95 Вт/(м^{2 о}С).

Наиболее эффективная толщина прослойки для вертикальных слоев в ограждении равна 76...95 мм. Обычно в условиях ограждения утолщение прослойки более 50 мм не рационально, т.к. это незначительно уменьшает теплопередачу.

В конструкции покрытия здания воздушную прослойку можно расположить наклонно. Угол наклона при GrPr < 1000 не влияет на теплопередачу. При других режимах величину a_к при заданном угле наклона можно определить линейной интерполяцией между его значениями при вертикальном и горизонтальном расположениях.

Нормативные данные сопротивления теплопередаче воздушных прослоек приведены в таблице 3.2.

Т а б л и ц а 3.2

Термические сопротивления герметичных воздушных прослоек

Вентилируемые воздушные прослойки

Рассмотрим стационарный тепловой режим ограждения с воздушной прослойкой, через которую непрерывно продувается воздух (рис. 3.5). Вентилируемая прослойка отделена от помещения с температурой t_в внутренней частью конструкции, имеющей коэффициент теплопередачи k_в.

Рис. 3.5. К выводу уравнения теплопередачи через ограждение с вентилируемой воздушной прослойкой

Наружная часть конструкции имеет коэффициент теплопередачи k_н и отделяет продух от наружного воздуха с температурой t_н. Воздух в прослойку поступает с температурой t_о (в общем случае отличной от t_н и t_в) и, проходя через нее, изменяет свою температуру. На некотором расстоянии _кр поток воздуха приобретает некоторую неизменную температуру t_в.п, зависящую только от условий передачи теплоты через ограждение и не связанную с его начальной температурой.

Задача состоит в определении температуры воздуха t в произвольном сечении прослойки и в определении теплопередачи через такую конструкцию. Определим температуру t_в.п по формуле (3.3):

t_в.п = t_в - (t_в - t_н) = (3.15)

q_в.п = = = , (3.16)

где R_о = + =

Значения k_в и k_н равны

k_в = ; k_н = , (3.17)

где и - коэффициенты теплопередачи внутренней и наружной части ограждения от поверхностей воздушной прослойки;

a_к - коэффициент конвективного теплообмена одной поверхности с воздухом, движущимся в прослойке со скоростью u, м/с.

Среднее значение a_к, Вт/(м^{2 о}С), для воздуха по длине прослойки при ламинарном режиме движения (Re < 2×10³) в канале

a_к = 1,163 (0,77 + 1,3×10^-3t) e, (3.18)

Dt - разность температур воздуха и поверхности воздушной прослойки;

d - эквивалентный диаметр, равный 4F/Р (F - площадь и Р - периметр канала), для прослойки (щелевой канал) d = 2d.

Коэффициент e в формуле (3.18) отличается от 1,0 для каналов, длина которых меньше 50d.

При турбулентном режиме течения (Re > 2×10³)

a_к = 1,163 (2,7 + 1,5×10^-3t) e (3.19)

При малых расходах воздуха температура t_в.п устанавливается на близком расстоянии от входа в прослойку и остается неизменной по всей длине прослойки. При определении сопротивления теплопередаче ограждения R_о величину R_в.п необходимо принимать

R_в.п = , (3.20)

где a_к - определяется по (3.18) или (3.19);

a_л - определяется как и в формуле (3.14).

Расход воздуха j (рис. 3.6) в вентилируемой прослойке определяется гидравлическим расчетом, заключающимся в определении разности давлений Dр, под влиянием которой происходит движение воздуха, и в получении расчетного расхода, при котором гидравлические потери в прослойке DН равны перепаду давлений Dр.

Давление Dр равно сумме ветрового (Dр_u) и гравитационного (Dр_t) давлений:

Dр = Dр_u + Dр_t (3.21)

Величина Dр_u равна

Dр_u = (k₁- k₂) g » (k₁- k₂) , (3.22)

где k₁ и k₂ - аэродинамические коэффициенты на входе в прослойку и на выходе из нее.

Рис. 3.6. Теплопередача через ограждение с прослойкой, вентилируемой за счет гравитационных сил и ветра

Гравитационное давление Dр_t возникает за счет разности объемных весов в прослойке g_ср и наружного воздуха g_н:

Dр_t = (g_н - g_ср)h » 5×10^-3 (t_ср - t_н)h, (3.23)

где h - разность высот отверстий входа воздуха в прослойку и выхода из нее.

Потери давления в прослойке определяются только местными сопротивлениями x:

DН = Sx g » Sx , (3.24)

где x = 0,5 на входе, x = 1,0 на выходе, x = 1,0 на каждый поворот воздуха.

Расход воздуха равен:

j = u g d ×3600, (3.25)

где d - толщина воздушной прослойки, м.

Из условия равенства располагаемого давления (3.21) и гидравлических потерь (3.24) при Sx = 0,5 + 1,0 + 2×1,0 = 3,5 и k₁ » k₂ и после некоторых упрощений определим приближенную формулу для определения скорости воздуха в прослойке:

u = 0,15 (3.26)

Изложенный метод позволяет провести совместный расчет взаимосвязанных теплового и гидравлического режимов вентилируемой прослойки.