Теплообмен на поверхностях ограждений

От внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждения тепло передается путем конвекции и лучеиспускания. Внутри ограждения передача тепла осуществляется путем теплопроводности. От наружной поверхности ограждения к наружному воздуху тепло передается конвективным путем и лучеиспусканием (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Передача тепла от наружной поверхности ограждения к наружному воздуху

Уравнение теплового баланса на поверхности ограждения имеет вид

. (2.2)

Количество тепла, переданное конвекцией, лучеиспусканием, равняется КОЛИЧЕСТВУ тепла, переданному путем ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ.

Конвективный теплообмен на внутренней поверхности ограждения связан с переносом тепла частицами жидкости или газа. Количество тепла, передаваемого конвекцией, зависит от целого ряда факторов: характера движения среды, ее плотности, вязкости, температуры; состояния поверхности твердого тела, величины температурного перепада между жидкостью или газом и поверхностью и пр.

Математическое решение этой задачи возможно лишь для некоторых частных случаев, при целом ряде упрощающих предпосылок. Применяют обычно теорию подобия.

В практических расчетах количество тепла, передаваемое путем конвекции, определяется по формуле Ньютона

, (2.3)

где – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/(м²·К);

– внутренняя поверхность ограждения, м²;

– температура воздуха в помещении, º С;

– температура внутренней поверхности, º С.

Коэффициент конвективного теплообмена зависит от многих факторов: от физических свойств жидкости или газа, от формы поверхности, от ее состояния, от скорости движения газа, от разности температур и др. факторов.

Аналитическое определение возможно только для некоторых частных случаев. Величина зависит от режима течения, поэтому при выборе расчетной зависимости нужно знать характер движения жидкости или газа у поверхности.

Нагретые потоки воздуха в помещении поднимаются вверх, охлажденные опускаются. Таким образом, возникает циркуляция воздуха в помещении. Наличие вентиляции усиливает этот процесс.

Обычно благодаря перемешиванию воздуха в помещении создается сравнительно равномерное распределение внутренней температуры. Но в тех случаях, когда в помещении имеются источники тепла, картина меняется: возникает «тепловая подушка» в верхней зоне. При подаче воздуха в помещение с помощью струй неизотермических возникает теплообмен между струей и поверхностью.

Около нагретых, свободно расположенных поверхностей возникает процесс свободной конвекции.

ИНТЕНСИВНОСТЬ конвективного потока определяется произведение двух критериев (Грасгофа и Прандтля) – Gr, Pr.

, . (2.4)

При = 20 º C

,

где – определяющий размер в направлении движения воздуха, м;

– коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

– коэффициент объемного расширения, К^-1.

- для газа,

– температурный напор (разность между температурами поверхности и воздуха), º С;

а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Критерий Нуссельта служит характеристикой процесса конвективного теплообмена. Критериальное уравнение при естественной конвенции имеет вид

, (2.5)

где коэффициенты с и n зависят от величины произведения .

Применительно к условиям в помещении коэффициент конвективного теплообмена для ламинарного течения газа может быть вычислен согласно [1] по формуле:

, Вт/(м²·К). (2.6)

Переход от ламинарного к турбулентному режиму происходит на расстоянии от начала поверхности

, м. (2.7)

В области турбулентного режима среднее значение коэффициента конвективного теплообмена определяется по формуле

, Вт/(м²·К), (2.8)

где в – коэффициент, зависящий от положения поверхности по отношению к воздуху.

	Для вертикальных поверхностей в = (1, 66)
	Для горизонтальных в = (2, 26)
	Если тепло отдается вниз, то в = (1, 16)

В реальных условиях идеальная картина свободного конвективного теплообмена может быть нарушена в результате наличия замкнутого и ограниченного объема, наличия нескольких холодных и нагретых поверхностей.

В ограниченном пространстве происходит общая интенсификация процесса обтекания поверхности воздухом. Для области ламинарного течения больше на 9%.

В турбулентной области локальной коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения. Среднее значение растет с увеличением высоты помещения. Около потолка имеется зона торможения, на нижней границе которой интенсивность конвективного теплообмена снижается.

Усиление свободной конвекции в помещении связано с тем, что на интенсивность движения конвективного потока около поверхности влияет общая подвижность воздуха в помещении.

Кроме того, поверхности могут обдуваться потоками воздуха. Режим обтекания характеризуется критерием Рейнольдса:

, (2.9)

где – скорость движения воздуха, м/с;

– характерный размер, м;

– коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

О. Кришер [13] предложил общий способ расчета конвективного теплообмена, основанный на том, что условия омывания поверхности при смешанной конвекции (свободной + вынужденной) можно определить условным критерием Рейнольдса:

. (2.10)

Тогда средний коэффициент теплообмена в условиях смешанной конвекции равен:

. (2.11)

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ происходит между телами, разделенными лучепрозрачной средой. Природа излучения - это электромагнитные волны с длиной 0, 8-400 мкм.

Часть лучистого тепла, падающего на поверхность, поглощается телом и нагревает его, часть отражается, а часть проходит через тело. Если лучистое тепло целиком поглощается телом, то тело считается абсолютно черным, если полностью отражается – абсолютно белым.

Интенсивность излучения зависит от температуры и пропорционально четвертой степени абсолютной температуры T.

, Вт, (2.12)

где Q – количество излучаемого тепла, Вт;

с – коэффициент излучения серого тела, Вт/(м²К⁴);

Т – температура в градусах Кельвина;

F – поверхность излучения в м².

Для каждого материала коэффициент излучения своя величина, зависящая от химического состава излучающего вещества и от характера обработки поверхности (у строительных материалов) с = 3, 4945, 24 Вт/(м²К⁴).

Для абсолютно черного тела с = 5, 77 Вт/(м²К⁴), для прочих «серых» тел с¢ с₀.

Количество тепла, передаваемого излучением между двумя произвольно расположенными поверхностями, определяется по формуле:

. (2.13)

– приведенная степень черноты,

Ú .

– коэффициент облученности, показывающий доля тепла, которая приходится на поверхность F₂ из всего количества, излучаемого тепла поверхностью F₁.

Коэффициент облученности φ зависит от взаимного расположения поверхностей и их геометрических размеров, но не зависит от температуры поверхностей.

Определение коэффициент облученности даже при простейших формах и определяют графическим способом или по таблицам справочников [22].

В более простых случаях:

а) в случае теплообмена параллельных, близко расположенных поверхностей.

. (2.14)

б) когда одно тело со всех сторон окружено другим телом, количество тепла, излучаемого телом 1, будет равно:

. (2.15)

Обычно в строительной теплофизике пользуются более простой зависимостью для расчета лучистого теплообмена. Формула аналогична уравнению Ньютона:

, (2.16)

где – коэффициент теплоотдачи излучением;

и – температуры поверхностей, обменивающихся лучистым теплом;

, Вт/(м²·К).

Внутри помещения может быть несколько поверхностей, одни из которых отдают лучистое тепло, а другие его поглощают.

Для инженерных расчетов заменяют разность 4-х степеней абсолютных температур разностью температур в градусах Цельсия.

, (2.17)

где в_1-2 – температурный коэффициент.

В условиях комнатной температуры

в_1-2 = 0, 81 + 0, 01 · τ _ср.

τ _ср. = 0, 5 · (τ ₁ + τ ₂).

Q_1-2 = с₀ · ε _пр. · в_1-2 · (τ ₁ - τ ₂) · φ _1-2 · F₁ – количество тепла, переданное путем лучеиспускания от одной поверхности к другой.

Если поверхность находится в лучистом теплообмене со всеми поверхностями, то

. (2.18)

При расчете теплообмена в помещении искомой величиной является температура и площадь обогреваемой поверхности панели.

Все поверхности помещения заменяются одной условной поверхностью, имеющей осредненную радиационную температуру.

Получается одно уравнение:

.

Радиационная температура t_R равна средневзвешенной по коэффициентам облученности температуре окружающих панель поверхностей.

. (2.19)

- в замкнутом пространстве.

. (2.20)

– коэффициенты облученности с панели на различные поверхности, температура которых .

Для упрощения принимают температуру внутреннего ограждения, равной , а определяют как средневзвешенную по площадке.

. (2.21)