Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 5 6 7 ... 25

25%. Исключение составляет незначительная часть этой области, ограниченная высотой 10 мм от пола, в которой интенсивность теплообмена меньше.

Уравнение для локальных значений критерия Nux в области ламинарного режима теплообмена имеет вид

Nu;-0,347 (Сгд^Рг) (1.47)

Величина ак,х при 4=20° С выражается формулами:

a .,= l,24A26;c-2; (1.48)

а^= \,07Afix-\ (1.48)

Проинтегрировав эти выражения, для определения среднего значения ак,л: в пределах части высоты ламинарной зоны Айл получим:

a, = l,55A A/z;-2. 49)

=l,335AЛ^A/I;- (1.490

ИЛИ в критериальной форме

Nu = 0,433 (GrPr)2 (1.50)

Верхняя граница ламинарной зоны соответствует критическому значению произведения критериев Грасгоффа и Прандтля (Gr, Рг)кр= 1,7-10. Среднеинте-гральное значение критерия Nu для полной высоты ламинарной зоны равно 68.5.

В области турбулентного режима значения локального коэффициента конвективного теплообмена увеличиваются на поверхности в камере по направлению движения воздуха. По сравнению с теплообменом на свободной поверхности ак,х оказывается сначала несколько (на 5 %) меньшим, затем - большим (на 25%). Наибольшее и среднее значение коэффициента конвективного теплообмена в турбулентной области растет с увеличением высоты помещения. Локальный теплообмен характеризуется критериальным уравнением

NU;, = 0,02(Gr; Pr) (1.51)

которое при 4=20° С преобразуется:

а^=1,105/2АЛ1 (1.52)

а, = 0,953л: А/ (1.52)

3* 35

A/iTop-1,35;;-0j3, (1.54)

Среднее значение ак при в = 20° С для всей протяженности турбулентной зоны (Д/1т==Лт-А/л) равно:

к = 0,885----- А^ (1.53)

ак = 0,763 ~-----аЛ (1.53)

Экспериментально установленная зона торможения около потолка имеет высоту А/тор, равную м:

14501 (Gr,Pr)

где /I -высота помещения, равная: /г = Д/1лЧ-А/гт4-А/гтор==/гт + А^тор

Подстановка в (1.54) значений Gr, Рг для воздуха при /в=20° С приводит к следующей формуле для определения высоты зоны торможения:

A/iTop 1,35 - 3,06Д/- (1.55)

Критерий Nux остается постоянным в пределах зоны торможения и равным значению на верхней границе турбулентной зоны [см. формулу (1.51)] при л:=/1-Дйтор. Локальные значения коэффициента конвективного теплообмена поверхности уменьшаются по мере приближения к потолку.

Обобщенные зависимости для ак процесса теплообмена для трех характерных областей, приведенные на рис. 1.7, справедливы для помещений любой высоты. Так, средние значения коэффициента конвективного теплообмена для всей площади перегородочной панели при высоте помещения h в пределах 2,5-4,2 м равны:

ак== l,45A0+0 0l (1.56)

а^=: 1,25АЛ2+ 0\ (1.56)

Вторая серия экспериментов была проведена при двух перегородочных панелях, расположенных на противоположных сторонах камеры. В отличие от условий первого эксперимента высота ламинарной зоны здесь оказалась меньше, область торможения - больше и общая теплоотдача конвекцией также меньше.

Среднее значение ак для этого случая при /i=2,5- 4,2 м равно:

а^ХАШ^ ; (1.57)

ан-1,25АЛ29+о.014/г^ 57,)

55 10

Рнс. 1.7. Конвективный теплообмен на нагретой вертикальной поверхности в помещении

/ - ири естественной конвекчни и расположении нагретой поверхности на всю высоту помещения; 2 - при свободной конвекции в неограниченном объеме

представляют определенный интерес испытания, в которых перегородочная панель занимала верхние две трети по высоте помещения. Ниже находилась ненагретая плоскость. В этом случае зона ламинарного режима была длиннее, но интенсивность теплообмена в ее пределах уменьшилась до 79% того же показателя при свободной конвекции. В связи с наличием торможения потока воздуха сократились размеры турбулентной зоны и значительно снизилась интенсивность теплообмена в верхней части панели. Средние значения коэффициента конвективного теплообмена для перегородочной панели, приподнятой над полом, приближенно равны:

к - l,17(A /i)2 (1.58)

ак= 1,01 (At/hf, (1.58)

Наименьшая интенсивность конвективного теплообмена оказалась в случае расположения нагретой поверхности в виде ригеля, в верхней части перегородки - ри-гельная панель. Температура воздуха здесь была несколько выше, чем средняя по объему. Повышение температуры воздуха под потолком помещения с увеличением температуры ригельной панели происходит заметнее, чем повышение интенсивности конвективного теплообмена. В этом случае средние значения ак при высоте ригельной панели A/i и разности температур поверхности панели и воздуха помещения составят:

(Хк- 1,21 {MIAhff; (1.59)

сСк- 1,04 (A A/г) (1.59)

При расположении в помещении двух ригельных панелей интенсивность конвективного теплообмена становится еще меньше (на 20%).

Процесс конвективного теплообмена оказывается наиболее сложным на нагретой поверхности, расположенной под окном в нижней части наружной стены, когда она с трех сторон ограничена холодными поверхностями, а внизу сопряжена с полом.

Поверхность пола сдерживает конвективный поток. Ниспадающие боковые холодные токи вытесняют теплый воздух снизу; с поверхности окна на панель падают холодные потоки воздуха, которые тормозят движение восходящего потока. В данном случае на поверхности на-

грева особенно заметно проявляется двухмерность аэродинамического и теплового полей.

Сопоставление локальных значений коэффициента конвективного теплообмена с аналогичными данными для ламинарной области при свободной конвекции показывает, что интенсивность теплообмена на подоконной нагретой поверхности значительно заторможена на ниж-

Рис. 1.8. Объемная эпюра локальных значений коэффициента конвективного теплообмена на поверхности подоконной панели

ней границе до 44, а на верхней - до 80-877о. Объемная эпюра локальных значений коэффициента конвективного теплообмена ак,х на поверхности подоконной панели приведена на рис. 1.8.

Критериальное уравнение для значений ак,х по высоте панели (усредненных по ее ширине) имеет вид

Nu:==0,18(Gr;,Pr)2 (1.60)

средние значения ак в зависимости от высоты панели ДА и разности температур равны:

д^О.284

ак-1,29

Д^О.284

,0,15

(1.61)

(1.61)

Таким образом, результаты экспериментов подтверждают качественное и количественное отличие конвектив-

ного теплообмена на поверхностях в ограниченном объеме помещения от условий свободной конвекции.

Следует заметить, что испытания теплообмена были проведены при отсутствии воздухообмена и при определенном размере камеры. Вентиляция помещения может изменить картину теплообмена. В меньшей степени, вероятно, может сказаться изменение геометрических параметров помещения, хотя количественные показатели зависят и от этого.

1.3 ТЕПЛООБМЕН НАСТИЛАЮЩЕЙСЯ ПЛОСКОЙ ВОЗДУШНОЙ СТРУИ

С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ОГРАЖДЕНИЯ

Кроме естественной конвекции в помещении могут быть условия теплообмена поверхности с искусственно созданным потоком воздуха. Это конвективный обмен теплом между настилающейся струей воздуха и поверхностью ограждения.

Режим течения в струе преимущественно турбулентный. Как и при естественной конвекции, в настилающейся струе около поверхности образуется ламинарный подслой и турбулентный пограничный слой. Толщины этих слоев невелики по сравнению с толщиной струйного (внешнего) пограничного слоя (рис. 1.9). Для расчета характеристик гидродинамики струи, настилающейся на горизонтальную поверхность, обычно используют закономерности свободных струй.

Интенсивность теплообмена настилающейся струи с поверхностью обусловлена коэффициентом конвективного теплообмена. Локальные его значения, соответствующие направлению движения горизонтальной настилающейся плоской струи, могут быть определены [6] по критериальному уравнению

Nu= 0,104Re - , (1.62)

где а - ширина приточного отверстия (щели); Nux, Rcx - соответствующие локальные значения критериев, определенные для характерного размера х - расстояния от приточного отверстия. Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена (Хк вдоль поверхности до сечения х в данном случае равно:

ак-2,5акх. (1.63)

Рис. 1.9. Плоская неизотермическая настилающаяся струя

/ - ламинарный пограничный слой; -то же, турбулентный; / - струйный внешний пограничный слой; 1 - эпюра скоростей; 2 - то же, избыточных температур

Зависимость (1.62) получена для условий теплообмена неизотермической горизонтальной струи с изотермической поверхностью, но ее можно использовать для случая слабо неизотермической поверхности, как это обычно бывает в условиях помещения.

1.4. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И РЕЖИМ ДВИЖЕНИЯ ПЛОСКОЙ СТРУИ,

НАСТИЛАЮЩЕЙСЯ НА ВЕРТИКАЛЬНОЕ ОГРАЖДЕНИЕ

Для защиты помещения от ниспадающих холодных потоков воздуха часто используют восходящие воздушные струи, настилающиеся на холодную пойерхность наружного ограждения. Плоская нагретая струя снизу настилается на стену. На холодной стене сверху образуется ниспадающий поток вследствие естественной конвекции. Эти два потока - искусственно созданная нагретая струя снизу и естественный охлажденный поток воздуха сверху - взаимодействуют между собой. Задача защиты помещения от охлаждения состоит в определении интенсивности теплообмена в зоне восходящей струи и в нахождении дальнобойности последней.

в общем случае струя приточного воздуха имеет температуру, отличающуюся от температуры воздуха помещения, и в ней наряду с инерционными действуют гравитационные силы. В задачу расчета таких струй обычно входит определение температуры м,х и скорости Vm,x на расстоянии X по оси струи, а также локальных значений

	1 ---
1 !
i I ----
i i 1

20 JO

200 Ш X

Рис. 1.10. Зависимость относительной осевой скорости Vm,xIvo от относительной координаты X

1 -Аго--1; 2 - то же, 0,1; 3 - 0,001; 4--0,001

коэффициентов ак,х конвективного теплообмена струи с ограждением.

Для расчета параметров неизотермических настилающихся струй воспользуемся данными [32]. На графиках рис. 1.10 показан характер изменения относительной осевой скорости настилающейся струи при значениях критерия Аго (в начале струи - индекс 0) от 1 до -0,001. На этом графике дано безразмерное расстояние X, отнесенное к ширине щели а, из которой выходит

воздух: х^х/а. Первое значение Аго=1 приблизительно соответствует условиям работы отопительных приборов (уо=0,5 м/с; vo=30C), Аго=±0,001 - условиям работы систем кондиционирования {vo=3-4 м/с, vo= = 10°С). Из графика (см. рис. 1.10) следует, что увеличение критерия Архимеда приводит к качественным изменениям в развитии струи. Если при Аго=±0,001 скорость струи по оси монотонно убывает, то при Аго=1 вблизи истечения она возрастает, а затем практически остается постоянной. Это объясняется тем, что увеличе-

ние архимедовых сил, направление которых в случае нагретой вертикально направленной струи совпадает с вектором скорости, разгоняет струю, т. е. в таких струях появляется разгонный участок . Скорость в конце его может увеличиваться по сравнению со скоростью истечения почти в два раза. Осевая температура в струях с большим Аго уменьшается значительно резче.

					-----i 1 Т *-U				1

6.002

1 2 3 5 10 20 5Q 50 100 200 500 X

Рис. I.IL Зависимость Nua;/ReoOT относительной координаты х / - Аго= 1; 2 - то же, О, I; J - 0,001

Естественно, что в результате изменения гидродинамики струи меняется и интенсивность ее теплообмена с вертикальным ограждением. Локальные значения Nujc= =ак,хл:Дв при разных критериях Аго и Rco показаны на рис. 1.11.

Из рисунка видно, что значение критерия Nuc в струях с большим Аго может отличаться в два раза по сравнению со значениями для струи при малых критериях Аго. Характер поведения струи при значениях критерия Аго 1 близок характеру поведения конвективной струи, возникающей над плоским горизонтальным источником. В таких струях также возникает разгонный участок с практически постоянной скоростью струи.

Значение избыточной (по сравнению с температурой воздуха в помещении /в) температуры воздуха на оси струи vm,x и относительное (к разности температур при истечении) избыточное значение этой температуры 6m,x равны:

Формулы для расчета осевой скорости, относительной избыточной температуры и локальных значений Nuc для неизотермических струй, в том числе аппроксимирующие данные рис. 1.10 и 1.11, имеют вид:

8,1(1-(7)

(1.64) (1.640

где Л, Б, В, Г - коэффициенты, зависящие от критерия Аго и х (табл. 1.1); - средний по поверхности удельный тепловой поток от струи к стенке, [здесь ккал/(с.м2)].

Формула для ем,х (1.64) справедлива при л:10.

Таблица 1.1. Коэффициенты Л, Б, Б, Г

	2<д:<20
	А	Б	В	Г	А	Б	в	г
-0,01 0,001 0,1	1,03 1,45	0,044 0,045 0,043 0,039	-0,1 0,04 0,18	-0,35 -0,3 -0,2 -0,05	3,2 3,2 1,15 2,5	0,115 0,115 0,05 0,061	-0,6 -0,5	-0,7 -0,6 -0,25 -0,2

При движении струи вдоль вертикального холодного ограждения, температура которого ниже температуры окружающего воздуха, часть воздуха пристенного пограничного слоя испытывает действие отрицательных архимедовых сил. В результате движения частицы теряют кинетическую энергию, затем наступает полное их торможение - происходит явление отрыва пограничного слоя от ограждения. Расчеты на основе уравнений пограничного слоя с учетом данного обстоятельства, а также обобщение экспериментальных данных [32] позволили выявить следующую зависимость для определения относительного расстояния до точки отрыва:

,p==iliB 0,0826-

(1.65)

1 2 3 4 5 6 7 ... 25