книги / Светопрозрачные конструкции. (Результаты исследований)

I модель (6=200 мм, h-= 100 мм, 1о= 0,305 м, без стакана)

121

Рис. 2. Теплоотдача при свободной конвекции однослойных купо­ лов

ных куполов в зависимости от их геометрических параметров и наличия опорного стакана (табл. 2).

На основании полученных данных средний коэффи­

Средний коэффициент теплообмена в зависимости от

122

кривизны и температурного напора может быть опреде­ лен по формуле

Из полученных данных следует, что при увеличении отношения h/b коэффициент теплообмена уменьшается. При одном и том же отношении h/b коэффициент тепло­ обмена меньше в случае расположения купола без опор­ ного стакана. Нетрудно видеть из последней формулы, что /г=0 соответствует случаю теплообмена при свобод­ ной конвекции на горизонтальной поверхности. Коэф­ фициент теплообмена, подсчитанный по этой формуле, при h = 0 совпадает с нормируемым значением аср по СНиП П-А. 7-62, табл. 5.

Вопытах диапазон изменения физических параметров

ихарактерных размеров светопрозрачных куполов ох­ ватывает наиболее часто встречающиеся в строитель­ ной практике случаи. Температурный перепад стенка —■ внутренний воздух был доведен до 22°, число Грасгофа, построенное по характерному размеру L0, доходило до 4,4- 107, отношение h/b менялось от 0 до 0,5.

Опытные данные в критериальном виде представле­ ны в формулах (7) — (9). Из этих формул видно, что при увеличении h коэффициент теплообмена между внутрен­ ней поверхностью цилиндрического купола и воздухом в помещении уменьшается относительно своего предель­ ного значения при А-> 0. При h -> 0 цилиндрический ку­ пол вырождается в горизонтальную поверхность.

Указанная закономерность изменения коэффициента теплообмена объясняется характером обтекания кон­ вективными потоками горячего воздуха тепловосприни­ мающей поверхности, что особенно отчетливо видно на интерферограммах-

При увеличении h нагретый воздух в подкупольном пространстве обладает меньшей возможностью конвек­ тивного перемешивания по сравнению с горизонтальной поверхностью. Это может в отдельных случаях приводить к образованию зон, температура которых примерно по­ стоянна. Вследствие уменьшения перемешивания нагре­ того воздуха в подкупольном пространстве на тепловос­ принимающей цилиндрической поверхности увеличивается толщина пограничного слоя и, следовательно, умень­

123

шается градиент температуры в нем и коэффициент теп­ лоотдачи.

Воздушные прослойки в куполах представляют собой замкнутую полость, имеющую полуцилиндрическую фор­ му или форму цилиндрического сегмента. При рассмот­ рении интерферограмм отчетливо видно, что в зависимо­ сти от критерия Грасгофа, построенного по толщине про­ слойки, характер передачи тепла различный. В тонких прослойках (GrPr<0,98 • 103) перенос тепла происходит в основном теплопроводностью.

При увеличении толщины воздушной прослойки на нижней поверхности прослойки толщина пограничного слоя увеличивается в направлении от края к центру сим­ метрии, на верхней же стороне наблюдается увеличение толщины пограничного слоя от центра к краю.

Таким образом, изучение теплопередачи через полуцилиндрические прослойки показывает, что в них перенос тепла может осуществляться теплопроводностью и кон­ векцией.

При передаче тепла через полуцилиндрическую про­ слойку путем конвекции (Ra>103) из интерферограмм видно, что наблюдается симметрия возникновения кон­ вективных потоков относительно плоскости симметрии купола. Характер формирования движения воздуха око­ ло нагретой и холодной поверхностей в полуцилиндрической прослойке во многом напоминает особенности пове­ дения конвективных потоков в вертикальной прослойке, имеющей разные температуры поверхностей.

Локальные коэффициенты теплообмена определяли в четырех точках на каждой поверхности. Среднее значе­ ние коэффициента теплообмена определялось по формуле

(Ю)

о

Перепад температур между ограничивающими по­ верхностями изменялся для каждой прослойки в интер­ вале 1,5—11,3°. Обработанные результаты опытов приве­ дены в табл. 3.

Как видно из представленных в табл. 3 данных, ло­ кальные и средние значения коэффициентов теплообмена увеличиваются с ростом перепада температур и уменьша­ ются с увеличением толщины прослойки. Локальные ко-

124

Т а б л и ц а 3

Коэффициенты конвективного теплообмена в полуцилиндрнческих воздушных прослойках

эффициенты теплообмена на нижней (горячей) поверх­ ности уменьшаются в направлении от края прослойки к центру, а на верхней (холодной) поверхности увеличи­ ваются.

Удельные тепловые потоки по среднему коэффициенту теплообмена прослойки, подсчитанному как среднеариф­ метическое от средних значений коэффициентов тепло­ обмена на горячей ав,г и холодной а в.х поверхностях, от-

125

личаются от тепловых потоков по средним значениям ко­ эффициента теплообмена на горячей ав.ги холодной ав.х поверхностях менее чем на 10%.

При обработке экспериментальных данных в крите­ риальной форме (рис. 3) за определяющий размер при­ нимали толщину прослойки, за определяющую темпера­ туру — среднюю температуру воздушной прослойки

Рис. 3. Свободный конвективный теплообмен в полуцилиндрической воздушной прослойке в критериальной форме

В интервале 0,33* 103 <C rPr<3,14105 получена фор­ мула для определения средней безразмерной величины коэффициента теплоотдачи в полуцилиндрической воз­ душной прослойке

которая дает возможность рассчитать коэффициент сво­ бодно-конвективного теплообмена в прослойках при по­ мощи критерия Нуссельта.

Таким образом, в воздушных прослойках полуцилинд­ рической формы ограниченность пространства наклады­ вает некоторые особенности на процесс теплообмена в прослойках, наиболее характерными из которых явля­ ются:'

а) возникновение циркуляции среды в замкнутом про­ странстве, появляющейся в результате разности темпе­ ратур на ограничивающих поверхностях, что значитель­ но усиливает перенос тепла по сравнению с молекуляр­ ной теплопроводностью;

126

б) более сильное влияние формы стенок на процесс формирования движения вследствие соизмеримости тол­ щины пограничного слоя с размерами воздушной про­

слойки.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. М и х е е в М. А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, 1956.

2.М а к - А д а м с В. X. Теплопередача. Металлургиздат, 1961.

3.Э к к е р т Э. Р. и Д р е й к Р. М. Теория тепло- и массообмена. Госэнергоиздат, 1961.

тов теплообмена с помощью интерферометров. В сб. «Строительная

ратурного поля по интерферограммам в полосах «конечной» и «бес­ конечной» ширины. В сб. «Строительная теплофизика». «Энергия», 1966.

Канд. техн. наук А. М. ГОДИН, инж. Н. С. ЕРМАКОВ

ВЛИЯНИЕ ОБДУВА И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПОДФОНАРНОГО ПРОСТРАНСТВА

НА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕНИТНЫХ ФОНАРЕЙ

Механизм конденсации водяного пара изучен на од­ нослойном куполе в климатической камере. В подфонарном пространстве был создан температурно-влажностный режим, обеспечивающий конденсатообразование. Наблю­ дения проводились в течение суток. После наступления заданного режима началось образование микрокапель (отпотевание) на нижней части купола, через 30 мин зо­ на образования микроскопических капель распространи­ лась на 90% внутренней поверхности, свободной остава­ лась верхняя часть купола. Через 60 мин на нижней ча­ сти купола образовалась полоса шириной 10—15 см, по­ крытая каплями диаметром около 0,1 мм. Более крупные

127

капли расположены в нижней части купола, по направле­ нию от подошвы к его вершине размер капель убывает. Через 4 ч размеры капель внизу купола увеличились до 1—3 мм. При рассмотрении через лупу заметно слияние отдельных капель. Все капли находятся в устойчивом со­ стоянии. Через 5 ч замечено скатывание первых капель диаметром 6—7 мм из угловой части низа купола. Через 5,5 ч первые скатившиеся и повисшие на ребре купола капли оторвались и упали на пол. К моменту отрыва кап­

а) обдува струей воздуха внутренней поверхности ку­ пола, позволяющего уменьшить сопротивление тепловосприятию и повысить температуру внутренней поверх­ ности;

б) дополнительного обогрева воздуха в подфонарном пространстве;

в) увеличения сопротивления теплопередаче свето­ прозрачной конструкции путем введения дополнительных слоев остекления и воздушных прослоек.

Исключение отрыва и падения капель в помещение может быть достигнуто в результате конструктивных мер:

128

придания куполам соответствующей геометрической формы, устройства конденсатосборников и канализации конденсата.

Количественные температурно-влажностные и аэро­ динамические показатели обдува конструкций для исклю­ чения образования конденсата на их поверхности были исследованы в климатической камере ЦНИИПромзданий на одно-, двух- и трехслойных куполах из оргстекла. Были изучены поля скоростей воздушных потоков в под­ фонарном пространстве, степень эффективности обдува для различных конструкций куполов и теплотехнические показатели куполов при обдуве. Воздушный поток пер­ пендикулярно поверхности купола создавали вентилято­ ром АВ-0012-4, установленным в центре светопроема по вертикальной оси купола на специальном штативе. Ско­ рости воздушных потоков измеряли крыльчатым анемо­ метром, направления движения воздуха в подкупольном пространстве — с помощью шелковой нити и дымовых струй.

По данным измерений в климатической камере вычис­ лены основные температурные и термические характери­ стики экспериментальных конструкций в зависимости от скорости движения воздуха и поверхности купола в сред­ ней его части (табл. 1).

Как видно из табл. 1, обдув куполов вызывает значи­ тельное изменение теплотехнических показателей. С уве­ личением скорости обдува резко уменьшается сопротив­ ление тепловосприятию, что приводит к перераспределе­ нию температур как по поверхности, так и по толще конструкций. Особенно заметно влияние увеличения ско­ рости обдува на повышение температуры внутренней по­ верхности куполов и, соответственно, на уменьшение тем­ пературного перепада у внутренней поверхности. По этой причине возрастают теплопотери (особенно у однослой­ ных куполов). Термическое сопротивление при обдуве практически не изменялось.

При принятой системе обдува вынужденное движе­ ние воздуха примерно совпадало с естественным. В цент­ ральной части подфонарного пространства создавали восходящий воздушный поток, который достигал внут­ ренней поверхности купола в средней части и растекался по поверхности по направлению к опорным частям, где образуются нисходящие потоки. Между восходящими и нисходящими потоками в подфонарном пространстве об­

разуется зона завихрения тем больше, чем больше скоро­ сти подачи воздуха в подфонарное пространство.

Т а б л и ц а 1

Температурны е и термические показатели купола

Снятые эпюры скоростей воздуха у поверхности ку­ пола (рис. 2) показывают, что скорость движения потока воздуха вдоль поверхности купола при скоростях подачи воздуха до 1,5 м/сек мало изменяется при движении по­ следнего от центра к опорным частям. Так, при скорости подачи воздуха 1,1 м/сек скорость воздушного потока у опорных частей всего на 10% меньше, чем в центре ку­ пола. При повышении скорости подачи воздуха в подфо­ нарное пространство скорости движения воздуха у опор­ ных частей купола растут значительно медленнее, чем в средней части. При скорости подачи воздуха 3,2 м/сек скорость воздушного потока у опорных частей уже на 30% меньше, чем в средней части.

Интересно проследить за распределением температу­ ры внутренней поверхности купола при различных ско­ ростях подачи воздуха в подфонарное пространство (рис. 3). При малых скоростях воздушных потоков (кри­ вые 3 и 4) распределение температуры на внутренней поверхности купола по всем сечениям мало отличается

130