8732

Вт/м2. Теплообмен теплопроводностью имеет место быть в материальных слоях

ограждающих конструкций зданий.

11

1.3. Лучистый теплообмен в помещении

Температуры отдельных поверхностей в помещении неодинаковы.

Между поверхностями происходит теплообмен излучением. Лучистый теплообмен в помещении происходит в условиях ограниченного диапазона значений температур, определенных радиационных свойств поверхностей,

геометрии их расположения. Излучение (лучистый теплообмен) – это перенос теплоты с поверхности на поверхность через лучепрозрачную среду электромагнитными волнами, трансформирующимися в теплоту.

Величина интенсивности излучения Ео, Вт/м2, определяется законом Стефана-Больцмана:

где Со – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Со = 6,81 Вт/(м2·К4).

Поверхности помещения являются серыми телами. В отличие от абсолютно черных серые тела излучают меньше теплоты и падающий на них лучистый поток полностью ими не поглощается, а частично отражается.

Коэффициенты излучения серых тел С, Вт/(м2·К4), определяются по формуле:

C Cо , (1.8)

где – величина, показывающая степень черноты поверхности, равной относительному излучению поверхности.

Значения применительно к условиям теплообмена в помещении приведены в таблице 1.2 . Там же даны значения коэффициентов поглощения материалами солнечной радиации p.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями можно считать лучепрозрачной средой. Каждая поверхность отдает теплоту излучением и поглощает лучистую теплоту, приходящую от окружающих поверхностей. Нагретые поверхности теряют больше теплоты,

чем поглощают, более холодные, наоборот, получают больше теплоты, чем

отдают.

12

Таблица 1.2 Значения коэффициента излучения и коэффициента поглощения солнечной радиации р

поверхностями различных строительных материалов

Общее количество теплоты, передаваемое излучением с поверхности 1 на

поверхность 2, полные площади которых равны F1 и F2:

13

Коэффициент облученности 1-2 с поверхности 1 на поверхность 2

показывает долю лучистого потока, попадающую на поверхность 2, от всего потока, излучаемого поверхностью 1. Для определения коэффициента облученности 1-2 при двух наиболее характерных случаях расположения поверхностей в помещении пользуются графиками, приведенными на рис. 1.4 и 1.5.

В формуле (1.3) величина пр.1-2 есть приведенный (относительный)

коэффициент излучения при теплообмене между двумя серыми поверхностями.

Для определения пр рассмотрим три характерных случая.

Для двух параллельных поверхностей, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами, коэффициент облученности 1-2 = 1, т.к.

практически все излучение одной поверхности попадает на другую.

Приведенный коэффициент излучения теплообменивающихся поверхностей

для этого случая равен:

где 1 и 2 – коэффициенты излучения поверхностей.

Одна поверхность со всех сторон окружена другой поверхностью. Это сфера в сфере, цилиндр в цилиндре или просто невогнутая поверхность,

окруженная большей поверхностью такой же геометрии. В этом случае, если меньшая поверхность имеет площадь F1, а большая F2, величина пр.1-2 равна:

Если поверхности малы или велико расстояние между ними, часть отраженного излучения, возвращающаяся на излучающую поверхность,

становится незначительной, а коэффициент пр.1-2 в этом случае равен:

Рис. 1.4. Коэффициент облученности с поверхности на поверхность, расположенную в перпендикулярной плоскости

Рис. 1.5. Коэффициент облученности с поверхности на поверхность, расположенную в параллельной плоскости

15

Для инженерных расчетов в формуле (1.9) удобно заменить разность четвертых степеней абсолютных температур разностью температур в градусах Цельсия в первой степени в виде:

1.4. Конвективный теплообмен в помещении

Воздух обменивается теплотой с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения.

Нагретые потоки воздуха поднимаются вверх, охлажденные опускаются вниз,

вызывая общую подвижность и перемешивание воздуха в помещении. Приток

иудаление воздуха вентиляцией усиливает этот процесс.

Впомещении могут быть различные формы конвективного теплообмена.

В большинстве случаев обмен теплотой воздуха с нагретыми или охлажденными поверхностями происходит в режиме свободной (естественной)

конвекции. В условиях вынужденного (принудительного) движения воздуха вдоль поверхностей теплообмен определяется закономерностями вынужденной конвекции. При подаче неизотермических струй теплообмен определяется

16

также массообменом и происходит в результате перемешивания струй с воздухом помещения. Все эти процессы достаточно сложны, и их протекание в ограниченном объеме помещения имеют определенную специфичность.

Свободная конвекция. Около нагретых и охлажденных свободно расположенных поверхностей возникают конвективные токи, которые определяют интенсивность теплообмена между поверхностями и воздухом.

Этот процесс называют свободной конвекцией. Если поверхность нагрета, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого возрастает по направлению движения (рис. 1.6). В

начальной зоне движения пограничный слой является ламинарным. На некотором расстоянии от нижней зоны нагретой поверхности, когда толщина пограничного слоя достигает определенной величины, режим течения становится турбулентным. Аналогичная картина наблюдается около охлажденной поверхности, поток свободной конвекции у которой направлен вниз.

Рис. 1.6. Пограничный слой при свободной конвекции

Интенсивность естественной конвекции для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде определяется критерием Грасгофа (Gr) или

17

произведением критерия Грасгофа на критерий Прандтля (Gr·Pr). Для воздуха помещения при температуре 20 °С произведение этих критериев равно:

где – коэффициент температурного расширения воздуха, = 1/Т = 1/293, К-1; g = 9,81 м/сек2 – ускорение силы тяжести;

v – коэффициент кинематической вязкости, при 20 °С, = 15,06 10-6 м2/сек; l – определяющий размер поверхности в направлении потока воздуха, м;

t – разность между температурой поверхности и температурой воздуха в помещении, °С;

Pr – критерий Прандтля, для воздуха при 20 °С, Pr = 0,709.

Переход от ламинарного к турбулентному режиму течения происходит на расстоянии lкр от начала поверхности. Для этого сечения принимают значение произведения (Gr·Pr)кр 2 107. Из этого критериального уравнения можно получить:

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена к в

пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до lкр равно:

Нуссельта Nu кl 87 (здесь – коэффициент теплопроводности воздуха).

Вне пределов ламинарной области происходит турбулизация пограничного слоя. Критериальное уравнение теплообмена в области

турбулентного режима имеет вид:

Как видно из (1.21), величина коэффициента конвективного теплообмена

к не зависит от геометрического параметра l и остается неизменной для всей области турбулентного режима, в пределах которой процессов конвективного теплообмена является автомодельным.

Все рассмотренные формулы, в том числе и уравнение (1.21), написаны для вертикальной, свободно расположенной поверхности. При горизонтальном расположении нагретой или охлажденной свободной поверхности для расчета средней интенсивности конвективного теплообмена можно пользоваться формулой (1.21), но значения численного коэффициента в нем должно быть изменено (таблица 1.3).

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

Смешанную подвижность воздуха вдоль поверхности можно характеризовать условной разностью температур tусл, величина которой вызовет такую же интенсивность свободного конвективного потока, как при естественной конвекции и общей подвижности воздуха в помещении: