ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЗВУКОИЗОЛЯЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ОГРАЖДЕНИЙ ДОМОВ ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ

ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ

В результате поставленных экспериментов решены следующие задачи - 1) изучен характер формирования температурных полей и пограничных слоев при различ­ных режимах и степени фильтрации наружного или внутреннего воздуха; 2) определены значения и изучен характер изменения коэффициентов теплообмена на по­верхностях остеклений в зависимости от высоты воздуш­ной прослойки и режима фильтрующего воздуха; 3) вы­полнены расчеты тепловых потоков по конвективной и лучистой составляющей и методами математической ста­тистики построены критериальные соотношения, связы­вающие термическое сопротивление воздушной прослой­ки с температурными, теплофизическими и аэродинами­ческими параметрами воздушной среды. На основании этих соотношений рекомендованы значения термичес­кого сопротивления воздушной прослойки в зависимости от количества фильтрующего воздуха через неплотности остеклений.

Эксперименты проведена с помощью методов физи­ческого моделирования, при этом использованы основ­ные положения и принципы теории подобия. Для экспе­риментов (в них принимала участие инж. А. М. Бажу - лина) была изготовлена модель помещения с оконным проемом, на заполнение которого воздействует внешняя среда с определенной температурой и давлением возду­ха. Заполнение оконного проема имитировало оконный блок с двойным или спаренным остеклением, у нижних и верхних оснований были устроены горизонтальные ще­ли для организации необходимого режима фильтрации воздуха.

Исследования проводили с применением интерферо­метра ИЗК-454 типа Маха-Цендера.

Теория подобия предъявляет жесткие требования к размерам модели и тепловоздушному режиму экспсри - мента для обеспечения условий точного подобия полей температур и скоростей потока в натуре и модели [25]. Эти условия подобия трудно достижимы на практике, их можно создать лишь приближенно, выбирая либо мак­симально возможные геометрические размеры модели, либо особые условия теплового и воздушного режима (автомодельность процесса теплообмена, развитая тур­булентность потока в рабочем объеме). Поэтому разме­ры экспериментальной установки определяли исходя из максимально возможных геометрических размеров моде­ли, приемлемых для интерферометра ИЗК-454.

Установка представляет собой тепло - и воздухоизоли - рованный короб размерами 1,28X0.94X0.8 м, разделен­ный на три части: холодную камеру, теплую камеру и межстекольное пространство — исследуемый рабочий объем, образованный двумя строго параллельными пло­скими листами стеклотекстолита (остекления) (рис. 26). Внутренние поверхности теплоизолированных стенок ус­тановки для снижения интенсивности лучистого тепло­обмена покрыты алюминиевой фольгой. На верхнем и нижнем основаниях холодной и теплой камер помещены измерительные коллекторы с внутренними диаметрами 40 мм. Расход фильтрующего воздуха регулируется ра­ботой двух вентиляторов в режиме «на отсос», один из

Которых подсоединен к коллектору в теплой камере (ос­новному), а другой к коллектору в холодной камере. На­ружный (комнатный) воздух подается в холодную ка­меру свободно через коллектор. Перепад давления в воздушном потоке через коллектор определяется микро­манометром типа «Аскания».

Для создания перепада температур воздуха между холодной и теплой камерами применены экранированные электрические нагреватели, основной из которых устано­влен в подоконной части теплой камеры (для имитаиии отопительного прибора) (см. рис. 26). Температуры из­меряли хромель-копелевымп термопарами (всего 45 шт.), которые полностью фиксировали весь тепловой режим. Из них 24 термопары установлены на поверхностях остек­лений на расстояниях 0 035; 0,165; 0,308; 0,452; 0,595; 0,725 м от уровня нижнего основания межстекольного пространства.

Экспериментальная установка имеет следующие ха­рактеристики

Межслекольное пространство — рабочая зона наблю­дений. Еысога 0.76 м, ширина 0,8 м, толщина воздушной прослойки 6 = 0,041 м, площадь теплоотдаюшей поверх­ности 0,608 м2. Наружное и внутреннее остекления име­ют толщину 0,01 м, степень черноты поверхности F~ = 0,665. На каждом остеклении образоьаны две щели на расстоянии 0,015 м от нижнего и верхнего основанн"*. Ширина щелей 0,003, длина 0,7 м.

Холодная и теплая камеры. Высота 0-9, ширина 0,69, длина 0,3 м (для теплой камеры 0,8 м), толщина наруж­ных стенок, утепленных шшераловатными плитами, 55 мм, степень черноты фольгнрованных поверхностей е = 0,04.

Данные проведенных исследований конвективного теплообмена приведены в табл. 28.

Методика иследования процесса теплообмена на мо­делях с применением интерферометра достаточно хорошо известна [21], [37]. Сущность ее состоит в изучении ха­рактера гидродинамических и тепловых процессов в сре­де и пограничных слоях, в построении путем расшифров­ки интерферограмм профилей температур и изотерм и в расчете локальных щи среднеинте1ральных значении ко­эффициента теплообмена и теплопередачи. Результаты исследований обрабатывают в критериальных величинах и представляют в виде крнтерпатыюго уравнения

Конвективный теплообмен в рабочей зоне эксперт ментальной установки исследован при толщине межсте­кольного пространства 0,041 м для различных режимов температур и движения воздуха (см. табл. 28). Интер­ференционные картины сфотографированы на четырех уровнях по высоте воздушной прослойки после устано­вления стационарного режима теплопередачи на каж­дом уровне.

Средние значения температур по высоте остеклений рассчитываются ио формуле

Тср = 0,13тх + 0,1 8Т2 + 0,19 (т3 + т4) + 0,1 &т6 + 0,13тв, (1)

Где Ть Тг, ..., т6 — температуры поверхности на высоте соответствен­но: 0,035; 0,Lb5, 0,308; 0,452 0,595; 0,725 м от уровня нижнего осно­вания воздушной прослойки.

По этой же формуле определяют среднее значение ко­эффициента теплообмена на поверхностях по высоте ос­теклений. При фильтрации воздуха через остекления средний удельный расход воздуха, кг/(м2-с), определен по формуле

Ост = GK/FCT, (2)

Где FCt — площадь теплоотдающей поверхности остекления, м2; GK=FKyBv — расход воздуха через коллектор, кг/с; FK=0,001256 — площадь поперечного сечния коллектора, м2; ув — объемная масса воздуха в соответствии с его температурой, кг/м3; и=]^2Др/ув— скорость потока в коллекторе, м/с, Др — перепад давления, Н/м2.

Конвективный тепловой поток, Вт/м2:

QK = AtaK, (3)

Где ДT — перепад между температурами поверхности остекления и воздуха, определяемыми либо по показаниям термопар, либо рас­шифровкой интерферограмм, °С; ак — коэффициент конвективного теплообмена, определяемый расшифровкой интерферограмм, Вт/(м2-К).

При расчете лучистого теплового потока угловой ко­эффициент излучения принят равным 1, так как толщина воздушной прослойки несоизмеримо мала по сравнению с размерами остеклений, а боковые поверхности холод­ной и тепловой камер имеют малую степень черноты. Поэтому

, |7 ^+ 273 у /V+273V1

—w5—; —(—ito-; J - (4)

Где qn — лучистый тепловой поток, Вт/м2; 0ь 0? — температуры по­верхностей остеклений или торцовых стенок, °С; 6 = 0,23 Вт/(м2Х ХК4)—для наружных поверхностей остеклений и торцовых стенок камер и 6=2,88 Вт/(м2*К4)—то же, для межстекольного прост­ранства.

Статистическая обработка экспериментальных дан­ных выполнена по критериальному соотношению следу­ющего вида:

Яв. п = 10*1 Ra*2 Re*3 (г//б)*'» (5)

Где Яв. п — термическое сопротивление воздушной прослойки, м2-К/Вт; у — текущая координата по высоте остекления, м; б — толщина воздушной прослойки, м; Ra = Gr'Pr— число Релея; Gr =

О

= Р —~— —число Грасгофа; Pr=v/a — число Прандтля; Re = Ос т

= ^ —число Рейнольдса; |3— температурный коэффициент

Объемного расширения, g/° К; G — ускорение силы тяжести, м/с2; V — коэффициент кинематическрй вязкости воздуха, м!/с; а — тем­
Пературопроводность воздуха, м2/с; Td— характерный перепад тем­ператур, °С, Y — объемная масса воздуха, кг/м3; GCT — расход возду­ха, кг/(м2«с).

Для определения параметров хи х2, Х3, л:4 вместо со - отношения (5) путем его логарифмирования рассматри­ваем уравнение

Lg Яв. п = хг + х2 lg Ra + х3 lg Re - f- Х4 lg (у/8). (6)

Тогда система нормальных уравнений [13] будет иметь вид

Хгп -f *а2 lg Ra - f *32 lg Re + x42 lg (Y/8) = 2 lg xx2 lg Ra + x22 [lg Ra]2 + x3 lg Ra lg Re - f x42 1 g Ra lg (Y/8) = 2GRB.N lgRa;

^SlgRe+XaSlgRalgRe + XgS [lgReJ2+ (7)

-f x4S lg Re lg (y/8) = 2 lg RBM lg Re;

*i2 lg (У/Б) + xa2 lg Ra lg (y/8) + x32 lg Ra lg (y/8) + + x42 [lg (y/8)]* = 2 lg lg (y/8),

Где n — число обрабатываемых значений RB. n.

Суммирование в формуле (7) ведут от 1 до п. Точность статистической обработки, %, оценивают среднеквадра­тичным отклонением <т и показателем точности Р:

„i/" Р = (8)

Где RBM — обрабатываемые значения термических сопротивлений; Яъ. п — значения термических сопротивлений, рассчитываемых по формуле (5); ^^ — среднее из обрабатываемых значений.

Все предварительные расчеты и статистический ана­лиз с получением различных вариантов критериального соотношения (5) выполнены по единой вычислительной программе на ЭВМ М-222. Кроме того, для расшифровки интерферрограмм по рекомендуемым методам [21, 37] использованы таблицы, составленные с помощью ЭВМ.

При дальнейшем изложении приняты следующие обозначения.

I, II, III, IV, V, VI —серии выполненных эксперимен­тов, которым соответствуют определенные режимы испы­таний (см. табл. 28); 1 — поверхность наружного остек­ления со стороны холодной камеры; 2 — то же, со сторо­ны воздушной прослойки; 3 — поверхность внутреннего остекления со стороны воздушной прослойки; 4 — то же,
со стороны теплой камеры; ta — температура воздуха в холодной камере, °С; tB— то же, в теплой камере, 0 С; ^в. п — то же, в середине воздушной прослойки (опреде­ляется по интерферрограммам);

Тг — температура i-той поверхности остекления, °С; i = = 1, 2, 3, 4; Тех, Тст — средние температуры поверхностей торцовых стенок соответственно холодной и теплой ка­мер, ° С; «ки алi—коэффициенты соответственно конвек­тивного и лучистого теплообмена на i-той поверхности остекления, Вт/(м2-К); qKi, Цщ— соответственно конвек­тивный и лучистый тепловые потоки через i-тую поверх­ность остекления, Вт/м2; <7ог = <7кг + <7лг — суммарный теп­ловой поток через i-тую поверхность, Вт/м2; q0B, q0B — Суммарные тепловые потоки соответственно через наруж­ное и внутреннее остекление, Вт/м2; Rln, Rln —терми­ческие сопротивления воздушной прослойки, определяе­мые по тепловым потокам соответственно через наруж­ное и внутреннее остекление, м2- К/Вт.