ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

СВОБОДНЫЕ КОНВЕКТИВНЫЕ ПОТОКИ, ВОЗНИКАЮЩИЕ У НАГРЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, — ТЕПЛОВЫЕ СТРУИ

Тепловые струи, так же как и приточные струи естественной или механической вентиляции, являются основными факторами, определяю­щими циркуляцию воздуха в производственных помещениях, распреде­ление тепла и концентраций паров, газов и пыли.

Движение воздуха, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, называют свободным.

При соприкосновении с нагретой поверхностью воздух нагревается и становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и холод­ных частиц воздуха возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются; на их место поступают новые части­цы — холодные, которые также нагреваются и поднимаются. Таким об­разом, образуется восходящий тепловой поток, определяемый наличием теплообмена у нагретой поверхности.

Чем больше передается тепла, тем интенсивнее движение воздуха. Так как количество переданного тепла пропорционально разности тем­ператур и площади нагретой поверхности, то и свободное движение воздуха определяете^ именно этими факторами. Температурным напо­ром определяется разность плотностей и, следовательно, подъемная си­ла, а площадью поверхности — зона распространения процесса.

Движение воздуха на различных уровнях вертикальной нагретой стенки происходит по-разному (рис. IX. 15). В нижней ее части воздух стелется по поверхности утолщающимся слоем — ламинарное движение, выше появляются завитки («локоны»), бегущие вдоль поверхности,— локонообразное движение, и, наконец, в верхней части стенки «локоны» отрываются и в виде вихрей распространяются в окружающей среде — турбулентное движение.

Движение воздуха около горизонтальных нагретых поверхностей отличается значительной сложностью и зависит от положения плиты и ее размеров. Когда нагретая поверхность обращена вверх, движение происходит по схеме рис. IX. 16, а. Если же при этом плита имеет боль­шие размеры, то вследствие налипания с краев сплошного потока нагре­того воздуха центральная часть плиты оказывается изолированной и воздух к ней будет подтекать только сверху (рис. IX.16, б). Когда нагре­тая поверхность обращена вниз, движение воздуха происходит по схеме рис. IX. 16, в. В этом случае по нагретой поверхности движется лишь тонкий слой воздуха, замещаемый встречным потоком, расположенным ниже.

Конвективные струи изучали многие исследователи: Я - Б. Зельдо­вич, Л. Прандтль, О. Г. Саттон, Б. Шмидт, Г. Н. Абрамович, В. М. Эль - терман, И. А. Шепелев и др.

У-ЖА

Рис. IX. 15. Характер свободного движе - Рис. IX.17. Схема конвективной струи в нчя воздуха около вертикальной нагре - неограниченном пространстве ТОЙ поверхности j — нагоетая пластина: 2-полюс струи;

1 — нагретая цластина; I—IV — зоны

Рис. IX. 16. Характер свободного движе­ния воздуха около горизонтальных на­гретых поверхностей

А — обращенных вверх; б — то же, при пли­тах большого размера; в — обращенных вннз

На основе этих исследований можно представить схему тепловой струи, возникающей над нагретым горизонтальным источником, обра­щенным вверх (рис. IX. 17).

По данной схеме в тепловой струе можно выделить четыре зоны: / — пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположен­ного непосредственно у поверхности нагретой пластины, и основного по­граничного слоя; II — разгонный участок; III — переходный участок; IV — основной участок.

В пограничном ламинарном подслое движение воздуха происходит вдоль поверхности; вертикальная составляющая скорости ничтожна. Тепло от нагретой пластины передается воздуху путем теплопроводно­сти, и поэтому здесь наблюдается значительный перепад температур.

В пределах основного пограничного слоя может быть ламинарное или турбулентное движение воздуха в зависимости от величины произ­ведения критериев Грасгофа и Прандтля. При Gr Pr^l-108 наблюдает­ся развитое турбулентное движение.

Нагретый воздух из пограничного слоя поднимается над горячей пластиной отдельными струйками, а на его место опускается холодный воздух. Толщина пограничного слоя равна примерно 0,2d. Интенсив­ность подтекания воздуха в пограничном слое больше, чем в вышеле­жащей части струи (на единицу высоты струи).

В разгонном участке в основном проявляются архимедовы силы, и под их действием скорость движения воздуха непрерывно возрастает, статическое давление уменьшается, что и приводит к уменьшению се­
чения струи. В конце разгонного участка струя имеет наименьшее сече­ние. Это сечение называют переходным или сжатым. Сжатое сечение на­ходится на расстоянии примерно 2d от полюса струи.

Максимальная осевая скорость струи наблюдается несколько выше конца разгонного участка. В пределах этой части струи, а также во всей последующей ее части происходит подмешивание к ней окружающего воздуха, оказывающего тормозящее действие на скорость ее подъема.

В переходном участке происходит преобразование начальных по­перечных профилей скоростей и избыточных температур в профили, ха­рактерные для основного участка.

Во всех сечениях основного участка наблюдается подобие попереч­ных профилей скоростей и избыточных температур.

В переходном и основном участках вместе с подъемными силами действуют и силы турбулентной вязкости, под действием которых струя непрерывно расширяется. Угол бокового расширения струи а может быть принят как и для приточных свободных струй без принудитель­ного расширения равным 12°25'.

На формирование тепловых струй большое влияние оказывают ус­ловия подтекания воздуха в зоне I. Например, если поднять пластину и поместить ее на основание, то условия подтекания воздуха к нагретой поверхности будут другими, чем для пластины, заделанной заподлицо с плоскостью, и закономерности развития тепловой струи над таким источником окажутся несколько иными.

В тепловой струе количество движения секундной массы воздуха по высоте не остается постоянным, а изменяется в связи с появлением подъемной силы.

Расчетные зависимости для тепловых струй по исследованиям В. М. Эльтермана и И. А. Шепелева приводятся в их работах [59 и др.].