Теплопередача и оконные заполнители

Конвективный теплообмен в межстекольном пространстве окон

Рассмотрим вертикальную замкнутую герметичную воздушную прослой­ку, причем ее высота Н намного превышает ее ширину L. Температуры на внутренних поверхностях прослойки равны t{ и І2 и будем считать, что они по­стоянны по высоте. Теплопередача в такой воздушной прослойке зависит от температур tj и t2 и относительной ширины прослойки H/L. Ограниченное пространство накладывает определенные особенности на теплообмен, заклю­чающийся в том, что циркуляция воздуха в замкнутом пространстве возможна только при определенных физических условиях [35]. Режим течения в про­слойке зависит от критерия Грасгофа GrL-g/3(t/-t2)L3/^.

По данным экспериментов [113] критическое число Грасгофа равно

щ

Конвективный теплообмен в межстекольном пространстве окон

Рис.1.14. Развитие температурных (а) и скоростных (б) профилей в воздушной прослойке

т

U/B g

Рис. 1.13. Профили скорости и темпе­ратуры в пограничном слое около поверхности остекления

Конвективный теплообмен в межстекольном пространстве окон

Рис. 1.16. Схема движения воздуха в замкнутой воздушной прослойке I - пристенный пограничный слой

Конвективный теплообмен в межстекольном пространстве окон

Рис. 1.15. Предельные значения ширины воздушной прослойки, при которых во всей полости отсутствует конвекция

II - ядро течения

GrLKp=l400. Таким образом, при GrL < Grtp конвекция в прослойке отсутствует, передача тепла осуществляется только теплопроводностью и излучением, температура в прослойке изменяется по линейному закону (прямая 1 на рис.1.14). Приняв физические параметры воздуха при температуре 0°С, можно найти в зависимости от температурного перепада предельное значение шири­ны воздушной прослойки, при которой не происходит конвективного движе­ния:

LKp<0,019(tj -12)'1/3 . (1.22)

На рис.1.15 приведены численные значения при различных перепадах

температур. При значении GV=1400, возникает ламинарная естественная кон­векция. При Gri>Grip изменение температуры вдоль ширины прослойки от­клоняется от линейного закона (кривые 2,3,4 на рис. 1.14). При этом в про­слойке образуются два пограничных слоя [36]. Около стенки с большой тем­пературой tj воздух движется вверх, а с меньшей t2 - вниз и профили скоро­стей у стенок имеют вид параболы (рис. 1.16). Ширина пристенного погранич­ного слоя растет сверху вниз у стенки с большей температурой t/ [21]. У стен­ки с меньшей температурой Ь наоборот. Рассмотрим два случая развития по­граничных слоев у стенок.

Первый случай: ширина прослойки L велика. При этом около холодной и теплой стенок образуются независимо друг от друга свободноконвективные потоки воздуха, и взаимодействия их не наблюдается. Изменение скорости и температуры для такого случая показано на рис. 1.14 кривая 3. Локальные ко­эффициенты теплоотдачи можно рассчитывать по формулам (1.19) и (1.21), отсчитывая расстояние снизу вверх у теплой поверхности и наоборот у холод­ной. Здесь должно соблюдаться условие Sx+Sr >L, где Sx и 5т - толщина по­граничных слоев, образующихся около теплой и холодной поверхностей ос­текления. Значения Зх и бт можно определить по формулам:

для ламинарного режима при Рг=$,1 [112]:

(1-24)

для турбулентного режима [7]:

3I/x=3,68Gr;i/6

Второй случай: пограничные слои взаимодействует друг с другом, т. е. дх+&г<Ь. Вследствие взаимодействия пограничных слоев, между ними возни­кают циркуляционные вихри [121]. Установлено, что при небольшой разности температур возникает одно циркуляционное движение, симметричное относи­тельно центра прослойки. С увеличением перепада 0-ґ2 количество циркуля­ционных зон растет. Профили скоростей и температур в прослойке показаны на рис. 1.14 кривыми 2 и 4. Температурный профиль (кривая 2) говорит о том, что в центральной части ядра теплообмен происходит теплопроводностью (линейный участок распределения температуры).

Следует отметить, что температура в ядре прослойки не постоянна по вы­соте, а увеличивается снизу вверх. На рис. 1.17 в безразмерном виде нанесены экспериментальные данные [111], которые можно аппроксимировать кривой:

(1.25)

(t - tj/(ti - t2)=0,83~ 0,6(x/L)

Характер развития пограничного слоя зависит не только от значения чис­ла Грасгофа Gri, но и от отношения высоты прослойки к ее ширине Н/L. Ана­лиз и обобщения опытных данных позволяют найти критическое число GrLKp:

(1.26)

GrLKp=1 OO(WL)lJ.

Формула (1.26) получена для отношений H/L-5-40: при числе (7/у<1000 во всей воздушной прослойке отсутствует конвекция; при 1000<GrL<GrLKp конвекция существует в верхней и нижней частях воздушной прослойки, а в средней части она отсутствует; при Gr^Gr^ в воздушной прослойке наблю-

а)

о 1 в2 • 2 А 4

•р>

4

«с*

»оо

trh

Рис.1.17. Зависимость изменения температуры t„, в ядре прослойки (у/И=0,5) от х/Нпри trtr 19°С (1); 33°С (2); 46°С (3); 61 °С (4;) 75°С (5); 88°С (6)

а) H/h = 20;

б) H/h = 10

f

Г

і

Г

Xf и

b

л

и

to

as

в*

я?

б)

о яг

я*

as

to trt& t,-u

-

•А"

.т1"

Пил

т 60 м.

20

Ю-

ь

к 7

Рис. 1.18. Зависимость Nuc от Grv (сплошной линией показаны расчеты по формуле (1.27), точками - опытные данные при i,-t2 от 5,5 до 88'С); H/h-20

■£gMtL

Конвективный теплообмен в межстекольном пространстве окон

Рис. 1.19. Конвективный теплообмен в плоских вертикальных щеляхи прослойках по данным разных авторов:

1 - М. А. Михеев, A4=0,0947G/yw;

2 - Макгрегор, Р. Эмери, NuL=0,229GrLQ2S(H/Ly02 H/L= 1;

3 - Де Грааф, NuL=0,0317Gr/’A

4 - Макгрегор, Р. Эмери, 7'/wi=0,041Gri°’533;

5 - М. А. Михеев, NuL=Q,3&4GrL0';

6 - Р. Эмери, П. Чу, Nu^OaSiGr^iH/L)4^;

7 - Д. Дропкин, Е. Соммерскейзл, NuL=0,0426Gr°’m;

8 - Макгрегор, Р. Эмери NuL=0,229GrLb'2H/LT'2i H/L=.

дается ламинарное конвективное движение.

Анализ экспериментальных и теоретических работ [108, 109, 114-124] показывает, что в интервале изменения критерия GrL от 103 до 107 существует ламинарный режим течения, при Grj> 107 - турбулентный. Ламинарный режим течения рассматривается в нескольких работах [43, 47, 60, 111], где приводит­ся локальное распределение коэффициентов теплоотдачи вдоль высоты про­слойки. Локальные коэффициенты теплоотдачи на теплой и холодной сторо­нах прослойки непостоянны по высоте, также как и при естественной конвек­ции у вертикальной поверхности они растут снизу вверх около холодной по­верхности и падают около теплой стенки. На рис. 1.18 представлены результа­ты экспериментальных исследований [111] локальных коэффициентов тепло­передачи для значения H/L=20. Температурные перепады при этом составляют /у-Ь=(5-88)°С. Экспериментальные точки, показанные на рис. 1.18, аппрокси­мируются зависимостью:

Nux=0,231Grx03 (1.27)

Уравнение (1.27) справедливо для теплой стенки. Координата х отсчиты­вается от нижней грани прослойки. Для расчета локальных коэффициентов на холодной поверхности необходимо координату х отсчитывать от верхней гра­ни, а температурный напор в критерии Грасгофа следует брать tm-t2. На нагре­той стенке локальные коэффициенты теплоотдачи уменьшаются с увеличени­ем х.

Средний коэффициент теплоотдачи по толщине прослойки можно найти из уравнения (1.27) после интегрирования по х:

NuLcp = 0,119GrL0i(L/H) °'1. (1.28)

где Nulp=o£pL//I - критерий Нуссельта; аср - коэффициент теплопередаче в прослойке.

Соотношение (1.28) можно применять при 5<H/L<20 и 103<GrL<106. В

приближенных расчетах при значении 103<(лу<1010 и Н/Ь>5 М. А. Михеев [55] рекомендует использовать следующую зависимость:

NuLcp = 0,18(GrLPrf25 (1.29)

Коэффициенты С, А, т в формуле NuL~C(Gr[)A(H/L)'m

Результаты работ разных авторов, исследовавших теплообмен конвекци­ей в плоских вертикальных щелях и прослойках, можно представить в виде таблицы, если Nui аппроксимировать зависимостью NuL=C(GrJA (H/L)'m. Дан­ные о коэффициентах С, А, т [93] представлены в таблице 1.8, а часть зависи­мостей представлена на рис. 1.19.

Источник

С

А

т

H/L

GrL

Режим тепло­обмена

М. А. Михеев

0,0947

0,3

0

-

1,5-103—1,5-106

ламинарный

0,384

0,2

0

-

1,5-Ю3-1,5-Ю10

турбулентный

Мулль, Райер

0,18

0,25

0,111

3-42

1,5 104-1,5 105

ламинарный

0,065

0,333

0,111

3-42

1,5-105-8-106

турбулентный

Макгрегор, Р. Эме­

0,229

0,25

0,25

2-40

2-Ю4

ламинарный

ри

0,381

0,25

0,3

1^10

1,5 Ю4—1,5 107

ламинарный

0,041

0,333

0

1^10

1,5-107-1,5-109

турбулентный

Д. Дропкин, Е.

0,0426

0,333

0

4,4-16,6

7-104-109

турбулентный

Соммерскейзл

5-Ю3—106

В, И. Полежаев

0,108

0,32

0

1-10

103—5-105

ламинарный

Мунет, Диксбури

0,2

0,263

0,21

1,25-20

103-108

ламинарный

Р. Эмери, П. Чу

0,258

0,25

0,25

-

1U 1 v

103-5-106

ламинапрный

Э. Эккерт, В. Карл­

0,119

0,3

0,1

2,3-46,7

ламинарный

сон

104-3 • 1 о5

Де Вааль Девис

0,135

0,315

0,204

2,5-35

7-Ю5

ламинарный

Де Грааф

0,0317

0,37

0

19-63

JL* 1U 103-105

турбулентный

М. Ньюэл, Ф.

0,155

0,315

0,265

2-20

ламинарный

Шмидт

105-108

Ниман

0,0236

0,393

0

-

3,5-103—107

турбулентный

Э. М. Литицкий,

0,118

0,27

0

-

переходный

Э. А. Сидоров

5-Ю6

Лэндис, Яновиц

0,111

0,279

0

20

ламинарный

Е. Польгаузен

0,202

0,25

0,25

-

ламинарный

О. А. Саундерс

0,0359

0,333

0

-

турбулентный

М. А. Михеев

0,0539

0,333

0

-

1,4-104

турбулентный

Э. А. Сидоров

0,0534

0,333

0

18-96

турбулентный

Таблица 1.8

Анализ приведенных зависимостей показывает, что в области ламинарно­го режима течения и теплообмена некоторые авторы указывают на зависи­мость Nu от критерия H/L в степени -0,25. Таким образом, если свободная конвекция происходит в вертикальной плоской прослойке, то формирование и развитие ламинарного пограничного слоя, а следовательно, и теплопередача конвекцией определяется, помимо величины GrL, еще и величиной Н.

В случае вертикальной прослойки, ограниченной снизу и сверху (герме­тичной), вблизи верхнего основания происходит переход от подъемного дви­жения к опускному, а вблизи нижнего - от опускного к подъемному. Это при­водит к образованию вверху и внизу прослойки зон поперечных течений воз­духа, которые интенсифицируют процесс теплообмена. С уменьшением вели­чины H/L зоны поперечных течений занимают все большую часть общего объема прослойки, благодаря чему увеличивается среднее значение NuL. Оче­видно, что при большом значении параметра H/L влияние концевых зон на NuL уменьшается.

Некоторые авторы отмечают, что граница перехода от режима теплопро­водности к ламинарному теплообмену Gripl будет зависеть и от параметра H/L, так согласно Эккерту и Дрейку, определяется выражением:

GrLKpl=124Pr7(Pr+20/21)H/L (1.30)

При Pr=0,7 Gripi=409H/L.

Относительно границы перехода от ламинарного режима к турбулентно­му Grtp2 единого мнения нет. Согласно данным различных авторов, эта вели­чина колеблется в очень широких пределах. Это связано с тем, что кроме L, At еще влияет и высота прослойки Н. Для вертикальной пластины Саундерсом в качестве Grip2 предложено выражение Grip2-109(///L)'3. Аналогичные зави­симости, выведенные на основании экспериментальных данных и численных расчетов разных авторов, получены также В. И. Полежаевым и Бэтчелором.

Теплопередача и оконные заполнители

Преимущества рулонных штор

Наступает момент, когда обстановка в доме надоедает. Хочется то ли мебель передвинуть, то ли провести капитальный ремонт и полностью изменить стиль комнат. На сегодняшний день существуют все необходимые средства, что …

Табличные данные измерений

Таблица П. 5 Данные по тепловым потокам на поверхности стеклопакета при разных уровнях инфильтрации Уровень инфильтрации Тепловые потоки по поверхности остекления, Вт/м2 сечение А - А сечение Б - Б …

Экономическое обоснование различных способов повышения теплозащиты оконных блоков

Согласно полученным в работе результатам видно, что большое влияние на тепловые потери через окна оказывает инфильтрация холодного воздуха. При проведении натурных измерений получено, что фактическая воздухопро­ницаемость окон превышает нормативную в …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Партнеры МСД

Контакты для заказов шлакоблочного оборудования:

+38 096 992 9559 Инна (вайбер, вацап, телеграм)
Эл. почта: inna@msd.com.ua