Теплопередача и оконные заполнители

Обобщение опытных данных по теплоотдаче свободной конвекцией на внутренней и наружной сторонах стеклопакетов

В экспериментах обнаружено, что с повышением сопротивления теплопе­редаче стеклопакета, перепад температур по высоте остекления уменьшается. Это связано с тем, что уменьшается интенсивность конвективного движения воздуха вдоль стекла.

На рис.2.37 представлено распределение коэффициентов теплоотдачи с теплой и холодной стороны для однокамерного стеклопакета. Как видно из ри­сунка, на теплой стороне происходит увеличение коэффициента теплоотдачи снизу вверх, а с холодной стороны уменьшение. Такое распределение коэффи­циентов теплоотдачи связано с разными направлениями развития воздушных пограничных слоев вдоль поверхностей остекления и условиями свободно­конвективного и лучистого теплообмена в воздушной межстекольной про­слойке.

На рис.2.38 приведена зависимость числа Нуссельта от числа Грасгофа для разных видов стеклопакетов при естественной конвекции для теплого стекла (в виде точек), полученная по результатам проведенных экспериментов. Данные экспериментов удовлетворительно обобщаются зависимостью для свободной ламинарной конвекции:

Nux=0,473(Grx’Рг) °‘25 (2.5)

В большинстве имеющихся теоретических и экспериментальных исследо­ваниях свободной конвекции для простоты анализа принимается одно из гра­ничных тепловых условий Tniy^const или q, Jy)=const. Как показали преды-

Рис.2.37. Распределение коэффициентов теплоотдачи по высоте остекления

а) с теплой стороны остекления

б) с холодной стороны остекления

4

■ обычный однокамерный стеклопакет

• однокамерный стеклопакет с заполнением аргоном

* однокамерный стеклопаке с покрытием и аргоном о обычный двухкамерный стеклопакет

□ двухкамерный стеклопакет с заполнением аргоном о двухкамерный стеклопакет с покрытием и аргоном зависимость Nur=0,473(Grr-Pr)°'2S

*

Рис.2.38. Зависимость Nux от Grx по теплой поверхности остекления

дущие результаты, условие постоянства температуры стенки не выполняется. Представляется важным установить закономерность изменения конвективного теплового потока по высоте для теплой и холодной границ.

Распределения тепловых потоков по холодной и теплой сторонам одно­камерного стеклопакета приведено на рис.2.39. Видно, что с теплой стороны происходит уменьшение тепловых потоков снизу вверх, а с холодной стороны происходит увеличение тепловых потоков в этом направлении. Такое различие в распределении тепловых потоков объясняется условиями теплообмена на холодном и теплом стеклах стеклопакета и в межстекольном пространстве. Так, на теплом стекле увеличение температуры идет снизу вверх. Внизу раз­ница температур между помещением и стеклом больше, чем вверху и коэффи­циент теплоотдачи ниже. А тепловой поток пропорционален разнице темпера­тур и коэффициенту теплоотдачи. Следовательно, чем больше разница темпе­ратур, тем выше должен быть тепловой поток. Разница температур между по­мещением и стеклом больше внизу, поэтому, и тепловой поток в нижней об­ласти остекления будет больше, чем в верхней.

1.0 Y/H

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

Рис.2.39. Распределение плотностей тепловых потоков по высоте остекления

а) с теплой стороны остекления

б) с холодной стороны остекления

На холодной стороне стеклопакета наблюдается обратная картина: наи­большая разница температур имеет место вверху, а значит и тепловой поток будет больше в верхней части стеклопакета с холодной стороны.

Итак, на отдельных участках остекления происходит перераспределение теплового потока по высоте вследствие наличия конвективного движения вдоль поверхностей стекла и внутри межстекольной воздушной прослойки. В центральной же части стеклопакета, как с теплой, так и с холодной стороны тепловые потоки примерно одинаковы.

Проведенные исследования показали, что неравномерность распределе­ния тепловых потоков по высоте стеклопакета с холодной и теплой сторон не­обходимо учитывать при теплотехническом расчете вертикальных светопро­зрачных конструкций для повышения его точности.

В результате проведенного экспериментального исследования получены следующие результаты:

1. Проведено систематизированное и комплексное исследование различ­ных вариантов заполнений оконных блоков на одной установке, получены ло­кальные значения полей температур и тепловых потоков на поверхности ос­текления для различных вариантов оконных заполнений.

2. Получены следующие сопротивления теплопередаче разных вариантов заполнений оконных блоков, приведенные к стандартным условиям: для оди­нарного остекления - 0,17 м2-°С/Вт, однокамерного стеклопакета - 0,33 м2’°С/Вт, однокамерного стеклопакета с напылением - 0,55 м2-°С/Вт.

3. Проведены сравнительные испытания различных вариантов однока­мерных и двухкамерных стеклопакетов. Получены средние по поверхности сопротивления теплопередаче данных видов стеклопакетов, приведенные для стандартных условий: однокамерный стеклопакет с заполнением аргоном - 0,35 м2*°С/Вт, однокамерный стеклопакет с теплоотражающим покрытием и заполнением аргоном - 0,52 м2*°С/Вт, двухкамерный стеклопакет - 0,51 м2-°С/Вт, двухкамерный стеклопакет с заполнением аргоном — 0,54 м2*°С/Вт и

двухкамерный стеклопакет с теплоотражающим покрытием и заполнением ар­гоном - 0,68 м2*°С/Вт.

4. Показано, что для однокамерного стеклопакета около 47%, а для стек­лопакета с теплоотражающим покрытием около 54%, от полного сопротивле­ния теплопередаче составляет сопротивление межстекольной воздушной про­слойки. Остальное термическое сопротивление создают воздушные погранич­ные слои с обеих сторон стеклопакета.

5. Получено, что наибольшее значение лучистого потока для обычного однокамерного стеклопакета наблюдалось в межстекольной воздушной про­слойке, более 64% от полного теплового потока. Поэтому наиболее целесооб­разно распологать покрытие именно здесь.

6. Показано, что для стеклопакета с теплоотражающим покрытием, нане­сенным внутри стеклопакета, более половины теплового потока, поступающе­го из теплого помещения на остекление, составлял лучистый тепловой поток. Поэтому, для дальнейшего увеличения сопротивления теплопередаче стекло­пакета предлагается нанести теплоотражающее покрытие со стороны теплого помещения.

7. Показано, что влияние заполнения межстекольного пространства обыч­ного стеклопакета аргоном, незначительно увеличивает сопротивление тепло­передаче стеклопакета, около 6%. В тоже время при применении аргонового заполнения наряду с теплоотражающим покрытием, получено 57% увеличение сопротивления теплопередаче по сравнению с однокамерным стеклопакетом.

8. Получено, что наибольшее значение лучистого теплового потока для обычного двухкамерного стеклопакета наблюдалось в первой, если считать от помещения, теплой межстекольной воздушной прослойке, около 65% от пол­ного теплового потока. Во второй воздушной прослойке излучением передает­ся до 58% теплового потока. Поэтому наиболее целесообразно в двухкамерных стеклопакетах размещать теплоотражающие покрытия, уменьшающие лучи­стый тепловой поток в воздушной прослойке, расположенной ближе к поме­щению, где наибольшая доля лучистого потока в общем тепловом потоке.

9. Двухкамерный стеклопакет с аргоном дает 6% увеличение сопротивле­ния теплопередаче, а двухкамерный стеклопакет с теплоотражающим покры­тием и заполнением аргоном 34% увеличение сопротивления теплопередаче по сравнению с обычным двухкамерным стеклопакетом. Стеклопакет с теплоот­ражающим покрытием и заполнением аргоном дает двукратное увеличение сопротивления теплопередачи по сравнению с обычным однокамерным стек­лопакетом.

10. Проведено обобщение опытных данных по теплоотдаче конвекцией на внутренней и наружной сторонах стеклопакетов.

11. Показана сильная неравномерность в распределении теплового пото­ка, обусловленная его перераспределением за счет формирования конвектив­ных движений, как снаружи, так и внутри межстекольных промежутков.