3.4. Теплопередача герметичной и вентилируемой воздушных прослоек

Герметичные воздушные прослойки

Устройство воздушной прослойки является распространенным приемом теплозащиты. Прослойку используют в конструкциях окон, витражей, наружных стен и перекрытий, для экранирования при защите от излучения и как гравитационный побудитель для интенсификации конвективного теплосъема с обогревающих или охлаждающих устройств, а также для предупреждения переувлажнения конструкций.

Сопротивление теплопередаче воздушной прослойки R_в.п не может быть определено как сопротивление теплопроводности слоя воздуха, т.к. передача теплоты через воздушную прослойку от одной поверхности к другой происходит совместно теплопроводностью, конвекцией и излучением. Поток теплоты от одной стенки к другой можно представить в виде суммы конвективной q_к и лучистой q_л составляющих:

q = q_к + q_л (3.9)

Конвективный (включает передачу теплоты через воздух посредством теплопроводности) теплообмен q_к в воздушной прослойке от одной поверхности к другой равен:

q_к = a ^/_к (t₁ - t₂), (3.10)

где a ^/_к - коэффициент конвективного теплообмена, отнесенный к разности температур Dt = t₁ - t₂ на поверхностях прослойки.

Конвективный теплообмен в прослойке связан с циркуляцией воздуха. При ламинарном режиме течения (GrPr < 1000) критическая толщина прослойки d_кр, мм, для которой сохраняется ламинарный режим течения:

d_кр » 20 Dt^1/3 (3.11)

При этом режиме в прослойке

a ^/_к = l_в/d, (3.12)

т.е. передача теплоты через слой воздуха толщиной d < d_кр происходит теплопроводностью.

Если GrPr > 1000, то

a ^/_к = 2,79 Вт/(м^{2 о}С). (3.13)

Лучистая составляющая теплопередачи через воздушную прослойку

q_л = a_л (t₁ - t₂), (3.14)

где a_л - коэффициент лучистого теплообмена.

Коэффициент a_л определяется по общей формуле a_л = e_пр с_о вj и при средней температуре 0^оС, в = 0,81 a_л = 3,95 Вт/(м^{2 о}С).

Наиболее эффективная толщина прослойки для вертикальных слоев в ограждении равна 76...95 мм. Обычно в условиях ограждения утолщение прослойки более 50 мм не рационально, т.к. это незначительно уменьшает теплопередачу.

В конструкции покрытия здания воздушную прослойку можно расположить наклонно. Угол наклона при GrPr < 1000 не влияет на теплопередачу. При других режимах величину a_к при заданном угле наклона можно определить линейной интерполяцией между его значениями при вертикальном и горизонтальном расположениях.

Нормативные данные сопротивления теплопередаче воздушных прослоек приведены в таблице 3.2.

Т а б л и ц а 3.2

Термические сопротивления герметичных воздушных прослоек

Толщина	Rв.п, м2 оС/Вт
прослойки, мм	для горизонтальных прослоек при потоке теплоты снизу-вверх и для вертикальных прослоек		для горизонтальных прослоек при потоке теплоты сверху вниз
	летом	зимой	летом	зимой
10	0,17	0,20	0,17	0,21
20	0,18	0,21	0,21	0,26
30	0,18	0,22	0,22	0,28
50	0,18	0,23	0,23	0,30
100	0,20	0,24	0,24	0,31
150	0,21	0,24	0,26	0,33
200...300	0,21	0,26	0,26	0,33

Вентилируемые воздушные прослойки

Рассмотрим стационарный тепловой режим ограждения с воздушной прослойкой, через которую непрерывно продувается воздух (рис. 3.5). Вентилируемая прослойка отделена от помещения с температурой t_в внутренней частью конструкции, имеющей коэффициент теплопередачи k_в.

Рис. 3.5. К выводу уравнения теплопередачи через ограждение с вентилируемой воздушной прослойкой

Наружная часть конструкции имеет коэффициент теплопередачи k_н и отделяет продух от наружного воздуха с температурой t_н. Воздух в прослойку поступает с температурой t_о (в общем случае отличной от t_н и t_в) и, проходя через нее, изменяет свою температуру. На некотором расстоянии _кр поток воздуха приобретает некоторую неизменную температуру t_в.п, зависящую только от условий передачи теплоты через ограждение и не связанную с его начальной температурой.

Задача состоит в определении температуры воздуха t в произвольном сечении прослойки и в определении теплопередачи через такую конструкцию. Определим температуру t_в.п по формуле (3.3):

t_в.п = t_в - (t_в - t_н) = (3.15)

q_в.п = = = , (3.16)

где R_о = + =

Значения k_в и k_н равны

k_в = ; k_н = , (3.17)

где и - коэффициенты теплопередачи внутренней и наружной части ограждения от поверхностей воздушной прослойки;

a_к - коэффициент конвективного теплообмена одной поверхности с воздухом, движущимся в прослойке со скоростью u, м/с.

Среднее значение a_к, Вт/(м^{2 о}С), для воздуха по длине прослойки при ламинарном режиме движения (Re < 2×10³) в канале

a_к = 1,163 (0,77 + 1,3×10^-3t) e, (3.18)

Dt - разность температур воздуха и поверхности воздушной прослойки;

d - эквивалентный диаметр, равный 4F/Р (F - площадь и Р - периметр канала), для прослойки (щелевой канал) d = 2d.

Коэффициент e в формуле (3.18) отличается от 1,0 для каналов, длина которых меньше 50d.

При турбулентном режиме течения (Re > 2×10³)

a_к = 1,163 (2,7 + 1,5×10^-3t) e (3.19)

При малых расходах воздуха температура t_в.п устанавливается на близком расстоянии от входа в прослойку и остается неизменной по всей длине прослойки. При определении сопротивления теплопередаче ограждения R_о величину R_в.п необходимо принимать

R_в.п = , (3.20)

где a_к - определяется по (3.18) или (3.19);

a_л - определяется как и в формуле (3.14).

Расход воздуха j (рис. 3.6) в вентилируемой прослойке определяется гидравлическим расчетом, заключающимся в определении разности давлений Dр, под влиянием которой происходит движение воздуха, и в получении расчетного расхода, при котором гидравлические потери в прослойке DН равны перепаду давлений Dр.

Давление Dр равно сумме ветрового (Dр_u) и гравитационного (Dр_t) давлений:

Dр = Dр_u + Dр_t (3.21)

Величина Dр_u равна

Dр_u = (k₁- k₂) g » (k₁- k₂) , (3.22)

где k₁ и k₂ - аэродинамические коэффициенты на входе в прослойку и на выходе из нее.

Рис. 3.6. Теплопередача через ограждение с прослойкой, вентилируемой за счет гравитационных сил и ветра

Гравитационное давление Dр_t возникает за счет разности объемных весов в прослойке g_ср и наружного воздуха g_н:

Dр_t = (g_н - g_ср)h » 5×10^-3 (t_ср - t_н)h, (3.23)

где h - разность высот отверстий входа воздуха в прослойку и выхода из нее.

Потери давления в прослойке определяются только местными сопротивлениями x:

DН = Sx g » Sx , (3.24)

где x = 0,5 на входе, x = 1,0 на выходе, x = 1,0 на каждый поворот воздуха.

Расход воздуха равен:

j = u g d ×3600, (3.25)

где d - толщина воздушной прослойки, м.

Из условия равенства располагаемого давления (3.21) и гидравлических потерь (3.24) при Sx = 0,5 + 1,0 + 2×1,0 = 3,5 и k₁ » k₂ и после некоторых упрощений определим приближенную формулу для определения скорости воздуха в прослойке:

u = 0,15 (3.26)

Изложенный метод позволяет провести совместный расчет взаимосвязанных теплового и гидравлического режимов вентилируемой прослойки.