книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) учеб. пособие

Пример 111.2. Вычислить максимальное поднятие тепловой струи от внешней поверхности круглой в плане печи для термической обработки металлоизделий.

Температура окружающей воздушной среды Та.о=20о=293° К; средняя вели­

в связи с этим необходимо выполнить конструкцию покрытия из материалов стойких против умеренного периодического нагрева и, кроме того, предусмотреть эффективные средства аэрации для удаления из цеха нагретого и загрязненного воздуха.

Поскольку высота производственных помещений обычно меньше максимального поднятия тепловой струи, внутренняя поверхность покрытия пролета промышленного здания накладывает ограниче­ ния на свободное струйное распространение нагретого воздуха. Над производственными пролетами с интенсивными выделениями тепла как правило необходимо предусматривать вытяжные устрой­ ства в виде дефлекторов, шахт или специальных аэрационных фо­ нарей.

Чем меньше производительность этих устройств, тем более вы­ ражены геометрические ограничения, накладываемые строительной оболочкой здания на свободное распространение струи.

При рассмотрении в условиях естественного воздухообмена без ветра особенностей распространения в плоском сечении здания струйного конвективного потока от сосредоточенного источника теп­ ла [41] уместно различать три характерных зоны по высоте струи (рис. III.24):

1) нижнюю с высотой z, находящуюся под сильным влиянием смешивающегося главным образом приточного воздуха, около ис­ точника тепла;

2) среднюю с высотой Z0—z, аналогичную по особенностям рас­ пространения изотермической турбулентной струе;

120

3) верхнюю, особенности которой связаны с производитель­ ностью вытяжного устройства и делением струйного потока (на прямой струйный и рециркуляционный, направляемый обратно, параллельно поверхностям ограждений здания).

Рециркуляционные потоки, распространяясь от границ струи вдоль поверхностей покрытия и стен к зоне приточных отверстий, ограничивают отмеченную на рис. III.24 застойную область с мед­ ленным движением воздуха и при устойчиво установившемся режи­ ме циркуляции частично смешиваются с воздушным потоком, вновь

мышленного здания (рис. III.25).

Если средства аэрации ограничены по своей производительности (например, дефлекторы или шахты ограниченной площади, распо­ ложенные в отдельных местах покрытия), в верхней зоне цеха об­ разуется устойчивая во времени застойная область теплого возду­ ха с наиболее высокой температурой (так называемая тепловая подушка) рис. Ш.25, а. Применение средств аэрации в виде обыч­ ных фонарей со створными переплетами (отличающихся пульси­ рующей производительностью, связанной с постоянными измене­ ниями направлений и скорости ветра) приводит к тому, что застой­ ная зона расположения наиболее нагретого и загрязненного воздуха несколько смещается вниз; при этом пульсации значе­ ний температуры и степени загрязнения в этой зоне возрастают (рис. III.25, б).

Использование вытяжных фонарей с устойчивыми аэродинами­ ческими характеристиками (отличающихся высокой и постоянной производительностью) обычно приводит к увеличению скорости в пределах струи, уничтожению застойной или пульсирующей подуш­

* Интерферометры — приборы, позволяющие исследовать распределение тем­ ператур в воздушной среде с помощью изучения явлений, сопутствующих интер­ ференции света.

121

ки нагретого воздуха под покрытием (рис. 111.25, в), уменьшению положительного или даже возникновению отрицательного градиен­ та и общему понижению температуры в зоне мостовых кранов и верхних рабочих площадок. Это связано с необходимостью сезон­ ной регулировки вытяжных проемов аэродинамически устойчивых фонарей с целью ограничения переохлаждения верхней зоны цеха в холодный период года и увеличения производительности аэра­ ции — в теплый. При наличии выделений влаги в цехе такие регу­ лировки связаны также с предупреждением процессов конденсации на поверхности световых проемов и недостаточно утепленного по­ крытия.

Особенности естественного воздухообмена связаны с закономер­ ностями свободной конвекции токов воздуха, направление которых определяется и ограничивается поверхностями помещения.

Рис. III.25. Распространение тепла и газов в виде струп в производственных помещениях с различными средствами аэрации:

обеспечивающем постоянную разность давлений в зонах притока и вытяжки и постоянную высокую производитель­ ность

Интенсивность свободного распространения вдоль этих поверх­ ностей естественно возникающих воздушных потоков определяется в самом общем виде произведением безразмерных критериев Грасгофа и Прандтля (Gr Pr) *.

* На основе анализа размерностей физических величин, входящих в уравне­ ние движения вертикального конвективного потока, и экспериментов на моделях зданий, Э. И. Реттером [41] установлены зависимости для скорости воздуха ѵт и избыточной по сравнению с окружающей средой температуры Atm в этом по­ токе:

Эти формулы даны для струи, распространяющейся в изотермической воз­ душной среде и проверены экспериментально на сечениях струй с высотой в на­

туре не более 8 м, а потому весьма приближенны для зданий большей высоты с неравномерным распределением температуры по вертикали.

122

Наличие явно выраженных обратных рециркуляционных струй, направленных вниз вдоль наружных стен, почти неизбежно при большой высоте светопроемов и значительной площади остекления; в этом случае вблизи приточных отверстий происходит смешение опускающегося и более энергично поступающего приточного воз­ духа. Скорость ѵсм смешавшегося воздушного потока, направлен­ ного к середине помещения или к источнику тепла, может быть при­ ближенно рассчитана по формуле:

Тпр^пр + Тр^р

(III. 15)

Тпр + Тр

где ünp и Up — средние скорости приточного и рециркуляционного потоков; упр и ур — средние удельные веса воздуха этих потоков.

Среднее значение избыточной температуры смешавшегося воз­ духа * может быть определено как:

где Gp и Gnp — весовые расходы рециркуляционного и приточного воздуха; А/р — избыточная температура рециркуляционного потока.

Расчеты по формулам (III. 15) и (III. 16), по данным Э. И. Реттера, дают хорошее совпадение с результатами экспериментов на моделях зданий.

Однако в подавляющем большинстве случаев температура воз­ духа после смешения низка и близка к температуре приточного воздуха; особо низкая температура и большая скорость воздуха от­ мечаются вблизи пола, поскольку холодные потоки приточного воз­ духа, обладающие большей кинетической энергией по сравнению с рециркуляционными, интенсивно притекают вдоль пола к источни­ ку тепла, слабо смешиваясь с более теплым воздухом, опускаю­ щимся сверху.

' Это является основной причиной того, что в целях предупреж­ дения переохлаждения ног работающих людей, низко расположен­ ные и значительные по своей площади приточные проемы, исполь-

Показатель степени п в формуле для избыточной температуры, зависит от воздухообмена в помещении, уменьшаясь по мере его увеличения. Если интенсив-

температуры в рассматриваемом сечении струн и температура окружающего про­ странства.

123

зуются только в теплый период года при избыточной температуре помещения, не превышающей 5—8° по сравнению с температурой наружного воздуха.

Приточные отверстия, назначенные для использования в холод­ ный период года, следует располагать в верхней части нижнего яруса остекления; в практике эксплуатации их обычно открывают неполностью, в целях уменьшения весового расхода холодного воз­ духа, поступающего в помещение, и обеспечения необходимого по­ вышения его температуры при постепенном смешении с внутренним воздухом.

При значительных выделениях тепла, большой высоте остекле­ ния и существенной величине положительного градиента, рецирку­ ляционный поток теплого воздуха, направленный сверху вниз вблизи остекления, значителен по своему весовому расходу, что обеспечивает интенсивное смешение холодного приточного воздуха с рециркуляци­ онным и позволяет несколько умень­ шить высоту расположения приточ­

ных отверстий.

Наоборот, при отсутствии значи­ тельных выделений тепла и слабо вы­ раженных рециркуляционных пото­ ках теплого воздуха у остекления высота расположения приточных от­ верстий должна быть увеличена. В производственных пролетах боль­ шой высоты (8—10 м и более) с аэ­

рационными фонарями и отсутствием выделений тепла или очень умеренных их значениях (например, от изолированных и редко рас­ положенных термических печей) в холодный период года отмечает­ ся возникновение отрицательного градиента температуры. Это свя­ зано с общей закономерностью деформирования на определенной высоте слабых тепловых струй с малым диаметром и ограниченной начальной разностью температур.

Влюбых зданиях следует различать зоны преобладающего во времени притока наружного воздуха (т. е. зоны отрицательных давлений в помещениях), располагающиеся преимущественно в нижней их части, и зоны преимущественного влияния теплого, уда­ ляемого из здания воздуха (зоны положительных давлений обычно

вверхней части помещений).

Внешироких многоэтажных зданиях значительную часть объема занимают зоны с отрицательными или неустойчивыми давлениями, прилегающие к наружным остекленным стенам; в этих зонах гра­ диент температуры имеет меньшую величину, а в центральной ча­ сти здания — большую (рис. 111.26).

Всоответствии с этим возникают конвекционные потоки возду­ ха и располагаются зоны с различной температурой.

124

Для зданий с различной высотой неизолированных друг от дру­ га пролетов или с резко отличающейся этажностью отдельных смежных объемов зона притока распространяется в холодный пе­ риод года на всю высоту более низких частей здания; температур­ ный градиент внутри помещений, расположенных в этих частях, имеет ничтожную величину или даже отрицательный знак (см. рис. ШЛО).

В одноэтажных многопролетных промышленных зданиях с про­ летами существенно различной высоты отрицательный градиент температуры обычно отмечается в низких пролетах (из-за подса­ сывания воздушных потоков к более высокой части здания); при равной высоте пролетов наименьшие величины положительного гра­ диента характерны для пролетов по наружному периметру здания, а наибольшие— в его центральной части.

Распространение тепла в объеме производственных зданий про­ исходит в основном путем конвекции, случаи сильного нагрева ограждающих конструкций лучистым теплом относятся главным образом к металлургическим цехам. Необходимо различать естест­ венную конвекцию, вызываемую тепловым напором и вынужден­ ную конвекцию, создаваемую токами воздуха механической венти­ ляции, работой производственных механизмов и т. д. В цехах, где имеются производственные участки с значительными выделениями тепла или высотой, существенно превосходящей среднюю высоДу здания, влияние естественной конвекции является превалирующим; системы механической вентиляции целесообразно проектировать в этих случаях с учетом самопроизвольно и неизбежно возникаю­ щих естественных конвекционных потоков. Наиболее надежная работа вытяжных устройств механической вентиляции обеспечи­ вается при расположении их в зонах здания с преобладающими во времени отрицательными аэродинамическими давлениями, приточ­ ных— в зонах устойчивых положительных давлений.

В частности, забор воздуха с кровли одноэтажных промышлен­ ных зданий в приточные воздуховоды, как правило, гигиенически нецелесообразен, и достаточно надежен только в тех случаях, когда ему не противодействуют потоки естественной конвекции.

Особенности распространения влаги в объеме помещений сход­ ны е характером конвективного распространения тепла и в силь­ ной степени зависят от него.

По высоте помещений с равномерным распространением влаги конвективными токами отмечается довольно постоянное распределе­ ние абсолютной влажности; при этом значения относительной влажности (т. е. степени насыщения воздуха водяным паром) тем меньше, чем выше температура.

При положительном градиенте температуры и равномерном рас­ пределении абсолютного влагосодержания относительная влаж­ ность воздуха в верхней зоне помещения может несколько умень­ шаться.

125

Источники выделения влаги чаще всего располагаются в ниж­ ней части рабочей зоны; на этом же уровне обычно происходит по­ дача свежего воздуха в цех путем естественной, а иногда и механи­ ческой вентиляции. В связи с интенсивной ассимиляцией тепла и влаги сравнительно холодным и сухим приточным воздухом, гра­ диенты температуры и влагосодержания в нижней зоне помещений обычно наиболее значительны.

При равномерном распространении влаги в преобладающей части объема помещения и спокойном состоянии воздуха постепен­ но происходит некоторое перераспределение влагосодержания, вызванное процессами молекулярной диффузии.

Существенное различие молеку­ лярных весов водяного пара и сухо­ го воздуха (в 1,62 раза) вызывает диффузионное перемещение парооб­ разной влаги, содержащейся в воз­ духе, в наиболее высокую и теплую зону помещения. Объясняется это тем, что при наличии внутри газовой смеси неравномерного распределе­ ния температуры, газ с большим мо­ лекулярным весом (воздух) диффун­ дирует по направлению потока теп­ ла в газовой смеси, а газ с меньшим

часто и наблюдается в практике эксплуатации помещений с значи­ тельными выделениями влаги, струйным ее распределением по по­ мещению и отсутствием систематического удаления под покрытием.

Отмеченные особенности распространения влаги по объему по­ мещения цаходят отражение в средних значениях влажности внут­ реннего воздуха.

Значения температуры и относительной влажности внутренне­ го воздуха позволяют установить величину абсолютного влагонасыщения воздуха помещения водяным паром и определить коли­ чество влаги, конденсирующейся на поверхности конструкции при охлаждении последней до температуры, соответствующей точке росы.

В количественном отношении это наиболее нежелательный вид увлажнения, непосредственно связанный с опасностью постепенно­

126

го разрушения конструкций, что, в частности, свойственно ограж­ дениям в помещениях с мокрым режимом или влажных помещени­ ях с периодическими повышениями выделений влаги.

Процесс конденсации влаги при достаточно высокой относитель­ ной влажности зависит от величины абсолютного пересыщения, вы­ раженной в виде безразмерного критерия:

при данной температуре) в том случае, если известна температура tB и относительная влажность фв в помещении; F m— максимальное влагосодержание воздуха (при температуре поверхности конструк­ ции, обращенной в помещение), г/м3-, ув — плотность воды (при температуре поверхности конструкции), г/м3.

Поскольку изменения плотности воды при колебаниях темпера­ туры, от 0 до +30° незначительны и величина этой плотности может быть принята постоянной, количество влаги Р, конденсация кото­ рой возможна на поверхности ограждающей конструкции, обращен­ ной в помещение, определится по формуле:

на поверхности ограждения, обращенной в помещение, который за­ висит от размеров помещения и скорости движения воздуха, но приближенно может быть в соответствии с исследованиями Каммерера принят равным 5,0 + 0,05 (+ —■/„,) ккал/м2-ч-град-, к * —-пе­ реходный коэффициент в град-г/ккал-мм рт. ст.

По экспериментам Л. С. Соколовой, проведенным в отношении конденсации влаги на поверхности глазурованных плиток, величи­ на к оказалась равной 3,3.

В соответствии с экспериментальными данными Ф. В. Ушкова, относящимися к процессам конденсации на поверхности бетонных и керамзитобетонных панелей, средняя величина к~4,7. Исследо­ ватель указывает, что отклонения достигали ±30%.

Можно полагать, что дальнейшие экспериментальные исследо­ вания внесут необходимые уточнения в величины констант влагообмена в зависимости от размеров, свойств и влажностного состоя-

объемного веса и теплоемкости смеси воздуха с паром при постоянном давлении; 13 600 — переводный множитель для получения размерности ц„,

127

Таким образом, при одинаковой относительной влажности внут­ реннего воздуха на поверхности наружных стен банных помещений может конденсироваться влаги вдвое больше, чем на стенах филь­ тровальных станций.

Эти существенные особенности конденсации влаги в помещениях с различной температурой, сильно отражающиеся на влажностном состоянии ограждений, учитываются классификацией температур­ но-влажностного режима помещений, представленной в табл, Ш.З.

* Экспериментальные исследования, проведенные в Институте строительной физики, установили, что величины коэффициентов тепло-влагообмена и количе­ ство конденсирующейся влаги определяются зависимостью между критериями Нуссельта и Грасгофа. Расчет получается достаточно сложным и для практиче­ ского пользования им требуются специальные номограммы или вспомогательные таблицы.

128