книги из ГПНТБ / Специальные вопросы строительной теплофизики учебное пособие

Г Л А В А 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПОТЕРЬ ОБСЫПНЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ АНАЛОГИЙ

Обсыпные сооружения различного назначения широко приме­ няются при строительстве объектов Министерства обороны.

По форме поперечного сечения обсыпные сооружения разделя­ ются на арочные, прямоугольные и полигональные..

Наружные ограждения обсыпных сооружений обычно состоят из необсыпанных ограждений (торцовые стены с воротами или глу­ хие), боковых обсыпанных ограждений и пола.

Боковые обсыпанные ограждения представляют собою много­ слойную конструкцию, состоящую обычно из следующих слоев: растительного толщиной до 0,2 м; основного слоя грунтовой обсып­ ки толщиной 0,2—0,4 м в замке арки и над перекрытием прямо­ угольного сооружения; дренажного песчаного слоя толщиной до 0,5 ж; защитного кирпичного слоя толщиной 0,06—0,12 м (в холод­ ных зонах дополнительно применяется также слой теплоизолятора из пенобетона); гидроизоляционного слоя из цемента или гидроизола толщиной 0,04—0,05 м; наконец, несущего слон (обычно желе­ зобетон) толщиной 0,05—0,07 м.

В обсыпных сооружениях, в соответствии с их назначением, поддерживаются с помощью систем отопления, вентиляции и кон­ диционирования воздуха необходимые температурно-влажностные условия.

Для определения расчетной производительности системы ото­ пления сооружения и требуемой поверхности нагревательных при­ боров в отдельных помещениях сооружения необходимо знать мак­ симальные часовые теплопотери сооружения в целом, а также от­ дельных его помещений и этажей.

Для того чтобы обеспечить рациональную эксплуатацию систем теплоснабжения сооружения, необходимо построить график годо­ вого изменения часовых теплопотерь сооружения в целом.

Известно, что общие теплопотери сооружения складываются из основных теплопотерь через необсыпанные и обсыпанные ограж­ дения (включая пол) и добавочных теплопотерь в результате вет­ рового воздействия и инфильтрации наружного: воздуха через: ще­ ли и неплотности ворот или дверей.

11

для определения расчетной температуры наружного воздуха вели­ чины продолжительности расчетного периода колебаний наружных температур.

Однако для суждения о правомерности такого подхода к реше­ нию задачи нестационарного теплообмена необходимо сопоставле­ ние данных, полученных по существующим формулам, с данными, полученными либо из аналитического решения дифференциальных, уравнений теплообмена, либо с помощью экспериментальных ме­ тодов исследования.

Процесс нестационарного теплообмена в обсыпном сооружении,, схема которого изображена на рис. 4, описывается следующей си­ стемой уравнений:

13

дТ2

почтительнее воспользоваться экспериментальными методами ис­ следования и, в частности, методом гидравлических аналогий, до­ стоинством которого является наглядность, сравнительная просто­ та и достаточная точность.

Принципиальная возможность применения метода гидравличе­ ских аналогий для решения теплотехнических задач основана на аналогии закона Пуазейля для ламинарного течения вязкой жид­ кости в капиллярной трубке и закона теплопроводности Фурье.

14

Для решения задачи используется гидравлический интегра­ тор В. С. Лукьянова (ИГ-Л), представляющий собой счетно-ре­ шающее устройство сеточного типа, дающее численное решение дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка параболического типа и некоторых уравнений эллиптиче­ ского типа при заданных начальных и граничных условиях.

В качестве аналога исследуемого твердого тела служит гид­ ромодель, представляющая собой сеть гидравлических сопротивле­ ний с сосудами в узловых точках или без таковых (последнее — при стационарном режиме).

Температурам в исследуемых точках твердого тела t, соответ­ ствуют в гидромодели напоры воды в сосудах h, термическим сопро-

град-час ,

тивлениям Н -----------------гидравлические сопротивления р мин!см1,.

ккал

теплоемкостям С ккал/град — площади поперечного сечения со­ судов а> см2.

Наблюдаемый в гидромодели процесс изменения уровней воды во времени т Гидр. (мин) соответствует процессу изменения темпера­ тур в рассматриваемой области тела т Тепл. (час).

Принципиальной особенностью гидромодели (как и других ана­ логовых устройств для решения задач методом сеток) является за­ мена непрерывного поля дискретными значениями, сосредоточен­ ными в узлах сети гидромодели.

Поэтому для моделирования теплового процесса на гидромоде­ ли исследуемое тело необходимо разбить на элементы (блоки) с тем, чтобы также перейти от поля к тепловой сети с сосредоточен­ ными параметрами.

Соотношения, определяющие соответствие между температурой и напором (mt), термическими и гидравлическими сопротивления­ ми (mR), теплоемкостями и площадями поперечных сечений гид­

равлических емкостей (тс) и называемые соответственно мас­ штабами температур, сопротивлений и емкостей, задаются с уче­ том удобства и требуемой точности решения задачи и в соответст­ вии с техническими возможностями имеющегося гидравлического интегратора.

Основной задачей исследования нестационарного процесса теп­ лообмена в данном конкретном обсыпном сооружении методом гидравлических аналогий является определение динамики измене­ ния теплопотерь сооружения в целом и отдельных его этажей или помещений.

Для решения вопроса о возможности конденсации водяных па­ ров из внутреннего воздуха в различные сезоны года необходимо

15

также найти динамику изменения температур внутренних поверх­ ностей ограждающих конструкций в характерных точках.

Примем, например, в качестве объекта исследования наиболее распространенное и наиболее сложное по форме двухэтажное ароч­ ное сооружение из сборных арочных панелей с прямоугольными вставками по типовому проекту (альбом 62-КС-107), расположен­ ное в районе гор. Уссурийск Приморского края.

Р и с. 5. Поперечный разрез сооружения

Поперечный разрез сооружения представлен на рис. 5. Состав слоев обсыпки и их характеристика представлены в табл. 4.

16

Длина сооружения принимается достаточно большой для того, чтобы исключить влияние торцов на температурное поле и рас­ сматривать только двухмерное температурное поле в плоскости поперечного сечения сооружения.

В сооружении в течение года поддерживается постоянная тем­ пература, равная —|—18°.

Рис. 6. График годового изменения среднемесячных температур наружного воздуха

В качестве расчетных температур наружной среды принимают­ ся среднемесячные температуры наружного воздуха, определяемые в соответствии со СНИП-П-А-6-62, как для массивного сооруже­ ния. График изменения среднемесячных температур в течение го­ дового цикла представлен на рис. 6.

Начало процесса теплообмена установлено 15 ноября. Расчет­ ная температура наружного воздуха для этой даты равняется —4°.

Температура грунта на глубине 8 ж и более принимается по­ стоянной и равной -{-6°.

I ь*Г?<ГДпЛБЛИЧНЛ я . _ ' 1й / А й

Начальные температры в грунте, окружающем сооружение,

слоя грунта можно определить, зная общую разность температур между теплообменивающимися средами, общее термическое сопро­ тивление теплопередаче и термическое сопротивление слоя грунта.

Такое задание температур грунта несколько условно. Однако при длительном процессе теплообмена влияние начальных условий на конечный результат незначительно.

Поэтому длительность процесса теплообмена принимается не менее 3 лет. В процессе решения задачи должно производиться со­ поставление температур в сходственных точках для одних и тех же дат смежных годов.

При наступлении одинаковых значений температур в этих точ­ ках исследование процесса теплообмена заканчивается, оконча­ тельным считается результат последнего года.

При решении задачи принимаются обычные для расчетов теплопотерь допущения:

— коэффициенты теплоперехода у внутренней и наружной по­ верхности ссп и а н принимаются постоянными по всей длине внут­ реннего и наружного периметра поперечного сечения сооружения и

СНИП-Н-А-6-62);

—термическое сопротивление снегового покрова не учитывает­ ся (в запас расчета теплопотерь);

—теплота фазовых превращений в грунте обсыпки также не учитывается.

Рассмотрим методику постановки рассматриваемой задачи на гидравлическом интеграторе.

Определение области исследования температурного поля и разбивка области на блоки

Рассматриваемое сооружение имеет вертикальную плоскость симметрии. Поэтому исследование производится только для поло­ вины поперечного сечения и, таким образом, слева плоская об­ ласть исследования ограничена вертикальной осью симметрии. Гра­ ница области исследования справа проходит в 8 ж от внутренней поверхности бокового ограждения в предположении, что на таком удалении влияние теплового потока из сооружения на температур­ ное поле грунта несущественно.

Верхней границей области являетея поверхность обсыпки соору­

8 м от дневной поверхности.

Указанная область исследования разбивается на возможно боль­ шее число блоков; для 10-стоечного гидроинтегратора это — 111

18

блоков. Размеры отдельных блоков должны быть меньшими на участках, прилегающих к внутреннему периметру сооружения, уве­ личиваясь к периферии.

Схема разбивки области исследования на блоки представлена на рис. 7. На схеме представлены блоки трех разновидностей по

Определение теплоемкости блоков

Теплоемкость однородных по материалу блоков определяется по формуле

сооружения) площади поперечного сечения блока F. Теплоемкость неоднородных по материалу блоков определяется

Определение центров теплоемкостей блоков

Центром теплоемкости двухмерного блока является точка пере­ сечения двух поверхностей, по обе стороны каждой из которых теп­ лоемкости материала блока одинаковы.

Следует отметить, что центр теплоемкости совпадает с центром тяжести только для блоков в виде простых изотропных фигур (пря­ моугольник, квадрат и пр.); для кольца или кольцевого сектора та­ кое совпадение места не имеет.

В большинстве практических случаев исследуемую область удается разбить на ряд простейших изотропных фигур в виде