РОЗДІЛ 2
АНАЛIТИЧНI ДОСЛIДЖЕННЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧI ЧЕРЕЗ СКЛОПАКЕТНЕ ОГОРОДЖЕННЯ
2.1. Вплив товщини вертикального повітряного прошарку
на інтенсивність теплопередачі
Теплоізолююча здатність склопакетів визначається величиною опору теплопередачі Rо. Для склопакетів, які застосовуються при огородженні теплиць з подвійного скління, на опір теплопередачі впливає ширина повітряного прошарку і кут нахилу склопакета до горизонту [52, 53].
Теплопередача через повітряні прошарки відбувається теплопровідністю та конвекцією, між обмежуючими поверхнями - випромінюванням, через обмежуючі стінки склопакету - теплопровідністю.
Для визначення впливу товщини повітряного прошарку на теплопередачу розглянемо склопакет у вертикальному положенні з товщиною повітряного прошарку ?п.п. і обмежуючим склінням з товщиною ?1 і ?2 (рис. 2.1) [54, 55].
Біля внутрішньої поверхні скління зі сторони приміщення утворюється спадаючий донизу конвективний потік, біля зовнішньої - зі сторони зовнішнього повітря - висхідний потік.
При стаціонарному тепловому режимі для будь-якого перерізу світлопрозорої конструкції тепловий потік постійний, тому можна записати
q = (tв - ?в) / Rв ; q = (?в - t1) / R1 ;
q = (t1 - t 2) / Rп.п. ; ? (2.1) q = (t 2 - ?з) / R2 ? , (2.2)
q = (?з - tз) / Rз . q = (t в - tз) / Rо .
Рис. 2.1 Схема процесу теплопередачі
через подвійне скляне огородження
де tв, tз, ?в, ?з, t1, t2 - температури відповідно внутрішнього і зовнішнього повітря, шару повітря, прилипаючого до внутрішнього і зовнішнього огородження, першого та другого шарів скла, оС;
Rв, Rз, Rп.п., R1, R2 - термічні опори відповідно конвективному теплообміну біля внутрішнього та зовнішнього скління, повітряного прошарку, першого та другого шарів скла, м2оС/Вт;
Rо - опір теплопередачі подвійного скління, м2оС/Вт.
З цих рівнянь можна знайти температури поверхонь скла
?в = tв - (tв - tз ) Rв / Rо ;
t1 = tв - (tв - tз ) (Rв + R1 ) / Rо ; ? (2.3)
t2 = tв - (tв - tз ) (Rв + R1 + Rп.п ) / Rо ;
?з = tв - (tв - tз ) (Rв + R1 + Rп.п + R2 ) / Rо .
Теплопередача в такому прошарку залежить від температур t1, t2 і товщини прошарку ?п.п..
Конвективний рух повітря у прошарку характеризує критерій Грасгофа Gr?
Gr? = g * ? * (t1 - t2 ) * ?п.п.3 / ?2, (2.4)
де ? - температурний коефіцієнт об'ємного розширення повітря, 1/К;
g - прискорення вільного падіння, м/с2;
? - коефіцієнт кінематичної в'язкості повітря, м2/с.
При невеликому значенні критерія Gr? конвективний рух повітря в прошарку незначний. За даними [56...62] критичне число Gr?*, тобто граничне значення Gr? , при якому не спостерігається конвекція, дорівнює Gr?* = 1400. Таким чином при Gr? < Gr?* конвективний рух повітря в прошарку відсутній, передача теплоти здійснюється тільки теплопровідністю і випромінюванням (між обмежуючими поверхнями).
Прийнявши фізичні параметри повітря при температурі 0оС, можна знайти критичне значення товщини повітряного прошарку в залежності від температурного перепаду, при якому не виникає конвективний рух повітря
?п.п.* ? 0,019 ( t1 - t2 )-1/3 , м. (2.5)
При Gr? > Gr?* зміна температури по товщині прошарку відхиляється від лінійного закону. Біля стінки з більшою температурою (t1) повітря рухається вгору, а з меншою (t2) - донизу.
Конвективний теплообмін в прошарку пов'язаний з циркуляцією повітря. У вертикальних повітряних прошарках, якщо їх товщина співрозмірна з висотою, висхідні потоки вздовж поверхонь з більшою температурою і низхідні потоки на холодній поверхні можуть рухатися без взаємних перешкод. В тонких прошарках вони взаємно гальмуються і утворюють циркуляційні контури, висота яких залежить від ширини прошарку.
Розглянемо два випадки розвитку межових шарів біля стінок прошарку.
Перший випадок: товщина прошарку ?п.п. велика. При цьому біля холодної і теплої стінок утворюються незалежні один від одного вільні конвективні потоки і їх взаємодія не спостерігається. Характер руху потоків в цьому випадку можна розглядати як вздовж вертикальної поверхні в необмеженому просторі [58].
Температура в центрі прошарку постійна по висоті і дорівнює
tm = ( t1 + t2 ) / 2, оС. (2.6)
Другий випадок: конвективні потоки, які утворюються в повітряному прошарку, взаємодіють один з одним. Це стосується прошарків з невеликими товщинами. Як було визначено в першому розділі, для огородження теплиць розглядаються склопакети з товщиною повітряного прошарку ?п.п. = 8...25 мм. Враховуючи висоту склопакетів від 400 до 1200 мм (за типовими проектами зимових блокових теплиць 810 - 99, 810 - 1 - 13.86, 810 - 1 - 39.94 розміри скла, що застосовуються для покриття становлять: 750х1275, 750х850, 440х1275, 375х850) і невелику товщину повітряного прошарку, можна сказати, що при утворенні конвективних потоків у повітряному прошарку, буде відбуватися їх взаємодія. Складний процес конвективного теплообміну можна розглядати як явище теплопровідності, прийнявши при цьому поняття еквівалентного коефіцієнту теплопровідності ?ек. Якщо значення ?ек віднести до коефіцієнту теплопровідності середовища ?п, то отримаємо безрозмірну величину Ек = ?ек /?п, яка характеризує собою вплив конвекції і називається коефіцієнтом конвекції [58].
Циркуляція повітря в прошарку, зумовлена різницею густини нагрітих і охолоджених часток, визначається добутком критеріїв GrPr, тому і Ек = f (GrPr). При розрахунках критеріїв подібності за визначальний розмір прийнята товщина прошарку ?п.п., а за визначальну температуру - середня температура в прошарку tm, яка знаходиться за формулою (2.6).
При значеннях аргумен