Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов) Жанр: Гуманитарный Просмотров: 1160 |
Моделирование и параметрический анализ теплопотерь через остекленные проемы помещений
Проанализировано влияние толщины воздушной прослойки в стеклопакете, скорости ветра, размеров проема и толщины стеклянного листа на удельные тепловые потери при двойном и тройном остеклении. Удорожание топливно-энергетических ресурсов побуждает производи- телей и потребителей тепловой энергии все более внимательно относиться к резервам ее экономии. Одним из таких резервов является оптимизация конструкции стеклопакетов, устанавливаемых в световые проемы помеще- ний различного назначения, применительно к конкретным условиям их эксплуатации. На удельные (отнесенные к единице площади поверхности) тепловые потери через остекленные проемы влияет значительное число факторов: температура наружного и внутреннего воздуха, скорость ветра, количество слоев и толщина листа стекла в пакете, толщина воздушной прослойки между стеклами, размеры проема. Для обоснованного выбора оптималь- ных решений по конструкции стеклопакета применительно к конкретным условиям необходимо иметь аналитическую модель процессов теплопере- дачи через остекленные проемы помещений. Схема двух - и трехслойного стеклопакета и характер изменения тем- пературы по его толщине приведены на рис. 1. При моделировании процесса теплопередачи будем полагать, что воз- душные прослойки стеклопакетов не сообщаются с окружающей средой, температурное поле в стеклопакете одномерно, а процесс стационарный.
δст δв δст δст δв/2 δст δв/2 δст
tf1 tf1
t1 t2
t3 t
t4 tf2
t1 t2 t’
t
t’’
t3 t4 tf2
x x
Рис. 1. Схема двухслойного (а) и трехслойного (б) стеклопакетов
Для рассматриваемых условий плотность теплового потока (тепловой поток, приходящийся на единицу поверхности) через стеклопакет можно выразить соотношением
(1)
n 1 1
1 ст i 1 где 1, 2 – коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной по- верхности стеклопакета соответственно, Вт/(м2К); tf1, tf2 – температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно, C; ст – толщина стек- лянного листа, м; ст, – коэффициенты теплопроводности стекла и возду- ха соответственно, Вт/(мК); в, – толщина воздушной прослойки в двух- слойном и произвольном стеклопакете соответственно, м; – коэффициент конвекции в воздушной прослойке стеклопакета; n – количество слоев стекла в рассматриваемом стеклопакете. Величины tf1, tf2 полагаются заданными, ст, – отыскиваются в спра- вочнике теплофизических свойств по средним температурам стеклянного листа и воздушной прослойки соответственно, в, ст – выбираются по ре- зультатам параметрического анализа для интересующих условий. При фиксированном температурном напоре tf1– tf2 удельные теплопоте- ри через остекленный проем, как это видно из выражения (1), уменьшают- ся при уменьшении коэффициентов теплоотдачи 1, 2, коэффициента конвекции и при увеличении количества слоев в стеклопакете n, толщи- ны воздушной прослойки и толщины стекла ст. Коэффициенты теплоотдачи 1, 2, коэффициент конвекции сложным образом зависят от температуры поверхностей стекла t1… t4, t’, t’’ и темпе- ратуры окружающих сред tf1, tf2, скорости ветра u, толщины воздушной прослойки , высоты h и ширины l проема. Температуры поверхности стекла t1… t4, t’, t’’ определяются в рассмат-
t1 t f 1 q 1 ; t2 t1 q ст ; t t q ; (2)
t4 t f 2 q
t3 t4
.
(3)
Nu c(Gr Pr)k , (4) m m
где
– число Нуссельта;
Gr gh3
t – число Грасгофа; Pr c p – число Прандтля; g – ускорение свободного падения, м/с2; – кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/с; – коэффициент объемного расширения воздуха [K-1]; t t f 1 t1 – температурный напор, K; – динамический коэффициент вязкости воздуха, Пас; cp – удельная изобарная теплоемкость воздуха, Дж/(кгК); c, k – числовые коэффициен- ты; индекс m означает, что теплофизические свойства воздуха (, , , , cp), входящие в числа подобия Nu, Gr, Pr, выбираются по средней темпера-
туре tm t
t1 2 .
Таблица 1
При отсутствии ветра тепло- отдача наружного воздуха также протекает в условиях свободной конвекции, а для определения ко- эффициента теплоотдачи 2 оста- ется пригодным уравнение подо- бия (4), если сделать замены:
При наличии ветра теплоотдача протекает в условиях вынужденной конвекции. В случае, когда направление ветра совпадает с плоскостью проема, коэффициент теплоотдачи 2 можно определить по уравнению по- добия [1] Nu 0,037 Re 0 ,8 Pr 0 , 4 , (6)
где Re ul – число Рейнольдса; индекс f означает, что теплофизические свойства воздуха (, , , cp), входящие в числа подобия Nu, Pr, выбирают- ся по средней температуре tf2. Входящее в уравнение (6) число Nu определяется выражением
Если направление ветра не совпадает с плоскостью светового проема, то для расчета коэффициента 2 должны быть использованы более слож- ные методы (см., например, [2]). Коэффициент конвекции можно определить по эмпирическому урав- нению подобия [1]
Числовые коэффициенты a и b приводятся в табл. 2. Теплофизические свойства, необходимые для определения входящего в уравнение (7) числа Ra, выбираются по средней температуре в воздушном зазоре tm. Таблица 2
прослойки в трехслойном стекло- пакете, для которой определяется коэффициент конвекции, темпе-
t3 2 ; t t t 2 ; t t t 2 . (8) Совместное решение системы уравнений (1) – (7) позволяет определить удельные теплопотери через стеклопакет в конкретных условиях. По- скольку температуры t1… t4, t, t заранее не известны, то это решение вы- полняется методом последовательных приближений. По изложенной методике проведено расчетное параметрическое иссле- дование влияния различных факторов на удельные теплопотери через двухслойный и трехслойный стеклопакеты. В расчеты закладывались сле- дующие значения влияющих параметров: tf1 = 20С; tf2 = -20С; h = 1,5…2,5 м; l = 1,5…2,5 м; ст = 3…5 мм; в= 10…300 мм; u = 0…10 м/с. Некоторые результаты расчетов приведены на рис. 2, 3.
Вт м2
![]() ![]()
q 35
30
25
20
![]() 1
q 40 2 2 35 30
![]() ![]() 0 100 200 мм в 0 2 4 6 u 8 м/с
Рис. 2. Влияние толщины воздушной прослойки в стеклопакете на удель- ные теплопотери: 1 – двухслойный стеклопакет; 2 – трехслойный стек- лопакет
Рис. 3. Влияние скорости ветра на удельные теплопотери: 1 – двух- слойный стеклопакет; 2 – трехслой- ный стеклопакет
Как видно из рис. 2, дополнительный слой стекла существенно (до 50\% и более) снижает тепловые потери через остекленный проем, причем это снижение происходит главным образом за счет уменьшения коэффициента конвекции в воздушной прослойке, а не за счет термического сопротив- ления дополнительного листа стекла. Наиболее значимое (на 52\%) сниже- ние удельных тепловых потерь в рассматриваемых условиях имеет место при толщине воздушной прослойки в = 80 мм. На рис. 3 представлены результаты расчетов, иллюстрирующие влия- ние скорости ветра на удельные теплопотери через двухслойный и трех- слойный стеклопакеты. Эти результаты соответствуют толщине воздуш- ной прослойки в = 80 мм. Как видно, скорость ветра также существенно влияет на теплопотери. Так, в рассматриваемых условиях при увеличении скорости ветра от 0 до 10 м/с удельные теплопотери увеличиваются на 15\% - для двухслойного и на 23\% - для трехслойного стеклопакета. Наиболее интенсивное изменение теплопотерь имеет место при изменении скорости ветра от 0 до 4 м/с. Расчеты показали также, что изменение толщины стеклянного листа и размеров светового проема в исследованном диапазоне оказывает незначи- тельное (в пределах 1 … 1,5\%) влияние на удельные теплопотери.
|
|