Механизм тепломассообменного процесса в динамической теплоизоляции кондиционируемой одежды Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 532.527; 614.895

МЕХАНИЗМ ТЕПЛОМАССООБМЕННОГО ПРОЦЕССА В ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ КОНДИЦИОНИРУЕМОЙ

ОДЕЖДЫ

© 2009 Н.В. Савченко Самарский государственный аэрокосмический университет Поступила в редакцию 13.11.2009

Статья посвящена повышению эффективности тепловых процессов, используемых в кондиционируемой одежде. Рассмотрен механизм тепломассообмена в толще волокнистой теплозащитной оболочки при движении кондиционирующего воздуха навстречу внешнему тепловому потоку. Обоснован вывод о независимости его расхода от разности температуры на внешней и внутренней поверхности оболочки.

Ключевые слова: кондиционируемая одежда; волокнистая оболочка, тепломассообмен, динамическая теплоизоляция

Оболочки из волокнистых материалов достаточно широко используются для тепловой защиты объектов различного назначения. Они обладают рядом преимуществ перед иными видами теплоизоляции - это малая масса, практически не увеличивающиеся габариты объекта, не препятствующие изменению его геометрии, легкий доступ, демонтаж и, при всем при этом малая стоимость. В большинстве случаев волокнистые оболочки используются для защиты от охлаждения, реже применяются для защиты от нагревающего микроклимата. При необходимости длительной защиты от нагревающего микроклимата обязательно используется охлаждение. Это обычно продувка пространства под оболочкой охлажденным воздухом. Основным недостатком такой теплозащиты является использование значительного количества охлаждающего воздуха, увеличивающееся пропорционально с ростом температуры окружающей среды. На наш взгляд, при рациональном использовании теплоаккумулирующих способностей воздуха, его расход можно существенно уменьшить. Рассмотрим две схемы организации теплозащиты.

На рисунке 1 «а» приведена проточная схема термостатирования. Охлаждающий воздух протекает в зазоре между термоста-тируемым объектом 1 и защитной оболочкой 2 снимает тепло поступающее от объекта

Савченко Нелли Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент

(тепловой поток с интенсивностью q1) и тепло, поступающее через оболочку 2 (тепловой поток с интенсивностью q2). Количество снимаемого тепла определяется расходом кондиционирующего воздуха и возможностью его подогрева.

02 - 01=Оп Ср(Т2 - 71) (1)

Как правило, такая схема термостатирова-ния принципиально не экономична из-за существования допустимой степени подогрева воздуха Т2 - Т1, определяемой максимальной температурой объекта Т2 и располагаемой температурой охлаждающего воздуха Т1 или минимальной допустимой температуры объекта. Увеличение экономичности схемы термостатирования, на наш взгляд, возможно путем изменения направлений взаимодействия тепловых потоков и направления движения воздуха. В проточной схеме «а» внешний тепловой поток интенсивности q2 перпендикулярен потоку движения воздуха с расходом GП. В предлагаемой динамической схеме «б» направление движения воздуха организовано навстречу тепловому потоку. Для этого воздух, после снятия тепла с поверхности тер-мостатируемого объекта (тепловой поток интенсивности q1), меняет направление на 90° и удаляется наружу через волокнистую термоизолирующую оболочку 3, т. е. движется навстречу внешнему тепловому потоку.

Количество снятого тепла

02 - 01 = 06 Ср (72 - 7) + + Оа Ср (Г4 - Г2) (2)

Сравним (1) и (2).

Оп Ср (72 - 71) = Оа Ср (72 - 7) + + Оа Ср (74 - 72) (3)

В конечном виде

О

П

О,

74 - 7 = 1 + 74 - 72

, 72 - 7х 72 -71 при условии обеспечения

41 < О,Ср (72 - 7х)

(4)

О, >

41

Ср (72 - 71)

ру 2 I/ (5)

т.е. расход воздуха должен быть достаточным для снятия тепла выделяемого термо-статируемым объектом и поддержания его температуры в заданных пределах. Из соотношения видно, что возможности снятия тепла с использованием динамической изоляции за счет полного использования тепло-аккумулирующей способности воздуха потенциально выше, чем при просто прокачке охлаждающего воздуха через зазор. В уравнениях (1)-(4) мы оценивали только потенциальную возможность снятия тепла охлаждающим воздухом без связи с тепловым потоком извне 42.

а

7",

Т,

Q2

5П а2

и

<7/

6П &)

и

и

/к./, а2 Щ

? \

%

Рис. 1. Расчетная схема термостатирования: «а» - проточная, «б» - динамическая

Рассмотрим тепловой баланс в единицу времени через единицу площади оболочки и определим расход охлаждающего воздуха, при котором происходит полная компенсация теплового потока 42. Принимаем, что температура воздуха, поступающего в оболочку 73.

А 8

(74 -7з) = О,Ср(74 - 73)

О,,

Л

(6)

8■ С

(7)

Тепловой баланс (6) построен исходя из условия, что тепло, проходящее через теплоизолирующую оболочку толщиной 3 идет на нагрев воздуха, текущего навстречу тепловому потоку. На рис. 2 приведен

расход воздуха в зависимости от толщины теплоизоляции 3 и коэффициента теплопроводности X.

с 1.2

08

ол

р. щ \ 0,06 0.08 \ою $ з 1 м*

& м

Рис. 2. Зависимость расхода воздуха от толщины теплоизоляции и коэффициента теплопроводности

Полученные значения расхода охлаждающего воздуха (7) являются предельными и, они достижимы только при условии обеспечения некоторых теплообменных процессов. Рассмотрим механизм теплообменных процессов, протекающих в динамической теплоизоляции. Пористый материал состоит из твердых волокон, пространство между которыми заполнено воздухом. Рассмотрим гипотетический перенос тепла через тонкую пространственную конструкцию, осуществляемый теплопроводностью. Теплообмен через волокна и воздух представим как два отдельных независимых процесса. На рис. 3 приведена условная расчетная схема структуры волокнистой теплоизоляции, состоящей из цилиндрических элементов, окруженных воздухом.

Ом %

Рис. 3. Условная расчетная схема структуры

волокнистой теплоизоляции: qм, qв - тепловые потоки, проходящие через твердые элементы и окружающий воздух соответственно, qм + qв = q2; - площадь поверхности динамической изоляции; 5м - суммарная площадь сечения твердых конструктивных элементов; Ь - эквивалентная длина волокон теплоизоляции; X, Хм, Хв, - коэффициенты теплопроводности динамической изоляции коэффициенты теплопроводности материала твердых элементов, коэффициент теплопроводности воздуха соответственно; р, рм - плотность динамической изоляции и плотность материала твердых конструктивных элементов соответственно; Т3, Т4 -температура внутренней и наружной поверхностей динамической изоляции соответственно.

Тепло, передаваемое через теплоизоляцию, рассмотрим состоящим из тепла, передаваемого через конструкционный материал 0м и передаваемое через заполняющий ее объем воздуха 0в.

0 = Ом + Ов

(8)

2 2

8 т(Т4 - Тз) =^5м тТ - 7з) +

+ 2 (5 - 5 м )• т(ТА - Тз)

(9)

Масса теплоизоляции

5 8Р = 5 м/Рм . (10)

Решаем совместно уравнения (9) и (10) и определяем отношение эквивалентной длины волокон / к толщине 3.

2 Р

Ям-

Рм

82

/

V ' У

-Я. Р

Рм

8

-Я. - Я = 0

V У

8 = 2 р / 2 рм

V 2 Р ^2

Яв Р

2 Р

+ Я- Я

м У

(11)

(12)

По статистической оценке для большинства тканевых теплоизолирующих материалов Х//<0,2, т.е. средняя эквивалентная длина те-плопроводящего элемента значительно превышает конструктивную толщину ткани. Исходя из этого, соотношение площади поверхности теплопроводящего элемента к площади теплопроводящего сечения, например для ткани толщиной 4 мм и диаметром нити 0,1 мм.

п • 1 •/ • 8

8

0,2 • п • d2 0,28

200

(13)

Этого вполне достаточно для снятия через боковую поверхность тепла, передаваемого по нити ткани. Схема механизм теплопередачи внутри ткани через воздух приведена на рис. 4. Выделим слой воздуха толщиной dS, движущейся навстречу тепловому потоку. Считаем, что тепловой поток за время 1т повышает температуру воздуха на dT. При условии блокирования теплового потока минимальная скорость перемещения воздуха должна обеспечить за 1т перемещения нагретого слоя на dS.

Я (18

5 •1Т^1т= $¥•(• тРвС р1Т

где V - скорость движения воздуха.

S T4 T

'/////^////77.

'^ZZZ

Рис. 4. Схема тепломассообмена через воздух внутри ткани

После интегрирования получаем

V ■

min

G

SpC p X

d min

SCr

(15)

(16),

что по структуре соответствует ранее выведенной формуле (7). При определении минимального расхода воздуха, достаточного для блокирования поступающего извне тепла, правомерно использование справочных значений коэффициента теплопроводности рассчитываемой волокнистой теплоизоляции.

Выводы:

1. Изменение направления движения охлаждающего воздуха приводит к более рациональному использованию его теплоаккуму-лирующих возможностей и значительно сокращает потребный расход.

2. Минимальное потребное количество охлаждающего воздуха, достаточного для полного блокирования внешнего теплопри-тока в динамической теплоизоляции, не зависит от перепада температуры на внешней и внутренней поверхностях оболочки.

3. Существует целесообразная предельная величина толщины динамической теплоизоляции, зависящая от теплопроводности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Савченко, Н.В. Динамическая теплоизоляция в кондиционируемой одежде нового поколения. // Безопасность транспортных систем: сб. науч. тр. - Самара, 2002. - С. 115-117.

2. Савченко, Н.В. Локальное обеспечение оптимальных температурных условий. // Экология и здоровье человека: Материалы VI Междун. Конгр. Самара, 1999. - С. 180-181.

q

MECHANISM OF HEAT-MASS-TRANSFER PROCESS IN THE DYNAMIC HEAT INSULATION OF CONDITIONED CLOTHES

© 2009 N.V. Savchenko Samara State Aerospace University

Article is devoted to increase of the efficiency in the thermal processes used in conditioned clothes. The mechanism heat-mass-transfer in thickness of fibrous heat-shielding shell at traffic of conditioning air towards to external thermal flow is observed. A conclusion about independence of its rate flow of a difference of temperature on external and internal surface of a shell is prooved.

Key words: conditioned clothes, fibrous shell, heat-mass-transfer, dynamic thermal insulation

Nelly Savchenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor