Особенности теплообмена воздушных прослоек панелей с внутренними криволинейными канавками Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Щедрина Г. Г., канд. техн. наук, доц., Кобелев В. Н., аспирант, Щедрин П. Ю., аспирант Юго-Западный государственный университет Минко В. А., д-р техн. наук, проф., Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВОЗДУШНЫХ ПРОСЛОЕК ПАНЕЛЕЙ С ВНУТРЕННИМИ КРИВОЛИНЕЙНЫМИ КАНАВКАМИ

tgv-kstu6@yandex.ru

Одним из направлений Программы энергосбережения, предложенной правительством РФ является снижение тепловых потерь наружными ограждениями жилых и общественных зданий, и особенно 20-летней и более застройки. Даны аналитические зависимости по интенсификации теплозащиты воздушных прослоек с использованием криволинейных канавок на внутренней поверхности панелей при естественном и вынужденном движении вентиляционного воздуха. На основе теоретических исследований разработана конструкция энергосберегающей панели, которая защищена патентом РФ.

Ключевые слова: тепловая защита, криволинейная канавка, потоки дополнительной теплозащиты.

Разработанная учеными ЮЗГУ под руководством ректора Емельянова С.Г. в соавторстве с коллективом кафедры ТГВ областная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в Курской области на 2011-2015 годы и на период до 2020 года» включает наряду с основополагающими направлениями экономии энергоресурсов на этапах производства, транспортировки и использования энергоносителей, также снижение тепловых потерь в окружающую среду, в том числе и жилых зданий 20-летней и более ранней постройки, которые еще обладают достаточной эксплуатационной прочностью, но не обеспечивают необходимой теплозащиты, особенно при продолжительности отопительного периода, которая для г. Курска составляет 216 дней в году.

Навесные вентилируемые фасады известны в России сравнительно недавно. Но в ряде стран (например в Германии, Финляндии) накоплен уже достаточный опыт по их использованию: в общественных, административных и промышленных зданиях, а также при реконструкции домов массовой застройки.

Применяют вентилируемые фасады не только в новом строительстве, Нои при реконструкции старых зданий. Использование навесных конструкций позволяет, с одной стороны, «одеть» фасад в современные отделочные материалы, а с другой - улучшить теплозащитные показатели ограждающей конструкции и защитить ее от атмосферных воздействий.

Наличие воздушной прослойки в вентилируемом фасаде принципиально отличает его от других типов фасадов, т. к. внутренняя влага

свободно удаляется в окружающую среду. Вентилируемая воздушная прослойка снижает также и теплопотери в отопительный период, т. к. температура воздуха в ней несколько выше, чем снаружи.

Несмотря на то, что вентилируемые фасады применяются на практике в течение свыше 15 лет, и что в Германии существует отдельная Ассоциация, занимающаяся вопросами расчетов и применения вентилируемых фасадов, до настоящего времени нет единой научно обоснованной методологии расчета таких фасадов.

В настоящее время в большинстве развитых странах мира существуют технические и законодательные нормы, требующие строительство зданий с эффективным использованием энергии

(ЗЭИЭ).

Задачу проектирования и строительства ЗЭИЭ можно успешно решить при осуществлении такой конструкции оболочки здания через которую в любое время в период эксплуатации здания и при любых погодных (климатических) условиях будут осуществляться устойчивые процессы потока тепла, влажности и воздуха (инфильтрация, эксфильтрация).

В последнее время в г. Москве и в России при строительстве гражданских зданий часто применяют вентилируемые фасады. В связи с этим необходимо разработать единую методологию по теплотехническому и аэродинамическому расчету вентилируемых фасадов.

Одним из решений данной проблемы является покрытие внешних стен жилых зданий панелями с воздушной прослойкой, в которых ат-

мосферный воздух, являющийся теплозащитой перемещается ламинарно, под воздействием разности температур между наружной поверхностью стен и внутренней поверхностью панели или турбулентно - перемещение воздушного потока под механическим воздействием: нагнетатели (вентиляторы, воздуходувки) и вибрационное перемещение одной или нескольких панелей под действием вибратора.

Рассмотрим особенности теплообмена между теплоносителем в качестве которого используется атмосферный воздух перемещающийся между внутренней поверхностью панели и внешней поверхностью наружной стены, например жилого здания.

Общее термическое сопротивление Я теплопередаче запишем в виде

Я = ■

ст.

а

1

Л

ст

1

а^

(1)

где а1 и а2 - коэффициенты теплоотдачи от наружного атмосферного воздуха к панели и от вентиляционного воздуха в воздушной прослойке к наружной поверхности стены, Вт/(м2-град);

Зг и 52 - толщина пограничного слоя контакта наружного воздуха с поверхностью панели и вентиляционного воздуха со стеной, м;

5пй - толщина панели, м;

Л1, Л2 и Лпй - коэффициент теплопроводности соответственно атмосферного вентиляционного воздуха, а также материала панелей, Вт/(м-град).

Если коэффициенты теплопроводности известны в зависимости от материала панели и состояния теплоносителя - воздуха, то главная трудность при расчете коэффициента теплопроводности состоит в нахождении коэффициентов теплоотдачи ах и а2, которые и определяют интенсивность процесса теплообмена.

Плотность теплового потока в любой точке теплоносителя однозначно определяется при условии, что известны поля температур, скоростей и удельной энтальпии. Для этого необходимо располагать системой соответствующих уравнений и условиями однозначности [1]. Для учета направления теплового потока используем

поправку в виде множителя (Ргж/Ргст )0,25 в соответствии с рекомендацией [2], которое имеет не только определенный физический смысл, но и рассматривается как методический прием, приводящий к малому разбросу опытных точек при получении общего уравнения теплоизоля-

ционного теплоносителя, т. е. вентиляционного воздуха.

В результате анализа известных литературных источников, описывающих процесс теплообмена в каналах сложной формы [3] и обработки экспериментальных данных получены критериальные уравнения для наиболее распространенных режимов движения вентиляционного воздуха:

а) для турбулентного с наличием вентилятора или вибратора, перемещающего теплоноситель,

при отсутствии конденсации пара из атмосферного воздуха

Ыы = С • Яе" Рг0,43-(Рг^Ргй6)'

при наличии процесса конденсации

Ыы = Ак Яер Ргт

,0,25

(2)

(3)

б) для ламинарного, т. е. перемещения теплоносителя за счет разности плотностей и, соответственно, температур по высоте наружной стены жилого здания

при отсутствии конденсации паров

Ыы = А^Яе- Рг)р

(4)

при конденсации паров атмосферной влаги

Ыы = А

Яе- Рг|

Ь

г (5)

где Яе, Рг - критерии Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля;

Ь - длина криволинейного канала на одной панели, м;

г - удельная теплота фазового превращения вещества, Дж/кг;

п, р, т и С, А - значение показателей степени и коэффициенты, полученные экспериментально с использованием теории подобия применительно к конкретным погодно-климатическим условиям эксплуатации здания;

йэ — эквивалентный диаметр полости криволинейной канавки;

индексы к, 1 и 2 означают отнесение к конденсату и теплоносителю без наличия конденсата и с конденсатом.

Гидравлические сопротивления, возникающие при движении вентиляционного воздуха в криволинейных канавках имеют сложный механизм, обусловленный вязкостью воздуха как

1

2

теплоносителя, так и конструктивной особенностью выполнения воздушной прослойки. Для определения гидравлического сопротивления воздушной прослойки местные сопротивления )равномерно расположенные по длине криволинейной канавки учитываем совместно с сопротивлением трения ) посредством условного коэффициента сопротивления

(6)

Тогда гидравлическое сопротивление по длине криволинейных канавок определим по уравнению Дарси-Вейсбаха

АР =

d, 2

(7)

где со - скорость движения теплоносителя, м/с; р - плотность теплоносителя, кг/м . Для вычисления условного коэффициента трения ^ в наших расчетах используем критериальное уравнение

Еи = / (Яе) (8)

где Еи -критерий Эйлера, Еи = Ьр т /(рсо2), тогда

% = 2Eud.¡L.

(9)

Здесь Еи = / (Яе) устанавливаем путем обработки экспериментальных данных для каждого из рассматриваемых режимов движения теплоносителя в воздушной прослойке, т.е. для турбулентного и ламинарного

При турбулентном режиме, вызванном работой вентилятора или вибратора, особенностью процесса движения теплоносителя в криволинейной канавке является многократно повторяющий поворот элементарного объема жидкости, движущегося со скоростью со, масса которого равна

ет = р*Лэ с/сТ (10)

где ё/ - площадь поперечного сечения элементарного объема, м2;

ёг - направление перемещения в данный момент, м.

Элементарная центробежная сила, действующая на этот объем, составляет ре/Ига2/г . Эта сила уравновешивается разно-

стью сил давления на гранях рассматриваемого объема

dp = | — \dfdr dr

(11)

Проектируя все силы на направление r, на основе принципа Даламбера запишем

pdfdr ■ со2/r - dp/drá/dr = 0 (12)

откуда

peo2 ¡r = dp/dr (13)

Так как давление вентиляционного воздуха по всему сечению криволинейной канавки должно быть постоянным, то изменение статического давления на основании уравнения Бер-нулли будет происходить только вследствие изменения скоростного напора так как

p + peo2 /2 = const

(14)

ем

Дифференцируя это уравнение, получаем

dp/p = -pcoda! dr (15)

Подставляя значения dp/dr в (13), получа-

- pcoda/dr = рсо21 r или со/ r + do/dr = 0 (16)

Интегрируя это уравнение, имеем

ra = const (17)

Следовательно, при прохождении вентиляционным воздухом поворота криволинейной канавки частицы потока, описывающие дуги больших радиусов (у вогнутой стенки канавки), движутся медленнее, чем частицы, описывающие дуги малых радиусов ( у выпуклой стенки поворота канавки). В результате при перемещении по повороту образуется область вихревого движения потока вентиляционного воздуха. По опытным данным при угле поворота криволинейной канавки достигающим 90о, глубина вихревой области составляет около половины эквивалентного диаметра канавки и коэффициент сжатия струи равен приблизительно 0,5. Это дает возможность определять гидравлические потери в воздушной прослойке по повороту криволинейной канавки, расположенной на внутренней поверхности панелей по теореме Борда:

АР„ов =

рсо

1 -1

2 U

(18)

где е - коэффициент сжатия потока вентиляционного воздуха при перемещении по криволинейной канавке.

Тогда суммарное гидравлическое сопротивление панели при омывании ее вентиляционным воздухом в воздушной прослойке определится как

АР = АРГ + АР

^^ сум Ь ^^ пов

(19)

Полученное значение гидравлического сопротивления для вентилируемой воздушной прослойки определяет значение мощности Ы двигателя вентилятора или вибратора, необходимой для перемещения потока воздуха между наружной стеной жилого здания и панелью

N = ¥АРсуы/п = ОАРум/ (ртт) (20)

где V и О соответственно объемный (м3/с) и массовый (кг/с) расход вентиляционного воздуха;

Т] - КПД вентилятора или вибратора.

Для определения достигнутой интенсификации теплопередачи определяем удельную мощность Ыо (отнесенная к единице площади Е поверхности панели - теплообмена), Вт/м2

N. - N

0 Е

(21)

На основе данных положений была разработана панель для дополнительной теплоизоляции стен [4], содержащая листы, образующие воздушную прослойку между наружной стеной здания и окружающей средой через, например полиуретановый поропласт, при этом листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между со-

бой и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены посредством вибратора, обеспечивающим турбулизацию движения вентиляционного воздуха по криволинейным канавкам тыльной поверхности листов панели.

Конструктивное решение значительно сокращает тепловые потери, а новизна его защищена патентом РФ на полезную модель.

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1. Представленные теоретические положения позволили выявить зависимость между условиями создания эффективного использования воздушной прослойки наружных ограждений и режимом движения теплоносителя, определяемого аэродинамическим сопротивлением перемещения атмосферного воздуха по криволинейным канавкам.

2. Получены аналитические зависимости, описывающие особенности движения теплоносителя по криволинейным канавкам с образованием завихрений, которые стали основой разработки конструктивного решения эффективной теплозащиты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Михеев, М.А. Основы теплопередачи/ М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.:, Энергия, 1977.-344 с. Изд. второе, Москва, Энергия, 1977.

2. Адиутори, Е. Ф. Новые методы в теплопередаче / Е. Ф. Адиутори. -М.: Мир,1977.-232 с.

3. Пат.93833 Российская Федерация, МПК7 У 04В 1/80 Панель для дополнительной теплоизоляции стен [Текст] / Кобелев Н.С., Яцун С.Ф., Медведев А.А.; заявитель и патентообладатель КурскГТУ. - № 93833, Бюл. № 19.-2с.