Термическое сопротивление воздушных прослоек

Общие положения

Передача теплоты воздушными прослойками происходит иначе, чем в телах твердых и сыпучих. Термическое сопротивление слоя, состоящего из твердого или сыпучего материала, прямо пропорционально его толщине, а следовательно, количество теплоты, проходящей через слой, при постоянной разности температур на его поверхностях обратно пропорционально его толщине. Для воздушной прослойки такой пропорциональности не существует. В твердом материале передача теплоты происходит только теплопроводностью, в воздушной прослойке к этому присоединяется еще передача теплоты конвекцией и излучением. Таким образом, если полное количество теплоты, проходящей через 1 м² вертикальной воздушной прослойки в течение 1 ч, обозначим Q, то на основании сказанного можно написать:

, (15.1)

где — количество теплоты, передаваемой теплопроводностью, Вт/м²; — количество теплоты, передаваемой конвекцией, Вт/м²; — количество теплоты, передаваемой излучением, Вт/м².

Передача теплоты теплопроводностью подчиняется закону передачи теплоты

в твердом теле и может быть выражено формулой:

, (15.2)

где — коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха Вт/(м°С) (при температуре 0 = 0,023 Вт/(м°С)); — толщина прослойки, м.,

— температуры на ограждающих поверхностях, причем , .

Конвекция воздуха в прослойке возникает вследствие разности температур на ее поверхностях и имеет характер естественной конвекции. При этом у поверхности с более высокой температурой воздух нагревается и движется в направлении снизу вверх, а у более холодной поверхности охлаждается и движется в направлении сверху вниз. Таким образом, в вертикальной воздушной прослойке создается постоянная циркуляция воздуха.

Количество теплоты, передаваемой конвекцией может быть определено по формуле:

, (15.3)

где — условный коэффициент, называемый коэффициентом передачи теплоты конвекцией, Вт/(м°С).

В отличие от обычного коэффициента теплопроводности этот коэффициент не является постоянной величиной, а зависит от толщины прослойки, температуры воздуха в ней, разности температур на поверхностях прослойки и расположения прослойки в ограждении.

Для вертикальных прослоек значения величин коэффициентов даны в табл. 15.1 в зависимости от толщины прослойки и разности температур на ее поверхностях .Влияние температуры воздуха в пределах от +15 до -10 °С на теплопередачу конвекцией не превышает 5 %, а поэтому им можно пренебречь.

Табл. 15.1 показывает, что коэффициент передачи теплоты конвекцией возрастает с увеличением толщины прослойки. Это возрастание объясняется тем, что в тонких прослойках восходящий и нисходящий токи воздуха взаимно тормозятся и в очень тонких прослойках (меньше 5 мм) величина становится равной нулю. С увеличением толщины прослойки, наоборот, конвекционные токи воздуха становятся более интенсивными, увеличивая значение .С увеличением разности температур на поверхностях прослойки величина возрастает вследствие повышения интенсивности конвекционных токов в прослойке.

Таблица 15.1

Значения величин при температуре воздуха 0 °С для вертикальных воздушных прослоек в зависимости от толщины прослойки и разности температур на ее поверхностях

, °С	Значения , Вт/(м°С), при , см
	0,0233	0,0244	0,0337	0,0488	0,0628	0,0814	0,0930	0,1116	0,1396	0,1628
2,5	0,0233	0,0314	0,0419	0,0616	0,0791	0,1035	0,1175	0,1396	0,1745	0,2059
	0,0244	0,0372	0,0500	0,0733	0,0942	0,1233	0,1407	0,1663	0,2070	0,2407
	0,0256	0,0442	0,0593	0,0872	0,1116	0,1454	0,1651	0,1977	0,2477	0,2966
	0,0279	0,0488	0,0651	0,0965	0,1233	0,1605	0,1838	0,2186	0,2745	0,3210
	0,0302	0,0523	0,0709	0,1035	0,1326	0,1733	0,1977	0,2349	0,2942	0,3454
	0,0326	0,0558	0,0744	0,1093	0,1407	0,1826	0,2093	0,2489	0,3117	0,3652
	0,0337	0,0582	0,0779	0,1151	0,1465	0,1907	0,2210	0,2605	0,3256	0,3826
Для горизонтальных прослоек при потоке теплоты снизу вверх приведенные значения увеличивать на:
	20%	40%	42%	43%	38%	26%	20%	13%	6%	3%

Увеличение значений в горизонтальных прослойках при потоке теплоты снизу вверх объясняется непосредственным направлением конвекционных токов по вертикали от нижней поверхности, имеющей более высокую температуру, к верхней поверхности, имеющей более низкую температуру. В горизонтальных прослойках при потоке теплоты сверху вниз конвекция воздуха отсутствует, поскольку поверхность с более высокой температурой расположена над поверхностью с более низкой температурой. В этом случае принимается .

Кроме передачи теплоты теплопроводностью и конвекцией в воздушной прослойке происходит еще непосредственное излучение между поверхностями, ограничивающими воздушную прослойку. Количество теплоты Q₃, передаваемой в воздушной прослойке излучением от поверхности с более высокой температурой к поверхности с более низкой температурой , можно выразить по аналогии с предыдущими выражениями в виде:

, (15.4)

где — коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м°С).

В этом равенстве отсутствует множитель , т.к. количество теплоты, передаваемой излучением, в воздушных прослойках, ограниченных параллельными плоскостями, не зависит от расстояния между ними.

Коэффициент определяется по формуле:

, (15.5)

где С₁ и С₂ — коэффициенты излучения поверхностей Вт/(м²°С⁴); С₀— коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²°С⁴); и — температуры поверхностей, °С.

Формула 15.5 показывает, что коэффициент также не является постоянной величиной, а зависит от коэффициентов излучения поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку и, кроме того, от разности четвертых степеней абсолютных температур этих поверхностей.

Для определения величины , входящей в правую часть

Формулы 15.5и называемой «температурным коэффициентом», достаточно знать среднюю температуру воздушной прослойки , т. к. для температур наружных ограждений величина температурного коэффициента может быть принята не зависящей от значений и , а зависящей только от их средней величины. Значения температурного коэффициента формулы 15.5 для средних температур воздушной прослойки от +25 и до -25 °С приведены в табл. 15.2

Таблица 15.2

Дата добавления: 2015-10-29