Особенности напольного водяного панельно-лучистого отопления Тарабаров Михаил Борисович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние проблемы и постановка задач исследований 10

1.1. Анализ теплового режима помещений, оборудованных системой напольного отопления 10

1.2. Исследование лучистого теплообмена 19

1.3. Исследование конвективного теплообмена 27

1.4 Исследование методов расчёта параметров системы напольного водяного панельно-лучистого отопления 36

1.5 Выводы по главе 47

2. Исследование теплообмена в помещениях, оборудованных системой напольного водяного панельно-лучистого отопления 48

2.1. Исследование конвективного теплообмена на действующем объекте 48

2.2. Исследование градиента температуры воздуха по высоте помещения 64

2.3. Исследование теплопотерь в помещениях, оборудованных системой напольного водяного панельно-лучистого отопления 83

2.4. Выводы по главе 87

3. Исследование теплоотдачи нагревательных элементов системы напольного водяного панельно-лучистого отопления 88

3.1. Описание экспериментальной установки 88

3.2. Исследование конвективного теплообмена на экспериментальной установке 97

3.3 Исследование параметров системы напольного водяного панельно-лучистого отопления 104

3.4. Выводы по главе 113

4. Применение результатов исследований 114

5. Основные выводы 117

Список используемой литературы 118

Приложения 129

• Исследование лучистого теплообмена
• Исследование конвективного теплообмена
• Исследование градиента температуры воздуха по высоте помещения
• Исследование конвективного теплообмена на экспериментальной установке

Введение к работе

Актуальность темы:

В настоящее время проблема энергосбережения является одной из важнейших для строительного комплекса России. На отопление и горячее водоснабжение ежегодно расходуется не менее 200 млн. т. условного топлива. Затраты на отопление жилых зданий составляют 27 - 30 % от общего потребле-ния тепловой энергии, а затраты на отопление 1 м общей площади жилого здания превышают аналогичный показатель в странах, находящихся в сопоставимых с Россией климатических условиях, в 2,5 - 3 раза.

Это связано с тем, что большая часть существующих зданий имеет невысокие теплозащитные свойства ограждающих конструкций. Трансмиссионные теплопотери через ограждающие конструкции составляют порядка 19 - 30 %, а расход тепла на инфильтрацию и вентиляцию достигает 35 % от общего годового потребления энергии. Таким образом, только за счёт снижения теплопо-терь энергопотребление в зданиях можно сократить почти на 50 %.

Поэтому решение задач по повышению энергосбережения крайне важно на сегодняшний день. Более рациональному использованию энергии способствуют меры по повышению теплозащиты зданий. На решение этого вопроса и были направлены постановления, принятые в последние годы. Так постановлением № 18-81 от 11.08.95 Минстроя РФ введены изменения к СНиП П-3-79 "Строительная теплотехника", где в значительной степени увеличивались требуемые сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий (в 2 -6 раз). Учитывая сложность поставленной задачи в экономическом и техническом плане, допускается двухэтапное введение повышенных требований к теплопередаче при проектировании и строительстве объектов.

Наряду со снижением тепло потерь за счёт повышения теплозащиты зданий, одним из вариантов энергосберегающих технологий предлагается применение напольного водяного панельно-лучистого отопления. Причинами, по которым напольное отопление является более экономичным с точки зрения потребления тепловой энергии являются:

- снижение тепло потерь помещения за счёт специфического характера распределения температуры воздуха по высоте помещения по сравнению с конвективными системами отопления;

- отсутствие бесполезных потерь теплоты, связанное с перегревом наружных ограждений в местах установки отопительных приборов (конвекторов или радиаторов);

- применение теплоносителя более низкой температуры, что позволяет использовать в качестве источников теплоты нетрадиционные источники энергии.

Опыт эксплуатации помещений, оборудованных напольным отопленим, показывает, что в таких помещениях ощущается перегрев, что помимо теплового дискомфорта для людей, приводит к перерасходу тепловой энергии. Это приводит к неправильной оценке достоинств напольного отопления, как варианта энергосберегающих технологий, и ставит вопрос о необходимости выявления и исключения причин возникновения данной ситуации.

Причиной перегрева является отличие тепловых потоков через наружные ограждения от рассчитываемых при конвективном отоплении, связанное с характерным распределением температуры воздуха по высоте помещения, оборудованного напольным отоплением, что отражается на определении температуры пола и расчёте параметров теплоносителя.

Это обстоятельство является, в свою очередь, следствием отсутствия в нормативных документах конкретных рекомендаций, по расчёту мощности систем напольного отопления.

Теплоотдача конвекцией от поверхности пола, рассчитывается с использованием результатов, полученных, в значительной части, путём обобщения опытных данных по исследованию конвективного теплообмена на пластинах, расположенных в неограниченном объёме среды. В действительности, помещению представляет собой замкнутый и ограниченный ограждающими его поверхностями объём воздуха, что не может не сказаться на процессе теплообмена. Это обстоятельство также поражает ошибки при проектировании напольного отопления.

Поэтому разработка методики определения тепло потерь через ограждающие конструкции помещений, оборудованных напольным отоплением, на основании более реального учёта условий теплообмена, определения температуры поверхности пола и разработка инженерной методики расчёта параметров теплоносителя для такой системы является весьма актуальной задачей и представляет научный и практический интерес.

Цель работы:

Целью работы является разработка инженерного метода расчёта тепло потерь через наружные ограждения помещений, оборудованных напольным отоплением, на основе учёта специфического характера распределения температуры воздуха по высоте в таких помещениях, а также разработка инженерного метода расчёта мощности систем напольного отопления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать математическую модель расчёта тепло потерь через ограждающие конструкции помещений, оборудованных системой напольного отопления, с учётом градиента температуры воздуха по высоте помещения;

- провести экспериментальные исследования распределения температуры воздуха по высоте помещения и сравнить с результатами математического моделирования;

- проделать измерения и обработать данные для получения критериальной зависимости, описывающей конвективный теплообмен на поверхности пола в помещениях, оборудованных системой напольного отопления; - произвести расчёты тепло потерь через наружные ограждения конкретных помещений, оборудованных конвективным отоплением, сравнить с тепло потерями в этих же помещениях при моделировании в них по разработанной методике распределения воздуха при напольном отоплении, и подвергнуть результаты экономическому анализу;

- создать экспериментальную установку, провести на ней исследования распределения температурного поля в толще плиты, являющийся системой напольного отопления и сравнить с математической моделью;

- получить эмпирические формулы для расчёта температуры теплоносителя в системе напольного отопления.

Научная новизна работы:

- проанализированы и обобщены материалы по исследованию конвективного теплообмена на поверхностях ограждающих конструкций помещений и математические модели расчёта температуры на поверхности панельного отопления;

- изучены факторы, влияющие на распределение температуры воздуха по высоте помещений, оборудованных системой напольного водяного панельно-лучистого отопления;

- разработана методика расчёта тепло потерь через ограждающие конструкции помещений, оборудованных напольным отоплением, и определения необходимой для их компенсации температуры пола;

- на основании экспериментальных данных получена критериальная зависимость для определения коэффициента конвективного теплообмена на поверхности пола в подобных помещениях;

- получены эмпирические формулы для расчёта температуры теплоносителя в системе напольного отопления;

- создана научная основа для дальнейших исследований в этом направлении и оптимизации работы систем напольного отопления. На защиту выносятся:

- методика расчёта тепло потерь через ограждающие конструкции помещений, оборудованных напольным отоплением, и определения необходимой температуры пола для их компенсации с учётом градиента температуры воздуха по высоте помещения;

- методика расчёта температуры теплоносителя в системе напольного отопления;

- критериальная зависимость описывающая конвективный теплообмен на поверхности пола в помещениях, оборудованных напольным отоплением.

Практическая ценность:

- полученная экспериментально критериальная зависимость позволяет более реально прогнозировать величину коэффициента конвективного теплообмена на поверхности пола в помещениях, оборудованных напольным отоплением, что приводит к более объективному определению конвективной составляющей теплового потока;

- применение полученной критериальной зависимости и учёт влияния градиента температуры воздуха по высоте помещения позволяет правильно рассчитывать мощность системы напольного отопления, что приводит к устранению теплового дискомфорта в помещениях и позволяет более правильно оценивать такую систему, как энергосберегающую;

- полученные на основе математического моделирования формулы для определения параметров теплоносителя позволяют создать на их основе программу для ЭВМ, более объективную по сравнению с программами иностранных компаний.

Публикации:

По материалам диссертации опубликованы 8 печатных работ. Апробация работы:

Основные материалы исследований доложены и обсуждены: на 56-ой -59-ой научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов СПбГАСУ (Санкт-Петербург, 1999-2002 г.); на 55-ой международной научно-технической конференции молодых учёных (Санкт-Петербург, 2001 г.); на IX-ой международной научно-технической конференции "Информационная среда ВУЗа" (Иваново, 2002 г.). 

Исследование лучистого теплообмена

Все нагретые материальные объекты излучают энергию в окружающее пространство в форме квантов энергии или, в ином представлении, с помощью электромагнитных волн. Каждая поверхность в помещении находится в лучистом теплообмене с окружающими поверхностями. Физическая теория теплообмена излучением является довольно сложной. Будем рассматривать тепловое излучение в помещении как инфракрасное монохроматическое диффузное, подчиняющееся законам Стефана-Больцмана, Ламберта и Кирхгофа. Поверхности в помещении будем рассматривать как серые тела со значениями относительного коэффициента излучения є «0,9 - 0,95. Воздушная среда помещения рассматривается как лучепрозрачныи и не рассеивающий тепловое излучение газ.

Таким образом, величина ссл зависит от приведённой степени черноты и температур поверхностей, участвующих в лучистом теплообмене. Так как значения этих параметров в помещениях могут быть различными в зависимости от излучательной способности внутренних поверхностей ограждений, их термического сопротивления и температуры наружного воздуха, то получается, что а„Ф const.

Расчёт коэффициента облучённости ф\.2 является самым сложным при расчете лучистого теплообмена в помещении, т.к. он зависят от геометрических размеров поверхностей и их расположении друг относительно друга. Физический смысл этого коэффициента: отношение лучистого потока, падающего с поверхности 1 на поверхность 2, ко всему потоку, излучаемому поверхностью 1. На рис 1.3. и 1.4. приведены лишь частные случаи расположения поверхностей в помещении. В основном, отдельные части ограждающих конструкций, имеющих в среднем одинаковую температуру (например окна), располагаются так, что их грани не совпадают друг с другом. Поэтому в данном случае целесообразно воспользоваться формулами полученные Костиным В.И. [65], которые позволяют рассчитывать коэффициенты облучённости для поверхностей, сдвинутых друг относительно друга.

Формулы (1.18-1.21) были использованы для составления общей математической модели расчёта тепловой обстановки и потерь тепла в помещениях, оборудованных системой напольного отопления. 1.3. Исследование конвективного теплообмена

Несмотря на то, что лучистая составляющая теплообмена в помещениях, оборудованных напольной системой отопления, является больше, чем при конвективном отоплении, большая часть теплоты передаётся от поверхности пола в помещение конвекцией. Поэтому, исследование конвективного теплообмена в таких помещениях является важной частью данной работы.

Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом ак, который является сложной функцией различных величин [35, 52, 81]: формы Ф, размеров 1ь 12, ..., температуры поверхности тв, скорости воздуха w, его температуры tB, физических свойств воздуха: коэффициента теплопроводности - X, удельной теплоёмкости — ср, плотности - р, коэффициента вязкости — її и ряда других факторов.

С помощью теории подобия, физические величины объединяются в безразмерные комплексы, называемые числами или критериями подобия. Анализ системы дифференциальных уравнений для свободной конвекции (теплопроводности, движения, неразрывности) [31, 34, 35, 57, 58, 59] позволяет получить следующее уравнение подобия, описывающее теплообмен при свободной конвекции [81, 82] a L где Nu = —-— - критерий Нуссельта, характеризующий связь между интен л сивностью теплоотдачи и температурным полем в пограничном слое потока; Gr = gfiAt - Y - критерий Грасгофа, характеризующий относительную эффективность подъёмной силы, вызывающей свободноконвективное движение среды, обусловленного различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока; у Рг = — - критерий Прандтля, характеризующий физические параметры среды; а Ra = Рг Gr - критерий Релея; а, п - коэффициенты, зависящие от характера движения среды. Полученные безразмерные комплексы Nu, Gr, Рг можно рассматривать как новые переменные, учитывающие все величины, которые влияют на процесс свободной конвекции.

Исследование конвективного теплообмена

Несмотря на то, что лучистая составляющая теплообмена в помещениях, оборудованных напольной системой отопления, является больше, чем при конвективном отоплении, большая часть теплоты передаётся от поверхности пола в помещение конвекцией. Поэтому, исследование конвективного теплообмена в таких помещениях является важной частью данной работы.

Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом ак, который является сложной функцией различных величин [35, 52, 81]: формы Ф, размеров 1ь 12, ..., температуры поверхности тв, скорости воздуха w, его температуры tB, физических свойств воздуха: коэффициента теплопроводности - X, удельной теплоёмкости — ср, плотности - р, коэффициента вязкости — її и ряда других факторов.

С помощью теории подобия, физические величины объединяются в безразмерные комплексы, называемые числами или критериями подобия. Анализ системы дифференциальных уравнений для свободной конвекции (теплопроводности, движения, неразрывности) [31, 34, 35, 57, 58, 59] позволяет получить следующее уравнение подобия, описывающее теплообмен при свободной конвекции [81, 82].

Полученные безразмерные комплексы Nu, Gr, Рг можно рассматривать как новые переменные, учитывающие все величины, которые влияют на процесс свободной конвекции.

В помещениях средние коэффициенты конвективного теплообмена на вертикальных ограждениях можно вычислить [67, 126], исходя из критериального уравнения Nu =0,135 (Gr-Рг)1/3, (1.24) полученного [81] обобщением экспериментальных исследований конвективного теплообмена шаров, вертикальных труб, и плит с неограниченными объёмами различных газов и жидкостей в условиях турбулентного режима при числах Ra = 2-107-1013. Решение (1.24) относительно коэффициента конвективного теплообмена, когда температура воздуха tB = 20С, даёт формулу [11], удобную для ведения практических расчётов ак=1,66\ІАІ, (1.25) где At = te - тв, температурный перепад между температурами воздуха в помещении и внутренней поверхностью ограждающей конструкции, С. Шкловером [126], а также Граффитсом и Дэвисом [39, 76] экспериментально установлены численные коэффициенты, полученные на пластинах в условиях свободной конвекции, которые можно использовать в формуле (1.25) для получения значения сск при горизонтальном расположении поверхностей в помещении [11] (табл. 1.1).

Так как приведённые данные коэффициентов конвективного теплообмена на внутренних поверхностях помещений экспериментально получены в неограниченном объёме среды, то целесообразно рассмотреть экспериментальные зависимости, полученные при различных экспериментах в замкнутом объёме. Число Релея при теплообмене на внутренних поверхностях наружных ограждений конструкций жилых помещений может колебаться в пределах Ra = 107-1010. Результаты некоторых экспериментальных исследований конвективного теплообмена в небольших объёмах [25, 77] были обработаны с использованием понятия эквивалентного коэффициента теплопроводности, которое введено [16] при расчётах теплопередачи через газовые и жидкостные прослойки. Мурахвер и Хасьянов [86] рассмотрели теплоотдачу плоской вертикаль ной поверхности, являющейся перегородкой между двумя одинаковыми кубами с размерами граней 1 м. Полученную эмпирически формулу ак = 5,5 + 0,03 \At, (1.26) они рекомендуют для расчёта теплоотдачи плоской вертикальной поверхности в замкнутом объёме.

Исследования теплообмена стеновых ограждений высотой 3 м проведены [119] в холодильной климатической камере, позволяющей поддерживать относительно постоянный температурно-влажностный режим в обеих температурных зонах: положительной и отрицательной. При А/ =4С получено значение ак = 2,9 Вт/м -С что, по мнению автора, можно применять при температурных перепадах до 7 С.

Исследования, проведённые [114] в камере размером 1,66x0,87x1,63 м показали, что когда охлаждающая панель занимает полностью одну грань высотой 1,63 м, коэффициент конвективного теплообмена описывается уравнением aK = 2,l2(tee)0 33. (1.27) Авторы [114] также приводят результаты натурных исследований в летних условиях на охлаждающей панели потолка размером 1,8x3,5 м. Панель примыкала к наружной стене помещения, имеющего размеры 4,5x4,9x2,85 м. Получено, что aK = 2,90(teef \ (1.28) Специалистами американского инженерно-технического общества по отоплению и кондиционированию воздуха было проведено исследование конвективного теплообмена на поверхностях помещения [62] при нагреве пола, а также потолка. Все ненагретые поверхности имели одинаковую температуру. Подача или инфильтрация воздуха исключалась. При нагреве пола получены следующие результаты: на полу: Nu = 0,33-(GrPr)0 31, (1.29) на стенах: Nu = 0,22-(GrPr)0 32, (1.30) на потолке: Nu = 0,68-(GrPr)0 28, (1.31) При нагреве потолка выведены следующие критериальные уравнения для определения коэффициента конвективного теплообмена: на потолке: Nu = 0,071-(GrPr)0 25, (1.32) на полу: Nu = 3,ll-(GrPr)0 05. (1.33) На кафедре отопления и вентиляции МИСИ [11, 41] была проделана серия экспериментов в модели помещения с целью выявления особенностей конвективного теплообмена на вертикальных нагретых поверхностях, различно размещённых в замкнутой камере размером 1,8x2,25x1,35 м. Установлено, что в ограниченном пространстве помещения происходит общая интенсификация процесса обтекания поверхности воздухом. Ламинарное течение наблюдается до критического значения RaKp=l,7-108. При этом критериальные уравнения для определения значения а имеют следующий вид

В турбулентной области локальный коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения, что отражено в полученном критериальном уравнении Nux = 0,02-(Grx-Pr)0 416, (1.36) В верхней зоне, под потолком, отмечено наличие области торможения с высотой 1450 h АЧ, =1,35- (1.37) [Grh Рг) где Ahjop - высота зоны торможения, м; h - высота помещения, м. Эксперименты показали, что в пределах зоны торможения число Nux остаётся постоянным и равным значению на верхней границе турбулентной зоны. Для перегородочной панели при высоте помещения от 2,5 до 4,2 м средние значения коэффициента конвективного теплообмена, когда tB = 20С, рекомендуется определять по формуле [11] ак = 1,45Д/-32+(М,14\ (1.38)

В простейшем случае для отдельно расположенной тонкой панели с симметрично заделанными греющими трубами допустимо предположение о линейном (одномерном) распространении тепловых потоков от труб к середине расстояния между ними (s/2). При этом тонкой считается бетонная панель, для которой число Био не превышает 0,3 [14, 83] т.е.

Исследование градиента температуры воздуха по высоте помещения

Как отмечалось ранее в разделе 1.1., тепловой режим помещений, оборудованных напольным водяным панельно-лучистым отоплением, имеет ряд особенностей по сравнению с конвективным отоплением. Одно из особенностей — это неординарное распределение температуры воздуха по высоте помещения.

В помещениях, с традиционными нагревательными приборами, отдающими теплоту конвекцией, имеет место явно выраженный положительный гра-диет температуры воздуха по высоте помещения. В помещениях с напольным отоплением — обратная картина: температура воздуха по высоте помещения понижается.

В нормативных документах отсутствуют указания об отмеченном явлении. Это приводит к завышению мощности системы отопления, появлению дискомфортных условий в помещении и повышенному расходу теплоты на отопление.

Поэтому, одной из задач данной работы является исследование факторов, влияющих на распределение температуры воздуха по высоте помещения, основанное на результатах математического моделирования и результатах экспериментов, проведённых на действующих объектах, оборудованных напольным отоплением.

Температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций в помещении находятся в непосредственной зависимости друг от друга, т.к. между ними происходит теплообмен излучением, а также теплообмен конвекцией ме жду ограждающими поверхностями и внутренним воздухом. Поэтому, для определения температур внутренних поверхностей решалось уравнение теплового баланса в помещении [11,112] где a n, a — соответственно средние коэффициенты конвективного теплообмена на поверхности пола и j-ro ограждения (индекс j относится только к наружным ограждающим конструкциям, а также к внутренним, если они разделяют помещения где температура воздуха отличается на 5 С и более); п, TBJ соответственно температуры поверхности пола и внутренней поверхности j-ro ограждения, С; t„ — расчётная температура воздуха в помещении; Т„, Тв , TBj — соответственно, температуры поверхности, і-ой поверхности (индекс і относится ко всем ограждающим конструкциям, а также и полу, внутренней поверхности j-ro ограждения, К; Бы» Щ - соответственно приведённые степени черноты поверхности пола и І-ОЙ поверхности, і-ой и j-ой поверхностей; ФП-І» Фі-j — соответственно коэффициенты облучённости і-ой поверхности с поверхности пола и поверхности j-ro ограждения с поверхности і-го; Fn, Fj - соответственно площади поверхности пола, и j-ro ограждения, м2. Кроме этого, для каждой наружной ограждающей конструкции решалось уравнение следующего вида, учитьюающего тепловой баланс их внутренних поверхностей xKj (тв ttJ) + 2 J-\ Co Pj-X T Л 100 T 1 (2.25) где R 0 - приведённое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции без учёта коэффициента теплоотдачи внутренней поверхности, м2-С/Вт Ro = RK + —» (2.26) RK — термическое сопротивление ограждающей конструкции, м -С/Вт Xі (2.27) где 5 — толщина слоя, м; X — расчётный коэффициент теплопроводности материала слоя, принимаемый с учётом влажности при соответствующих условиях эксплуатации, Вт/(м -С). Для решения данной задачи были приняты следующие допущения: 1) физические параметры среды являются постоянными величинами; 2) процесс переноса теплоты считается стационарным; 3) температуры ограждающих конструкций считаются постоянными в пределах граничных условий. Коэффициент температуропроводности а (м2/с) вычислялся по следующей формуле а = ср (2.28) Значения коэффициентов были приняты следующие [109]: где X - коэффициент теплопроводности воздуха, Х=2,58 Вт/м; с - теплоёмкость воздуха, с=1000 Дж/(кг-К); р — плотность воздуха, р=1,166 кг/м .

Соответственноа=2Д-10 м/с. В уравнения (2.24) и (2.25) входит коэффициент конвективного теплообмена на поверхности пола. Этот коэффициент принимался из критериальной зависимости, полученной экспериментально (2.12). Коэффициенты конвективного теплообмена на других внутренних поверхностях помещения принимались из справочной литературы [И, 12].

Специфика теплообмена в помещении, оборудованном напольной системой отопления, будет более объективно учтена при определении теплопотерь, если совместить математическую модель распределения внутреннего воздуха в помещении (2.16-2.20) и систему уравнений (2.24) и (2.25), описывающих тепловой баланс внутренних огражденний помещения.

Данная математическая модель позволяет рассчитать распределение температуры внутреннего воздуха по высоте помещения любых размеров, оборудованных системой напольного водяного панельно-лучистого отопления. Количество наружных стен и окон можно учитывать, изменяя соответствующие температуры поверхностей и граничные условия. С учетом градиента температуры внутреннего воздуха можно найти потери тепла помещения более точно по зонам по высоте помещения (раздел 2.3).

Исследование конвективного теплообмена на экспериментальной установке

Первой задачей исследований на экспериментальной установке было нахождение критериальных зависимостей вида (1.22) при различном шаге заложения труб s и сравнение интенсивности конвективного теплообмена на поверхности пола при напольном отоплении на действующем объекте с результатами, полученными в лаборатории.

Порядок проведения экспериментов и расчетов был аналогичен исследованиям на действующем объекте (раздел 2.1). На рис. 3.11. приведена схема установки с габаритными размерами и с обозначениями мест измерения температур и тепловых потоков.

Приведённая степень черноты "пола" экспериментальной установки равна є = 0,91 фтгукатурка), для "стен" из пенопласта є = 0,94. Совместная приведённая степень черноты для поверхностей вычислялась по формуле (1.3).

Определяющий размер для "пола" экспериментальной установки равен наименьшему размеру в плане. В данном случае длина и ширина установки равны 1,0 м. Следовательно - 1Q= 1,0 М. Определяющая температура to определялась по формуле (2.11). 1000

Условные обозначения: 1 - "пол" установки; 2,3,4,5 - "стены" установки из пенопласта; 6 — "потолок" установки; 7 - места измерения температур; 8 — места измерения температур и тепловых потоков

В результате проведения экспериментов были получены 10 коэффициентов конвективного теплообмена ак для поверхности "пола" установки при шаге укладки пластиковых труб: s = 100 мм, s = 200 мм и s = 300 мм, при различных температурах внутреннего воздуха в экспериментальной установке — tB и поверхности "пола" - тп. Из рисунка 3.15 видно, что с увеличением шага заложения труб s интенсивность конвективного теплообмена возрастает. Это связано, как отмечалось ранее в разделе 2.1, с увеличением турбулизации пограничных теплового и динамического слоев, приводящее к интенсификации конвективного теплообмена, а это связано, в свою очередь, с изменением распределения температуры на поверхности пола с увеличением шага укладки труб.

Целью данной работы не является определение оптимальных коэффициентов а» но, очевидно, что при дальнейшем увеличении шага заложения труб s, с какого-то момента интенсивность конвективного теплообмена будет уменьшаться. Это будет связано с тем, что влияние температурного поля одной трубы на температурное поле другой будет уменьшаться, и распределение температуры на поверхности пола будет приближаться к ситуации отдельно взятой трубы.

Нахождение этих критериальных зависимостей было необходимо для более корректной постановки граничных условий при математическом моделировании распределения температурного поля в массиве установки (раздел 3.3).

При проектировании системы напольного отопления необходимо пользоваться критериальным уравнением, полученным на основании экспериментов на действующем объекте (раздел 2.1). На рис. 3.16. приведены сравнительные графики полученные, при решении критериальных зависимостей (3.2.-3.4) для помещения, описанного в разделе 2.1, а также график, построенный при решении критериальной зависимости (2.12), полученной при экспериментах на действующем объекте. Также приводится график, полученный для однородно нагретой пластины в неограниченном объёме среды.

Из данного рисунка видно, что коэффициент конвективного теплообмена для поверхности напольной системы отопления, полученный экспериментально на действующем объекте, является выше, чем полученные в лабораторных условиях. Это связано с наличием охлаждающих поверхностей в помещении.

Температура воздуха t„ в экспериментальной установке принималась равной значению экспериментальных данных. На границе "поверхность плиты воздух" задавалось граничное условие 3-го рода. Общий коэффициент теплоотдачи си вычислялся как сумма ак и ал. Коэффициент конвективной теплоотдачи ак вычислялся по формулам, полученным из критериальных зависимостей (3.2-3.4), соответственно, для разного шага укладки труб s. Коэффициент теплоотдачи излучением ал вычислялся по формуле (1.12). На границе "теплоизоляция — предварительная цементная стяжка" задавалось граничное условие 1-го рода: значения температуры, полученные экспериментально.

На границах расчётной области х = 0их = Ш принималось условие теплоизоляции (последнее уравнение системы граничных условий (3.10)).

На границе "пластиковая труба — теплоноситель" задавалось граничное условие 3-го рода. Температура теплоносителя принималась как полусумма начальной и конечной температур, полученных экспериментально. Коэффициент теплоотдачи аг вычислялся из приведённых в литературе по теплопередаче критериальных уравнений [45, 74, 81, 82], описывающих теплоотдачу от теплоносителя к стенке при вынужденной конвекции в горизонтальных трубах.

На рис. 3.18, 3.20, 3.22 приведены температурные поля в массиве экспериментальной установки, полученные по результатам математического моделирования, соответственно, для шага заложения трубы =100 мм, s = 200 мм и s = 300 мм.

На рис. 3.19, 3.21, 3.23 приведены графики распределения температур по трём горизонталям: 1 — h = 0, т.е поверхность плиты; 2 - h = 0,150- мм; 3 - h = 0,300 т.е линия заложения труб. Отдельными точками нанесены значения экспериментальных данных.