книги из ГПНТБ / Нестеров Ю.Ф. Теория и расчет судовой тепловой изоляции
.pdf
Светлой памяти
моего учителя |
профессора |
Владимира Людвиговича |
Сурвилло |
посвящаю |
эту книгу |
И З Д А Т Е Л Ь С Т ВО «СУДОСТРОЕНИЕ» Л Е Н И Н Г Р А Д • 1973
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ е з д о в о й ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Ю.Ф.НЕСТЕРОВ
УДК 629.12:662.99.001.24
Н56
Книга посвящена теории, расчетам и проектированию тепловой изоляции корпуса на судах любого назначения. В ней обобщены и си стематизированы теоретические и экспериментальные исследования последних лет. Изложены новые методы расчета, разработанные авто ром. Приведено много примеров.
В книге рассмотрены следующие вопросы: применение основных положений теории теплообмена для расчета тепловой изоляции кор пуса судна; выбор изоляционных материалов и конструкций; приме нение метода электротепловой аналогии для исследования теплопро водности судовой изоляции; расчет сложных изоляционных конструк ций; диаграммы для расчета изоляции, полученные методом аналогии; расчеты по зонам тепловых потоков; учет солнечного облучения; приток тепла по периметрам промежуточных палуб и переборок; теплопередача через пиллерсы; определение потерь холода и тепла; технико-экономи ческие расчеты тепловой изоляции судов.
Книга может быть использована при проектировании рефрижера торных и рыбопромысловых судов, а также систем отопления и конди ционирования воздуха на пассажирских, грузовых и других судах. Она предназначена для инженерно-технических и научных работников, а также для студентов и других лиц, занимающихся тепловой изоляцией
корпуса |
судна. |
|
|
|
Илл. |
112. Табл. 19. Литерат. 122 |
назв. |
|
|
|
Рецензенты: В. В. |
Самойлихин, |
А. Г. Ткачев |
|
|
Г*с.публи-чся |
|
I |
|
|
бИбЛКО |
v • |
•4 |
\ |
|
Э К З Е М П Л Я Р |
|
|
|
|
ЧИТАЛЬНОГО З А Л А |
|
||
3185—053 н 048 (01) —73 29—72
£ J Издательство «Судостроение» 1973 г.
ОСНОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
а — толщина |
внутренней деревянной |
зашивки |
изоляции, |
м |
|
|
|||||||||
b — ширина |
|
полки |
набора, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В — длина периодически |
повторяющегося |
участка |
изоляционной конструк |
||||||||||||
ции или длина |
ее вдоль набора, м; относительная ширина полки |
набора |
|||||||||||||
с — ширина |
деревянного |
бруска |
обрешетника, |
м |
|
|
|
|
|
||||||
d — высота |
деревянного |
бруска |
обрешетника, |
м |
|
|
|
|
|
||||||
е — толщина |
наружной |
стальной |
обшивки корпуса |
судна, |
м |
|
|
||||||||
f — толщина |
стенки профиля |
набора, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
F — поверхность, площадь стенки, |
зоны и т. п., м2; |
|
относительная |
толщина |
|||||||||||
стенки |
набора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
g — высота |
участка |
бруска, прилегающего к стенке |
набора, м |
|
|
||||||||||
h — высота |
набора, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н — половина |
высоты пиллерса, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
I — интенсивность |
солнечной |
радиации, |
ккалі м2-ч |
|
(втім2) |
|
|
||||||||
k — коэффициент теплопередачи, |
|
ккалім2 |
-ч°С |
(втім2 °С) |
|
|
|
||||||||
кл — линейный коэффициент теплопередачи, ккал/м-ч-°С |
(вт/м-°С) |
|
|||||||||||||
К — общий коэффициент теплопередачи через палубу или |
переборку, изо |
||||||||||||||
лированную с |
двух |
сторон, |
ккалім2 |
|
• ч-°С |
(втім2-°С) |
|
|
|
||||||
I — толщина |
изоляционного слоя, |
покрывающего |
|
полку |
набора, |
м |
|||||||||
L — половина ширины или длины палубы, половина ширины или |
|
высоты |
|||||||||||||
переборки, м; |
относительная |
толщина изоляции поверх полки набора |
|||||||||||||
от — толщина |
основной |
изоляции, |
покрывающей |
обшивку |
корпуса |
судна |
|||||||||
между элементами набора, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
М— относительная толщина основного изоляционного слоя между элемен тами набора
п — толщина изоляционного |
слоя, покрывающего кромку полки набора |
в обходных конструкциях, м |
|
N — относительная толщина |
изоляции сбоку от кромки полки |
р— толщина изоляционного слоя сбоку от стенки набора в обходных кон струкциях, м
Р — длина |
участка периметра |
промежуточной |
палубы |
или |
переборки, м |
||||||||
q — тепловой |
поток, |
отнесенный |
к |
единице |
разности |
температур, |
|||||||
ккал/ч-°С |
(вт/°С) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
qp — удельный тепловой поток, плотность теплового потока, ккалім2 - ч |
(втім2) |
||||||||||||
Q — тепловой |
поток, |
количество |
передаваемого |
тепла, |
ккал/ч |
(вот) |
|
||||||
г — радиус |
дуги окружности, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
R—термическое |
|
сопротивление, |
м2-ч-°С/ккал |
|
(м2-°С1 |
вт); |
ширина |
ри- |
|||||
банда, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s — ширина |
зоны, |
участка; шпация, |
расстояние |
|
между |
элементами набора |
|||||||
или расстояние, после которого конструкция периодически повто |
|||||||||||||
ряется, |
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S — относительная |
шпация или |
ширина |
участка |
и т. п. |
|
|
|||||||
t — температура, |
°С; толщина |
полки |
профиля |
набора, |
м |
|
|
||||||
Т — относительный перепад температур
х— длина полуоси эллипса, перпендикулярной к общему направлению теплового потока, м
у— длина полуоси эллипса, параллельной общему направлению теплового
потока, м |
|
|
|
|
|
а — коэффициент теплоотдачи, ккал/м2 |
-ч °С |
(вт/м2°С) |
|
||
(5 — поправочный |
коэффициент |
материала, кгс/м3 |
(н/м3) |
||
Y — объемный |
вес |
теплоизоляционного |
|||
б — толщина |
слоя, |
длина линии тока, |
м; относительная |
погрешность |
|
А — разность, |
приращение |
|
ккал/м2-ч-°С |
(втім2, °С) |
|
Дй — добавочный коэффициент теплопередачи, |
|||||
Д^л — добавочный линейный коэффициент теплопередачи, ккал/м -ч-°С(вт/м °С)
ДФ — добавочный |
критерий |
формы |
ДДФ — поправочный |
критерий |
формы |
є — коэффициент |
поглощения солнечных лучей судовой поверхностью |
|
О — температура, |
°С |
|
в— температура участка промежуточной палубы (или переборки), не име ющего теплового контакта ни с наружными стальными поверхностями
корпуса |
судна, |
ни с |
другими |
участками |
ее, °С |
|
||
х — сумма коэффициентов |
теплопередачи |
или |
теплоотдачи с двух |
сторон |
||||
промежуточной |
стенки, ккал/м2-ч-°С |
(вт/м2-°С) |
|
|||||
К — коэффициент теплопроводности, ккал/м-ч-°С |
(вт/м-°С) |
|
||||||
А — относительный |
коэффициент |
теплопроводности |
|
|
||||
сг — вспомогательный коэффициент для вычисления |
четверти длины |
эллипса |
||||||
Ф — критерий |
формы |
|
|
|
|
|
|
|
Индексы
б — брусок обрешетника; полособульб
в— внутренний
в.п — воздушная прослойка
д— дерево; диаграмма
з— зашивка
и— изоляционный материал л — линейный
н— наружный
п— приведенный; полный; профиль набора; полоса; прототип
п.в — внутренняя поверхность
п. н — наружная поверхность
р— расчетный
с— сталь
ср — средний т — тавр; температурное поле
у— угольник
э— эквивалентный; электрическое поле
Индексы, отмечающие величины, относящиеся к:
полке набора — Ь
относительной ширине полки набора — В стенке набора — h
относительной толщине изоляции над полкой набора — L
относительной толщине основной изоляции между элементами набора — М относительной толщине изоляционного слоя у кромки полки набора — ./V обшивке — S
относительной шпации — S
плоской многослойной стенке, соответствующей заданной изоляционной кон струкции; к участку основной изоляции без набора — О
продольному набору или поперечному сечению — (')
|
|
В |
Советском |
Союзе непрерывно |
|||||||||
|
растет |
строительство |
рефрижератор |
||||||||||
ПРЕДИСЛОВИЕ |
ных, |
рыбопромысловых, |
пассажир |
||||||||||
ских, грузовых и других судов. |
|||||||||||||
|
|||||||||||||
|
Многие |
суда |
оборудуют |
системами |
|||||||||
|
кондиционирования |
воздуха. |
Стен |
||||||||||
|
ки рефрижераторных и жилых по |
||||||||||||
|
мещений |
изолируют. |
Толщина |
су |
|||||||||
|
довой изоляции определяет тепловую |
||||||||||||
|
нагрузку на холодильную, кондицио |
||||||||||||
|
нирующую |
и |
отопительную |
уста |
|||||||||
|
новки, грузовместимость или пасса- |
||||||||||||
|
жировместимость судна, расходы при |
||||||||||||
|
его |
строительстве |
|
и |
эксплуатации, |
||||||||
|
сохранность перевозимых грузов или |
||||||||||||
|
санитарно-гигиенические |
условия |
|||||||||||
|
в жилых помещениях. Стоимость изо |
||||||||||||
|
ляции и ее монтажа на крупных ре |
||||||||||||
|
фрижераторных судах составляет 5— |
||||||||||||
|
15% стоимости всего судна. Поэтому |
||||||||||||
|
правильный расчет судовой изоляции |
||||||||||||
|
приобретает |
|
решающее |
значение. |
|||||||||
|
Теория и практика тепловой изоля |
||||||||||||
|
ции составляют одну из важных проб |
||||||||||||
|
лем |
судостроения. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Теория |
судовой |
изоляции — это |
|||||||||
|
теория |
теплопередачи |
через |
корпус |
|||||||||
|
судна. В большинстве случаев расчет |
||||||||||||
|
тепловой изоляции сводится к опре |
||||||||||||
|
делению |
коэффициента |
теплопере |
||||||||||
|
дачи. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Судовое |
изолированное огражде |
|||||||||||
|
ние обычно представляет собой не |
||||||||||||
|
однородную стенку, так как ее про |
||||||||||||
|
резают |
металлический |
набор, дере |
||||||||||
|
вянный |
обрешетник, |
крепежные |
и |
|||||||||
|
другие детали. Задачи |
теплопередачи |
|||||||||||
|
для периодически неоднородной стен |
||||||||||||
|
ки |
являются |
трудноразрешимыми. |
||||||||||
|
|
Все современные способы |
расчета |
||||||||||
|
судовой изоляции прямо или косвен |
||||||||||||
|
но основаны на методе электротепло |
||||||||||||
|
вой аналогии (ЭТА). Метод ЭТА |
||||||||||||
|
позволяет решать две задачи: вы |
||||||||||||
|
числять |
коэффициент |
теплопередачи |
||||||||||
|
и определять |
расположение |
изотер |
||||||||||
|
мических линий |
и |
линий |
тепловых |
|||||||||
потоков. Совместно эти линии обра зуют ортогональную тепловую сетку,
которая дает картину строения полей температур и тепловых пото ков. Тепловыел сетки необходимо знать для разработки приближен ных методов расчета.
Для исследования теплопроводности судовых изоляционных кон струкций автором был также принят метод ЭТА. Исследования проводились в физической лаборатории Ленинградского института водного транспорта.
В настоящее время расчеты судовой изоляции развиваются в трех направлениях.
Первое направление образуют расчеты, основанные на вычислении коэффициента теплопередачи непосредственно методом ЭТА. Обычно результаты вычислений обрабатывают в виде диаграмм, графиков, номограмм, таблиц и т. д. [89, 94, 117, 120, 42, 61, 46]. Второе на правление составляют приближенные зональные способы расчета, базирующиеся в большинстве случаев на изучении строения темпе ратурных полей тем же методом ЭТА [65, 114, 113, 101, 21, 62, 17, 60, 94, 48—54]. В третье направление входят математические методы расчета [119, 3, 25, 21, 35, 84, 94, 122, 55—59, 72]. Сейчас методы
математической физики обычно используют для определения тепло |
|
вых потоков, |
проходящих через периметры промежуточных палуб |
и переборок, |
а также через пиллерсы, мачты и т. д. |
Данная книга |
обобщает |
указанные |
расчетные |
направления. |
В ней рассмотрены следующие вопросы: |
|
|
||
выбор изоляционных материалов и конструкций; |
|
|||
определение коэффициента |
теплопередачи; |
|
||
теплопередача |
через края |
промежуточных палуб |
и переборок, |
|
атакже через концы пиллерсов и т. п.; определение наивыгоднейшей толщины изоляции.
В книгу включены только наиболее общие, простые и точные методы. Ошибочные расчеты [21, 94], не связанные с представлением о строении температурных полей, в ней не изложены. Содержание книги в значительной степени основано на теоретических и экспери ментальных исследованиях, проведенных автором. Методы расчетов, опубликованные ранее в серии статей [46—62], были существенно переработаны и дополнены. В книге даны два решения задач тепло передачи. Первым решением являются диаграммы, полученные на основании вычислений, проведенных методом ЭТА; вторым — при ближенный расчет по зонам тепловых потоков, разработанный на основании тепловых сеток, также полученных методом ЭТА. Диа граммы, предназначенные для практических расчетов изоляции, являются обобщенным и систематизированным решением задач теплопроводности.
Технико-экономические |
расчеты судовой изоляции, приведенные |
|
в книге [47], разработаны |
в соответствии |
с единой типовой методи |
кой, рекомендуемой Академией наук и |
Госпланом СССР. |
|
Книга содержит много новых оригинальных решений разнообраз ных задач теплопередачи. Известные способы расчетов изложены в пе реработанном виде. Все предлагаемые методы можно применять для расчета изоляции как охлаждаемых, так и отапливаемых помещений.
ГЛАВА 1
ПРИМЕНЕНИЕ
ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ РАСЧЕТА
СУДОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
§ 1
Тепловые потоки
Тепловой поток или количество тепла, проходящее через стенку при установившемся процессе,
Q = k (4 — 4) Р ккаліч, |
(1) |
где k — коэффициент теплопередачи; tn — средняя температура среды, расположенной со стороны наружной поверхности стенки; tB — температу ра воздуха внутри судового помеще ния; F — средняя площадь всей стенки.
Площадь стенки F следует вы числять как среднее арифметическое между наружной FH и внутренней Fv поверхностями стенки (в свету):
F = ~2~ (F» + Fb) м \ |
(2) |
Удельный тепловой поток или плотность теплового потока
Q |
k (/„ — tB) ккал/м2 • ч. (3) |
Введем понятие о тепловом по токе, отнесенном к разности темпе ратур: q = Q/(t„ — 4). Из уравне ния (1) следует, что
q |
= kF |
= kss' |
ккаліч-°С, |
(4) |
где s |
и s' — ширина и длина |
стенки |
||
(или |
зоны). |
|
q используется |
|
Тепловой |
поток |
|||
в зональных методах расчета изо ляции (см. гл. V I ) .
§ 2
Передача тепла через плоскую многослойную стенку
Основная изоляция, покрываю щая обшивку корпуса судна, пред ставляет собой плоскую многослой ную, стенку (рис. 1).