§ 27. Меры теплозащиты

Для борьбы с избытками тепла приходится затрачивать значитель­ные материальные средства, что определяет обязательность таких меро­приятий по уменьшению поступлений тепла в помещения, как теплоизо­ляция производственного оборудования, экранирование источников теплового излучения, защита от солнечной радиации и др.

Теплоизоляция основного технологического оборудования для боль­шинства промышленных предприятий должна обеспечивать температу­ру на его поверхности не выше 45° С.

Тепловое излучение является профессиональным вредным выделе­нием в горячих цехах. В условиях облучения снижается работоспособ­ность (до 20%), увеличивается утомляемость, возрастает травматизм (до 30%). В связи с этим борьба с тепловым излучением имеет не только экономическое, но и оздоровительное социальное значение. Для защиты от теплового излучения применяют теплоотводящие, отражающие, про­зрачные и непрозрачные экраны, цепные, сеточные и вододисперсные за­весы, экраны с водяной пленкой, экраны из специальных отражательных стекол (прозрачных в сторону наблюдения), экраны-ширмы и т. д.

Для защиты от солнечной радиации следует прежде всего исйоль- зовать конструктивно-планировочные решения и организованное провет­ривание. Необходимо применять средства тепло- и солнцезащиты в виде теплоустойчивых, вентилируемых, орошаемых водой ограждении, внеш­них, межстекольных и внутренних устройств, затеняющих окна, солнце­защитных стекол (отражающих или поглощающих тепловое излучение, но прозрачных для видимого света) и т. д.

Одна из основных задач проектирования состоит в выявлении воз­можного теплового режима здания при различных мерах его обеспечения вентиляцией и в выборе экономически целесообразного варианта, под­держивающего заданные внутренние условия.

§ 28. Общая последовательность полного расчета

ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ

Для полного и точного расчета тепловых нагрузок, режима регули­рования систем кондиционирования, обеспеченности заданных парамет­ров микроклимата для жилых и общественных зданий с повышенным уровнем требований к комфортности внутренних условий и для промыш­ленных зданий с современными технологическими процессами, предъяв­ляющими высокие требования к постоянству метеорологических пара­метров, необходим анализ нестационарного теплового режима помеще­ния с учетом его теплоустойчивости. Для этого рассматривают все вли­яющие факторы и процессы теплообмена в помещении.

Формирование теплового режима может быть представлено в виде взаимодействия возмущающих и регулирующих факторов. Возмущаю­щие факторы — это теплопоступления через наружные ограждения, а также технологические и бытовые теплопоступления. Противодействую­щие им регулируюш,ие факторы — это тепловое воздействие систем с-топления, вентиляции и кондиционирования воздуха. И те и другие фак­торы могут быть постоянными или переменными во времени.

В результате расчетов установлено, что если переменные тепло­поступления составляют менее 25% общих возмущающих тепловых воз­действий, то можно ограничить расчет рассмотрением стационарного теплового баланса помещения [формула, {V.1)]. Такие соотношения ти­пичны для закрытых помещений с постоянными технологическими тепло- поступлениями.

В зданиях с легкими конструкциями и большими остекленными по- § 28. Общая последовательность полного расчета теплового режима помещения 55

верхностями переменные теплопоступления через ограждения, как пра­вило, превышают 25%. Если переменная составляющая находится в пре­делах 25—60% общих теплопоступлений и допускается коэффициент обеспеченности внутренних условий меньше 0,9, то можно ограничиться приближенным расчетом нестационарного теплового режима (приве­дением всех изменяющихся теплопоступлений к гармоническим без раз­деления их на конвективные и лучистые). Если эта составляющая пре­вышает 60% или коэффициент обеспеченности должен быть не менее 0,9, необходим точный расчет с учетом гармонических и прерывистых теплопоступлений и с разделением их на лучистый и конвективный теп­лообмен. Приведенные градации позволяют выполнить расчет произ­водительности систем кондиционирования микроклимата с ошибкой не более 15%. Методы приближенного и точного расчета теплоустойчиво­сти вентилируемого помещения рассматриваются в курсе «Строительная теплофизика».

Анализ теплового режима помещения и обслуживающих его венти­ляционных систем необходим для решения трех основных задач.

1. Расчет естественного (пассивного) теплового режима помещения, в результате которого необходимо установить возможность использова­ния для борьбы с перегревом и обеспечения допустимых внутренних условий простых и сравнительно дешевых конструктивно-планировочных решений и общеобменной вентиляции. Искомыми в этом расчете являют­ся различные меры защиты от перегрева с их количественной оценкой и производительность общеобменной вентиляции.

2. Выявление необходимости перехода к устройству более дорогой регулируемой системы кондиционирования. Решение этой задачи явля­ется следствием рассмотрения первой задачи, когда требуемые внутрен­ние условия не могут быть обеспечены простыми и дешевыми средствами.

3. Расчет регулируемого (активного) теплового режима помещения с применением системы искусственного охлаждения, обеспечивающей поддержание оптимальных внутренних условий. Искомыми являются производительность, холодильная мощность и режим регулирования си­стемы кондиционирования.

Последовательность расчета теплового режима помещения и обслу­живающих его систем может быть следующей: 1) выбор расчетных внут­ренних условий и их обеспеченности; 2) определение расчетных характе­ристик наружного климата с учетом коэффициента обеспеченности; 3) определение возмущающих воздействий: теплопоступлений через

наружные ограждения, от технологического оборудования и др.; 4) рас­чет теплоустойчивости помещения; 5) определение регулирующих воз­действий: производительности, тепловой и холодильной мощности, режи­ма регулирования систем вентиляции или кондиционирования.

Пример V.I. Определить теплопоступления от кузнечной печи с боковыми стен­ками размером 2,128X2 и 1,728X2 м, а также интенсивность облучения человека, на­ходящегося на расстоянии 1 или 2 м от открытой дверцы размером 0,48X0,7 м напро­тив ее центра.

Исходные данные:

а) характеристика стенок, пода и свода — шамотный кирпич толщиной б_т = = 0,232 м и теплопроводностью Х_ш = 0,838-fO,000582 / Вт/(м-К) [0,72-f-0,0005 /

ккал/(ч-м-°С)], трепельный кирпич толщиной 6_Т=0,232 м и теплопроводностью Я_т = = 0,198 Вт/(м-К) [0,17 ккал/(ч-м-°С)];

б) характеристика дверцы — шамотный кирпич толщиной б_ш = 0,115 м, чугунная обойма толщиной б_ч = 0,01 ми теплопроводностью ^_ч = 39,6 Вт/(м-К);

в) температура в печи t_ne4— 1200° С;

г) температура воздуха в помещении t_B = 20 °С;

д) дверца открывается в течение 1 ч на 15 мин;

е) степень черноты абсолютно черного тела Со = 5,78 Вт/(м²-К.⁴) [4,96 ккал/(чХ Хм²-К⁴)].

Решение (дано только в системе СИ)

А Определение теплопоступлений от стенок печа

1. Принимаем температуру на внутренней поверхности печи на 5° С ниже темпе­ратуры в печи:

/_в.„ = *печ - 5 = 1200 — 5 = 1195° С.

2. Задаемся температурой на внешней поверхности печи /_Пов=150°С.

3 По рис V.1 коэффициент теплообмена на внешней поверхности печи а_Пов = = 17,5 Вт/(м²-К).

4. Определяем температуру /х на стыке между шамотным и трепельным кирпичом^

А>ш . . Я_т

“7 (/в п — ^х) — ~7 (^1 — /пов)*

о_ш о_т

Принимаем ориентировочно Я_ш=1,5 Вт/(м-К), тогда

5. (1195 — /_х) = 0,198 (*!— 150),

откуда

1,5-1195 + 0,198-150 U = — —¹¹ = 1070° С.

¹ 1,5 + 0,198

4. Определяем среднюю температуру шамотного кирпича:

. h.n + ij 1195+1070 £ср — ₂ — ₂

б Определяем теплопроводность шамотного кирпича:

Я_ш = 0,838 + 0,000582/ = 0,838 + 0,000582-1130 = 1,49 Вт/(м- К).

Эта величина достаточно близка к принятой.

7. Определяем коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности печи к на­ружной:

^{Кст =} ~8^ 6_Т ⁼ 0,232 _t 0,232 ⁼ 0,152 + 1,172 ^{= 0,755 Bt}/(**²-К).

Яш ⁺ Я* 1,5 ⁺ 0,198

7. Определяем количество тепла, проходящего через 1 м² стенки при заданных температурах U п и /пов:

9ст ⁼ /Сет (/в п — /пов) ⁼ 0,755 (1195 150) = 789 Вт/м².

7. Определяем количество тепла, отдаваемого 1 м² поверхности стенки печи в помещение:

Qn = а_пов (/пов - /в) = 17,5 (150 - 20) = 2275 Вт/м².

7. Задаемся новым значением температуры на внешней поверхности печи, так как qcT^qn' /пов = 70°С.

8. По рис. V.1 находим коэффициент теплообмена на внешней поверхности печи: а_пов = 11,1 Вт/(м²-К).

9. Определяем температуру /1 на стыке между шамотным и трепельным кир­пичом.

1,5-1195 + 0,198-70 /, = —² = 1060° С.

1,5 + 0,198

Температура на стыке изменилась незначительно, поэтому оставляем прежнее Я_ш=1,5 Вт/(м-К). Тогда коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности к на­ружной остается прежним /Сст=0,755 Вт/(м²-К) \

7. Определяем количество тепла, проходящего через 1 м² стенки при /пов = 70° С.

<7ст = /Сет (/_в.п - /пов) = 0,755 (1195 - 70) = 849 Вт/м².

7. Определяем количество тепла, отдаваемого 1 м² поверхности стенки печи в по­мещение:

Qn — ctnoB (^пов ' ^в) — 1111 (70 — 20) = 555 Вт/м².

7. Проводим графическую интерполяцию (рис. V.5): ^_Ст=800 Вт/м²; + ₀в = 84^сС.

8. Определяем поверхность боковых стенок (за вычетом площади отверстия):

/Че:	№		...
	I

°70 808030100 110 120 130 Ы t_not°C

/^?_ст= (2,128*2+ 1,728-2)2 —0,48 0,7= 15,09 м².

2000

1500

1000

Рис. V.5. Графическое ин- f„*SSS терполирование (к при- 500

меру расчета)

7. Определяем теплопоступления от стенок печи:

Q_CT = q_aF„ --- 800-15,09 = 12 070 Вт.

Б. Определение теплопоступлений от свода печи

1. Задаемся температурой на внешней поверхности свода: /_Пов = 70°С.

2. Определяем коэффициент теплообмена а_ПОв по рис. V.1 для нагретых горизон­тальных поверхностей, обращенных вверх: а_Пов=12,3 Вт/(м²-К).

Определяем коэффициент теплопередачи свода от внутренней поверхности к на­ружной среде по формуле

(V.9):1

= 0,711 Вт/(м²-К).

0,152 + 1,172

12,3

12,3

0,232 0,232

1,5 ⁺ 0,198 4. Определяем t_nов:

1

^пов = 20 + (1195 - 20) = 88° С.

5. Определяем а_ПОв по рис. V.1: а_ПОв=14,4 Вт/(м²-К).

Определяем Ксп по формуле (V.9)

:Ксв =

1

0,152+ 1,172 +

14,4

= 0,718 Вт/(м²-К).

5. Определяем площадь свода:

F_cn = 2,128-1,728 = 3,67 м².

5. Определяем теплоотдачу свода по формуле (V.8):

Q_cn = 0,718 (1195 — 20) 3,67 = 3100 Вт.

В. Определение теплопоступлений от пода печи

1. Принимаем долю тепла, поступающего от пода в помещение, т = 0,6.

2. Фактор формы для прямоугольного пода / = 3,9.

3. Площадь пода

F_no„ = 2,128-1,728 = 3,67 м².

4. 16 м.

   Диаметр круга, равновеликого по площади поду:

_D=

У л У 3,1

45 Определяем эквивалентную теплопроводность кладки пода:

26 0,232 + 0,232

-«Пй+мя ⁼⁰-^{353 ВгЯ}“'^К)-

4. Определяем теплоотдачу пода печи по формуле (V.I0):

3 67

Qno_A = 0,6-3,9~— 0,353(1195 — 20) = 1640 Вт.

2,16

Г. Определение теплопоступлений от закрытой дверцы печи

1. Задаемся /_Пов = 230°С. По рис. V.1 а_ПОв = 24 Вт/(м²-К).

2 Определяем /С_дв по формуле (V.9):

~ 0,115 0,01 1 " '0,0752 + 0,000252 + 0,0424 ~ ⁸’^{48 Вт/}(^м ' Ю*

5. 39,6 - 24

3. Определяем /пов:

8. 48

/пов = 20 + - - -(1195 - 20) = 442° С. >

24

4 По рис. V.1 (Хпов = 39,8 Вт/(м²-К).

5. Определяем К_ЛВ по формуле (V9):

Кдв = * — = 9,94 Вт/(м²- К).

0,0752 + 0,000252+

6. Определяем /пов:

8. 94

/пов = 20 + (1195 - 20) = 313° С.

7. По рис. V.1 а_ПОв = 28,6 Вт/(м²-К).

8. Определяем /С_дв по формуле (V.9):

Я_дв = j =9,06 Вт/(м² -К).

0,0752 + 0,000252 + —

28,6

9. Определяем /_Пов:

/пов = 20 + (1195 - 20) = 392^е С.

28,6

10 По рис. V.1 а_ПОо = 34,9 Вт/(м²-К).

2. Определяем /(_дв по формуле (V.9):

К_лв = ¹ — =9,61 Вт/(м²- К).

0,0752 + 0,000252 + ----- у У

Это значение и принимаем за окончательное.

12 Определяем площадь дверцы:

f_AB = 0,48-0,7 = 0,336 м².

13. Определяем теплопоступления от закрытой дверцы печи при условии, что она бывает закрыта 45 мин в течение 1 ч:

45 45

«дв = /Сдв(/вп-/в)^дв-^- = 9,61 (1195-20)0,336—= 2840 Вт.

Д Определение теплопоступлений из открытого отверстия печи >

1. Определяем интенсивность теплового излучения из отверстия по формуле (V. 11):

/ 273+ 1200 \⁴

%тв = ⁵'⁷⁸ ( ^ ) = ^{272 000 Вт}/“ -

2. Определяем сротв, пользуясь рис. V.2:

h 464 _Л „ h 464

— = = 0,976; — = =0,67;

d 480 d 700

Фотв =0,66; Фотв = 0,73;

Фотв Фотв 0,66+0,73 фотв— 2 — 2 ’

3. Определяем интенсивность теплового излучения из отверстия в помещение:

?отв = Фотв Vb = 0.7-272000 = 191 000 Вт/м².

4. Определяем теплопоступление от отверстия печи, открываемого на 15 мин в те­чение каждого часа:

Ротв = <7отв F = 191 000-0,336 = 16 000 Вт.

Е. Определение общих теплопоступлений от печи в окружающую среду

Теплопоступления от стенок Q_CT=12 070 Вт

ВЕНТИЛЯЦИЯ 2

U—rfl' 16

„„..о, 22

'dt±. 45

«iii.-Wnfo. + Kp'U ^.Ж) 65

гх,v'-62> 89

*й + 0./.-0,/,-«:} (V|II1|) 104

*47 264

Ж. Определение интенсивности облучения рабочего, находящегося на расстоянии 1 или 2 м от открытой дверцы

1. Пользуясь рис. V.3, определяем коэффициент облученности ф_рм (площадь от­верстия F=0,336 м²):

для расстояния х = \ м, когда х/~УF— \(У0,336=1,72, фр._М1 = 0,07;

для расстояния х=2 м, когда х/У Р=2/У 0,336 = 3,45, ф_Р._М2=0,021.

2. Определяем наибольшую интенсивность теплового облучения рабочего, находя­щегося на расстоянии 1 м, по формуле (V.14):

<7_Р._М = 0,07-191 000-0,336 = 4490 Вт/м^а.

3. Определяем наибольшую интенсивность облучения рабочего, находящегося на расстоянии 2 м, по формуле (V.14):

_9р-м= 0,021-191 000-0,336= 1350 Вт/м^а.

Пример V.2. Определить полные теплопоступления от 5000 кг стали, поступаю­щей в цех в жидком состоянии с начальной температурой /_ш»ч = 1500°С и удаляемой из цеха в виде слитков с конечной температурой *_Кон = 500°С. Температура плавления стали t_nn = 1400° С.

Решение

1. По табл. V.3 определяем теплоту плавления стали: /_Пл = 96 кДж/кг, удельную теплоемкость стали в жидком состоянии: с_ж = 1,17 кДж/(кг-К) и в твердом состоянии: с_т — 0,73 кДж/ (кг • К).

2. Определяем полные тепловыделения по формуле (V.16):

Q_0CT = [1,17 (1500 — 1400) + 96 + 0,73 (1400 — 500)] 5000 = 4 350 000 кДж.

Пример V.3. Определить теплопоступления от остывающей бетонной плиты раз­мером 6X3X0.12 м за первый час остывания. Начальная температура бетонной плиты /нач=110°С. Плотность бетона р=2400 кг/м³. Температура помещения /_В = 20°С. Удельная теплоемкость бетона с=0,84-10³ Дж/(кг-К). Теплопроводность бетона Х— = 1,46 Вт/(м-К).

Решение

1. Определяем массу бетонной плиты объемом V=6 • 3 - ОД 2 = 2,16 м³:

G = Vp = 2,16-2400 = 5190 кг. '

2. Определяем по рис. V.1 коэффициент теплообмена на поверхности при темпера­туре /нач= 110° С: <Хпов=15 Вт/(м²-К). Определяем сопротивление теплопередаче по формуле (V.20):

# = — — 4- - = 0,00102 + 0,00175 = 0,00277 К/Вт,

2400-1,46-38,1б^а 15-38,16 ¹

где площадь внешней поверхности плиты

F = 6-3-2 +3-0,12-2 -}- 6 0,12-2 = 36 + 0,72+ 1,44 =38,16 м².

3. Определяем критерий Фурье по формуле (V.19) (где Дг = 3600 с):

³⁶⁰⁰

Fo = = 0,3.

0,84-10³-5190-0,00277

4. Определяем значение В по рис. V.4: В=0,71.

5. Определяем количество тепла, поступившего в помещение от бетонной плиты за первый час, по формуле (V.18):

Q' = 0,84-10³-5190 (110 — 20)0,71 = 278- Ю⁶ Дж = 278000 кДж.