Особенности свободной конвекции на поверхностях в помещении

В отличие от свободной конвекции явления конвективного теплообмена в ограниченном объеме помещения, вызванные также только естественными силами, будем называть естественной конвекцией.

В реальных условиях помещения возможно нарушение идеальной картины свободного конвективного теплообмена, вследствие воздействия таких факторов, как замкнутый и ограниченный объем, наличие нескольких холодных и нагретых теплообменивающихся поверхностей и пр.

Рассмотрение данных о тепловом режиме пограничного слоя, полученные экспериментально, показывает, что качественно и количественно картина естественного конвективного теплообмена на нагретой вертикальной поверхности в помещении отличается от рассмотренной для свободной поверхности (рис.).

Можно выделить три характерные области конвективного теплообмена: развитая область ламинарного режима теплообмена непосредственно над полом, область турбулентного режима в средней части поверхности и область торможения в верхней части под потолком. Эти данные типичны для условий теплообмена в помещении.

Верхняя граница ламинарной области соответствует критическому значению

В области ламинарного режима движения воздуха теплообмен в общем больше, чем у свободной поверхности. На верхней границе он превосходит соответствующее значение, для свободной поверхности на 25 %.

В турбулентной области локальный коэффициент конвективного теплообмена увеличивается по направлению движения. Это является отличительной особенностью турбулентного теплообмена в замкнутом пространстве.

Экспериментально установлено наличие около потолка области торможения, высота которой Δh_тор, равна

где h - высота помещения, м; Gr_h - определен для характерного размера h.

Возникновение зоны торможения является особенностью конвективного теплообмена в замкнутом пространстве помещения. Это явление объясняется влиянием потолка и температурным расслоением воздуха по высоте, следствием чего является уменьшение температурного напора и снижение подвижности воздуха.

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена для перегородочной панели при высоте помещения от 2,5 до 4,2 м можно определить по формуле

Наиболее сложным оказывается процесс конвективного теплообмена

на подоконной нагретой поверхности, расположенной в нижней части наружной стены, когда она с трех сторон ограничена холодными поверхностями (под окном), а ее нижняя граница сопряжена с полом. Пол тормозит развитие конвективного потока. Ниспадающие боковые холодные токи вытесняют теплый воздух снизу. На холодной поверхности возникают ниспадающие токи, которые тормозят движение восходящего потока.

Среднее значение α_к в зависимости от высоты подоконной панели Δh и перепада температур между поверхностью и воздухом равно