СТАТЬИ

Тепловая завеса Тропик  18.10.2015 01:23

Однако существует еще один способ приближенного решения: использование приближения идеальной жидкости (при котором не учитываются силы трения) и прочих упрощений.

Все три указанных способа используются, например, для расчетов летательных аппаратов, причем два последних — уже длительное время.

Третий способ, как наиболее простой и достаточно информативный, мы и применим для расчета потери мощности через открытый проем. Если решить эту задачу в предположении отсутствия трения, нулевой теплопроводности и движения воздуха в пределах полувысоты проема относительно точки, находящейся на уровне полувысоты (то есть рассматривается движение воздуха только в непосредственной окрестности проема), то из условия полного перехода одного вида энергии в другой можно получить выражение для потери мощности

В этой формуле индекс величины мощности W0 показывает, что она теряется через открытый незащищенный проем. K — коэффициент, зависящий от средней температуры Т в области проема, теплоемкости воздуха с и ускорения свободного падения у поверхности Земли g, высота проема Н (м), ширина — w (м), а ΔТ (°C) — перепад температур между температурами воздуха теплой Т_т и холодной Т_х областей проема ΔТ = Т_т – Т_х. Хотя это упрощенное рассмотрение дает конкретное значение K, для реальных приводимых в инженерных статьях данных оно в единицах кВт/(м^5/2К^3/2) обычно принадлежит к некоторому диапазону значений: 0,06 < K < 0,14. Этот факт связан как с достаточно серьезными упрощениями, которые применялись при выводе (1), так и с невозможностью в реальных условиях поддерживать условия для передачи постоянной величины мощности W₀. Воздух с холодной стороны проема будет нагреваться, с теплой — охлаждаться, вызывая неизбежное падение передаваемой мощности.

Теперь предположим, что взаимопроникновению двух областей разной температуры препятствует поток воздуха, их разделяющий. Тогда вместо ситуации, представленной на рис. 1 б, возникнет следующая, изображенная на рис. 2.

Если ввести количественную характеристику e, выражающую энергетическую эффективность подобного способа разделения сред, то для нового значения мощности теплопотери можно представить выражение

Формула (2) демонстрирует, что при близкой к 0 эффективности e суммарная потеря тепла приближается к W₀, если же эффективность принимает значения, близкие к 1 (или 100%), например, если две указанные области разделены воздухонепроницаемой теплоизолирующей перегородкой, то потери тепла будут стремиться к 0. Реальные значения эффективностей для конкретных случаев можно получить, опираясь либо на данные точных экспериментов, либо на численный программный расчет. При использовании воздушных завес эффективность всегда будет заметно ниже 1 по причине того, что воздушные потоки завес являются турбулентными течениями, которые, в частности, характеризуются значительным переносом вещества в перпендикулярном основному течению направлении.

В работах [2], [3] для максимальных значений эффективности воздушных завес Тропик приводятся соответственно значения 71% и 80%. Значения эффективности для различных условий могут различаться, но эти цифры задают область характерных значений. В [2] рассчитано и представлено графически еще одно важное общее свойство воздушных завес Тропик— максимальная эффективность достигается для некоторых условий только при некоторой начальной оптимальной скорости потока воздуха. При скорости потока меньше оптимальной динамическая воздушная преграда разрушается, и эффективность использования завесы стремится к нулю. Потери мощности на проеме становятся такими, какими были бы без использования воздушной завесы. При росте начальной скорости выше оптимальной динамическая воздушная преграда сохраняется, но теплообмен монотонно увеличивается, а эффективность завесы падает. Таким образом, эффективность не только ограничивается некоторым значением, но и оно само может быть достигнуто для некоторых условий только при определенном соотношении ширины сопла и скорости потока. Дальнейшее увеличение начальной скорости потока выше оптимального значения не только не улучшает эффективность, но и плавно уменьшает ее. Заметим, что указанные работы касаются использования завес для защиты холодных помещений. Причина заключается в большей эффективности завес без нагрева, которые обычно используются в этих случаях. То, как нагрев снижает эффективность воздушных завес Тропик, рассмотрим ниже.