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王红民 杨成永
摘 要:根据热传导理论,在考虑了地沟内温度分布的各种影响因素下,介绍了确定空气与混凝土及空气与土壤间的对流换热系数的研究方法,为在今后的工程设计中进行内外壁温度差产生的温度应力的计算提供借鉴。
关键词:对流换热系数,导热系数,衬砌温度
引言
在确定混凝土衬砌的温度分布并给出衬砌内、外壁温差的计算公式时首先确定材料热力学参数,而材料的热力学参数的确定往往很复杂,尤其是在热力地沟内的衬砌混凝土的温度应力的计算,由于地沟内热力管线的运营,一般使地沟温度在1年内呈周期性升降。温度升降会引起衬砌混凝土的强度改变并在衬砌内产生温度应力。
温度应力包括两个方面:一是衬砌整体伸缩的趋势受到周围土层的约束而产生的应力;另一种是由于衬砌内外壁的温差而产生的温度应力。
本次研究的目的是在考虑了地沟内温度分布的各种影响因素下,给出了具体的确定材料的热力学参数办法,为在今后的工程设计中进行内外壁温差产生的温度应力的计算提供方便。
1 研究方法
1.1 空气、混凝土、土壤的热力学参数(见表1)
热力学参数主要包括两个方面,一是空气、混凝土及土壤的导热系数和比热,这可从既有资料上直接查得;二是空气与混凝土及空气与土壤间的对流换热系数[1,2],由于对流换热系数与诸多因素有关,缺乏现成资料,需要进行试算才能确定。
1.2 空气与混凝土之间的对流换热系数(α1)的确定
1.2.1 对流换热系数的计算公式
本次研究取:δ=0.3ｍ,ｈ=4ｍ,ｓ=0.5ｍ
式中:
δ———保温层到混凝土内壁的距离;
ｈ———混凝土衬砌高度;
ｓ———混凝土衬砌厚度。
当从保温层到混凝土衬砌内壁的距离与衬砌的高相比(0.3/4)小于0.33时,可按有限空间来计算α1。
对流换热系数的值是和该有限空间两平壁的温度(保温层的温度、混凝土内壁的温度ｔｗ1)、两平壁的距离(δ)、两平壁的高度(ｈ)及平壁间空气的物性参数有关。保温层的温度是已知的,两平壁的距离(δ)和高度(ｈ)都已给出,平壁间空气的物性参数(λ,β,Ｐｒ,υ,Ｇｒ)都可通过查表得到。现在只是混凝土内壁的温度ｔｗ1是未知的,因此下面对不同混凝土内壁温度ｔｗ1进行试算,考察对流换热系数α1随内壁温度ｔｗ1的变化情况。
通常把保温层与混凝土内壁的夹层换热过程的计算按平壁导热计算方式处理,用当量导热系数λｅ的大小来反映夹层内换热程度的强弱,并把λｅ与流体的导热系数λ之比整理成特征数方程。比值λｅ/λ等于夹层的对流换热的努塞尔数Ｎｕ。努塞尔数Ｎｕ和所求的对流换热系数α1有直接关系,由此可通过λｅ/λ与Ｎｕ之间的等式就可求出对流换热系数α1[3]。对水平夹层(顶板)有两种情况:
2 结果
热力学参数主要包括:空气、混凝土及土壤的导热系数和比热;空气与混凝土及空气与土壤间的对流换热系数[5]。空气、混凝土、土壤的导热系数和比热见表1;空气与混凝土之间及空气与土壤之间的对流换热系数分别取顶板α1=1.803Ｗ/ｍ2·Ｋ,边墙α1=1.292Ｗ/ｍ2·Ｋ,α2=0.3893Ｗ/ｍ2·Ｋ。
3 结论分析
该方法是把保温层与混凝土内壁的夹层换热过程的计算按平壁导热计算方式处理,在考虑了不同保温层温度和不同混凝土内壁温度的影响下,利用把当量导热系数λｅ与流体的导热系数λ之比等于夹层的对流换热系数的努塞尔数Ｎｕ的情况下推导出所要求的对流换热系数。此方法对于展开进一步的对于热力地沟衬砌温度数值模拟计算具有很大的辅助作用,为在今后的工程设计中进行内外壁温度差产生的温度应力的计算提供方便。
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