4.1.4. Гравитационные перепады давленияКотлы / Дачные бани и печи. Принципы конструирования / 4. Вентиляционный модуль / 4.1.4. Гравитационные перепады давленияСтраница 1
Гравитационные (свободноконвективные) движения воздуха - это всплывание горячего воздуха в среде холодного воздуха, а также утапливание холодного воздуха в среде горячего воздуха. Это происходит потому, что горячий (тёплый) воздух легче холодного.
С другой стороны гравитационные движения воздуха (как и любые движения газа) возникают как перемещение (выталкивание) воздуха из зон повышенного давления в зоны пониженного давления, причём эти давления создаются естественными факторами - гравитационными силами (силами тяжести). При отсутствии перемещений воздуха давление воздуха (динамическое, совпадающее со статическим) равно весу воздушного столба, расположенного над рассматриваемой точкой. Так что давление воздуха в горячей бане у потолка (соединенного с атмосферой) равно давлению воздуха вне бани на том же высотном уровне, поскольку над горячей баней находится точно такой же атмосферный воздух, что и рядом с баней. Но давление воздуха у пола бани ниже атмосферного на том же высотном уровне, поскольку вес горячего воздуха в бане меньше веса холодного атмосферного воздуха вне бани. Разность давлений воздуха у пола в бане и воздуха вне бани (на том же высотном уровне пола бани) будет равна Арг=(рб-ра)^-Н, где рб и ра - плотности воздуха в бане и вне бани соответственно, g=9,8 м/сек2 - ускорение свободного падения, Н - высота бани от пола до потолка. Поскольку р (кг/м3)=353/(273+1), перепад давлений Ар при температуре вне бани 1а=0°С и температуре в бане 1б=Ю0°С для высоты бани Н=3 м составляет минус 10 Па (10~4 атм). Этот перепад давления и создаёт возможность проветривания бани даже при полном отсутствии ветра вне бани. Напомним, что 1 Па= 1Н/м2= 1 кг-м/сек2= 10~5атм.
Наличие перепадов давления на стенах иногда приводит любителей бань к мысли, что многие явления в бане обусловлены именно этим фактором. Так, есть мнение, что баня хороша именно тем, что является зоной повышенного (или пониженного) давления, и это объясняет потение (или наоборот, лёгкое испарение пота), повышение (или понижение) артериального давления и т. п. Поэтому напомним, что если в бане перепады давления составляют 10 Па, то в жилых помещениях при нормальной эксплуатации - до 100 Па, а в земной атмосфере циклоны и антициклоны изменяют атмосферное давление на величины до 5000 Па.
Рис. 42. Эпюры (распределения) перепадов давления на стенах бани (разностей давлений внутри и вне бани на одних высотных уровнях) при наличии в бане горячего воздуха: а) - при открытом верхнем отверстии давление внутри меньше, чем снаружи, б) - при открытом нижнем отверстии давление внутри больше, чем снаружи, в) - при открытых верхнем и нижнем отверстиях давление наверху внутри больше, чем снаружи, а давление внизу меньше, чем снаружи, поэтому возникает поток вентиляционного воздуха. Знак минус в эпюрах означает разрежение в бане, а знак плюс - избыток давления (напор) в бане.
На рисунке 42а представлена эпюра разности давлений воздуха в бане и вне бани. Если открыть верхнее вентиляционное отверстие 1, то никаких перемещений воздуха наблюдаться не будет, поскольку давления в бане и вне бани на этом высотном уровне одинаковы (возможны лишь циркуляционные явления, связанные с «падением» холодного воздуха в нижнюю часть проёма вентиляционного отверстия, при значительной высоте проёма 1, см. далее). Если же слегка приоткрыть «пробное» отверстие 2, то можно убедиться, что воздух затягивается в баню (точно так же, как засасывается воздух в печку через поддувало).
Теперь закроем верхнее вентиляционное отверстие 1 и откроем нижнее вентиляционное отверстие 3 (рис 426). Воздух из атмосферы рванётся в баню, создав в ней у пола давление, равное атмосферному на том же высотном уровне. При этом весь воздух в бане, которому выходить некуда, сожмётся. При этом давление у потолка бани станет выше атмосферного на том же высотном уровне. Приоткрыв «пробное» отверстие 4, можно убедиться, что воздух выходит наружу. Можно даже замерить величину этого избыточного давления в бане мембранным манометром (но не водяным или ртутным, поскольку 10 Па соответствует 1 мм водяного столба).
Если открыть нижнее 5 и верхнее 6 вентиляционные отверстия одновременно, то у потолка бани сохранится повышенное давление, а у пола -пониженное (рис. 42в). Через нижнее отверстие 5 будет поступать приточный воздух, а через верхнее отверстие 6 - удаляться вытяжной воздух. Возникает непрерывный (при подогреве приточного воздуха) поток вентиляционного воздуха снизу вверх, описываемый уравнением Бернулли для идеальных (безвязкостных) жидкостей (газов) p+pgh+pV2/2=coГiSt, где р - статическое давление, pgh - вес столба воздуха над рассматриваемой точкой (гравитационное давление), V - скорость перемещения воздуха, рт=р+рУ2/2 - динамическое давление (полное давление, давление торможения). Иными словами, при возникновении потока воздуха графики давлений на рис. 42а и б надо сдвинуть на величину рУ2/2, равную 0,6 Па при У=1 м/сек или 2,4 Па при 2 м/сек. При этом, в бане появляется некий уровень 7 (так называемая «нейтральная линия»), разделяющий зоны положительного и отрицательного статических давлений. Если сделать дополнительное вентиляционное отверстие на уровне 7, то воздух в нем перемещаться не будет. В зависимости от соотношений размеров верхнего и нижнего вентиляционных отверстий уровень 7 может перемещаться вверх или вниз.