Гравитационные перепады давления в бане

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 Δpг = (ρб - ρа)•g•H, где ρб и ρа — плотности воздуха в бане и вне бани соответственно, g = 9,8 м/сек² — ускорение свободного падения, H — высота бани от пола до потолка. Поскольку ρ (кг/м³)=353 / (273 + t), перепад давлений Δp при температуре вне бани tа = 0°С и температуре в бане tб = 100°С для высоты бани H = 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 1Па = 1Н /м² = 1кг.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. 

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).

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
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.

Теперь закроем верхнее вентиляционное отверстие 1 и откроем нижнее вентиляционное отверстие 3 (рис 42,б). 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. 42,в). 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) р + ρgh + ρV²/2 = const, где р — статическое давление, ρgh — вес столба воздуха над рассматриваемой точкой (гравитационное давление), V — скорость перемещения воздуха, рт = р+ρV²/2 — динамическое давление (полное давление, давление торможения). Иными словами, при возникновении потока воздуха графики давлений на рис. 42, а и б надо сдвинуть на величину ρV²/2, равную 0,6 Па при V = 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. 

В многоэтажных жилых домах вентиляционных отверстий много, и эпюра давлений может быть сложной. В простейших же банях оценки можно производить, исходя из гравитационных перепадов давлений Δрг = (2-5) Па (для характерных температур в бане 50-100°С). Исходя из уравнения Бернулли, линейная скорость в вентотверстии может достигать при этом V (м/сек) = (1,66 Δрг (Па))1/2, то есть Vг = (1,8 - 2,9) м/сек. Таким образом, при площадях вентиляционных отверстий 1 дм² (10х10 см) можно рассчитывать на скорость вентиляции не более (70-100) м³/час, а с учётом вязкости воздуха, газодинамических потерь внутри бани, а также при расположении отверстий ниже уровня потолка и выше уровня пола ещё в 1,5-2 раза меньше. Поскольку коэффициент расхода приточных отверстий больше, чем вытяжных, то верхнее вентотверстие делают в 1,5-2 раза большим, чем нижнее. 

Рекомендуются следующие скорости воздуха в системах вентиляции (в м/сек):

Элемент вентиляции Естественная вентиляция Механическая вентиляция
Воздухоприёмные жалюзи 0,5-1 2-4
Воздухоприёмные каналы 1-2 2-6
Распределительные каналы горизонтальные 0,5-1 5-8
вертикальные 0,5-1,5 2-5
Приточные решётки у пола 0,2-0,5 0,2-0,5
у потолка 0,5-1 1-2
Вытяжные решётки у потолка 0,5-1 1-2
Вытяжные шахты 1-1,5 3-6

При установке дефлекторов указанные скорости воздуха при естественной вентиляции увеличиваются на 25%.

Таким образом, для общеобменной вентиляции бань можно рекомендовать делать регулируемые вентотверстия в потолке или в верхней части стен из расчёта 50 см² на одного человека при наличии возможности залпового вентилирования через двери и 100 см² при отсутствии такой возможности. 

Напомним для сравнения, что в многоэтажном городском жилищном строительстве рекомендуются следующие площади проходного сечения вентиляционных отверстий для естественной вытяжки: кухни — 150 см², ванные комнаты — 150 см², туалеты — 100 см², душевые — 100 см². Считается, что такие отверстия обеспечивают скорости естественной вентиляции на уровне (20-90) м³/час в зависимости от этажности здания и времени года. Шумы в вентканалах с поперечным сечением 100 см² могут возникать из-за появления турбулентности уже при 0,3-0,5 м/сек, а в вентотверстиях сечением 1 см² — при 3-5 м/сек. Поэтому вентиляционные короба в ответственных помещениях звукоизолируют (оклеивают пенорезиной). Напомним, что с увеличением скорости движения газов (и жидкостей) частота шумов увеличивается (гул постепенно переходит в вой, а затем в свист), что положено в основу действия некоторых моделей газовых расходомеров — акустических частотомеров.

Источник: health.totalarch.comДачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер