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

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.

Страницы: 1 2