Расчет каналов

8-й случай. Канал состоит из двух вертикальных, не равных между собою, частей и одной горизонтальной части (черт. 43); значения t и Z указаны на чертеже, при чем температура воздуха внутри канала выше наружной; в этом случае избыточное давление, образующееся в меньшей вертикальной части канала АВ, равно:

h₂ / (1+at₀) - h₂ / (1+at₂) а в большей части = h/(1+at₀ ) - h/(1+at)и, так как оба эти давления стремятся подвинуть воздух в разные стороны, то действующее давление будет равно разности их и уравнение будет иметь вид:

((h/(1+at₀)-h/(1+at))-((h₂/(1+at₀)-h₂/(1+at₂))=v² /2g(1+at)(1+Z)+

+v₁²/2g(1+at₁)Z₁+v₂²/2g(1+at₂)Z₂

9-й случай. Канал состоит из трех таких же частей, как и в- шестом случае (черт. 44), но высота средней горизонтальной части на столько велика, что ею уже нельзя пренебречь, как это делалось в предыдущих случаях; вследствие значительного уширения средней части ВС воздух здесь будет двигаться с весьма незначительною скоростью, которую, без большой погрешности, можно будет принять равною нулю, почему эта часть не будет оказывать никакого влияния на высоту сопротивлений; но с другой стороны при выходе воздуха из устья С в уширенную среднюю часть мы будем иметь тот же случай, как и при выходе воздуха из устья А, почему в уравнение должны войти высоты скоростей при обеих устьях.

Рассматривая составление уравнений во всех вышеуказанных случаях, приходим к следующим заключениям: 1) левая часть уравнения, выражающая общую высоту избыточного давления, составляется из алгебраической суммы избыточных давлений в отдельных участках канала; 2) высота избыточного давления в отдельном участке канала положительна, если воздух должен двигаться вверх и температура воздуха в канале выше температуры наружного воздуха, или, если воздух должен двигаться вниз и температура воздуха в канале ниже температуры наружного воздуха; в противных случаях эта высота имеет отрицательный знак; 3) правая часть уравнения состоит из суммы высот скоростей и сопротивлений, при чем первые высоты выражающиеся в зависимости от скоростей в выходных устьях каналов и от температуры выходящего из этих устьев воздуха, высоты же сопротивлений выражаются в зависимости от скорости движения воздуха и температуры его в соответственных участках каналов.

рисунок 44

Составляя теперь уравнение движения воздуха для всего пути его по каналам, изображенным на черт. 45 и приняв, что на некоторых участках температуры и скорости будут однообразны, как означено на чертеже.

Если требуется, чтобы в каком-либо месте, напр. в плоскости mm (черт. 45), избыточное давление было больше, нежели то, которое получается здесь вследствие разности температур, то расчет может быть произведен отдельно до плоскости mm и за нею; если это превышение должно быть на высоту Н, данную при температуре t₁, то для верхней части будем иметь:

((h/(1+at₀ )-h/(1+at))+((h ^,1/(1+at₀ )-h ^,1/(1+at₁ )+H/(1+at₁)=v² /2g(1+at)(1+Z)

соответственно для нижней части будем иметь:

((h"₁/(1+at₀)-h"₁/(1+at))+((h₂/(1+at₀)-h₂/(1+at₂))-H/(1+at₁)=v₂²/2g(1+at₂)(1+Z₂)

Вообще, если обозначить сумму высот внешнего давления через А, а такую же сумму высот давления внутри канала через В, то высота избыточного давления будет равна А - В и, если эта высота имеет положительный знак, то движение будет происходить снизу вверх, при отрицательном же знаке движение воздуха будет происходить сверху вниз; обозначая сумму высот скоростей и сопротивлений через С, получим, что для движения воздуха необходимо равенство:

А - В = С;

если А - В <С, то для достижения движения необходимо к имеющемуся избыточному давлению добавить еще какое то давление М так, чтобы получилось равенство:

А -В + М = С.

Это равенство может быть написано в виде:

(А + М) -В = С

или

А - (В - М) = C

Первое уравнение имеет место при употреблении нагнетательного вентилятора, при помощи которого к имеющейся сумме внешних высот давления добавляется вентилятором давление М; второе уравнение применяется при употреблении всасывающего вентилятора, помощью которого сумма высот внутреннего давления искусственно уменьшается вентилятором на высоту М. Наконец, если имеющееся внутреннее давление равно внешнему, то А - В =О и тогда для движения воздуха должно быть:

М = С,

то-есть в этом случае движение воздуха должно достигаться исключительно при помощи посторонней силы.

Переходя к применению уравнений для определения искомых скоростей, мы видим, что в них имеются ряд неизвестных нам скоростей v, v₁ v₂ и т. д. и ряд находящихся в зависимости от них величин Z, Z₁ Z₂ и т. д.; поэтому каждую из этих скоростей можно определить, лишь зная все остальные, входящие в то же уравнение скорости; на практике обыкновенно задаются вперед всеми скоростями в различных участках каналов на основании практических данных, уравнениями же пользуются лишь для проверки правильности принятых скоростей, как это будет указано при расчете частей вентиляции.

Остается еще указать значение величины сопротивлений движению воздуха, обозначенных нами буквою Z; сопротивления эти состоят из трения воздуха о стенки канала и из местных сопротивлений, зависящих от изменения направления движения, от прохождения воздуха через регулирующие приспособления в каналах и от изменения поперечного сечения каналов; в общем для участка, в котором количество протекающего воздуха, температура и сечение канала одинаковы на всем протяжении участка, можно написать:

Z = R + Er

где R-сопротивление от трения, а Ег-сумма местных сопротивлений.

Величина сопротивления от трения R выражается следующей формулой:

R = plu/f

где р-коэффициент трения, l - общая длина канала, u- периметр сечения канала, f - площадь сечения канала.

Величина коэффициента р зависит от состояния поверхности канала, скорости движения газов, температуры и состава их. Чем менее шероховатостей и неровностей на поверхности канала, тем менее коэффициент трения, а следовательно и вред от последнего; поэтому задача строителя состоит в том, чтобы придать внутренним поверхностям канала возможно более гладкий вид, уменьшая швы между отдельными рядами кладки и сглаживая поверхности канала путем сплошной обмазки и о штукатурки. Значение коэффициента трения воздуха о стенки кирпичного канала, при различных его периметрах, дано в таблице.

Рассматривая выражение для величины сопротивления трения R мы видим, что оно будет тем меньше, чем меньше будет длина канала I, следовательно при размещении каналов, для уменьшения вредного сопротивления от трения, необходимо наблюдать, чтобы путь прохождения газов был возможно более короткий; из того же выражения величины К мы видим, что она увеличивается с увеличением периметра сечения,но в то же время уменьшается с увеличением площади его; следовательно наиболее выгодной формой сечения будет такая, которая при одной и той же площади будет иметь наименьший периметр; такому условию наиболее удовлетворяет круглое сечение, затем идет сечение квадратное и менее удовлетворительным является сечение прямоугольное, при котором периметр будет наибольшим. Таким образом для уменьшения сопротивления от трения полезнее придерживаться круглой формы каналов там, где это не встречает каких либо препятствий, или же делать их сечения квадратными, прямоугольное же сечение менее удовлетворительно в этом отношении.

При входе газов в отверстие канала также получается некоторая потеря напора вследствие сжатия струи газов от бокового давления входящих частиц их и круговорота, образующегося в этом месте (черт. 46); вследствие такого сжатия происходит как бы уменьшение сечения, сопровождающееся потерею напора. Сжатие это увеличивается с увеличением давления, а следовательно с увеличением скорости движения газов и, при том, в узких каналах наблюдается больше, нежели в широких; диаметр наибольшего сжатия при обычно применяемых скоростях равен приблизительно 0,8 диаметра трубы, при чем оно имеет место приблизительно на расстоянии 1/2 диаметра от отверстия.

Для уменьшения вредного сопротивления от такого сжатия полезно всегда входное отверстие делать несколько большого сечения, чем сечение канала.

Подобного же рода сжатие струи, а следовательно и потеря напора, происходит при поворотах в каналах в том именно месте, где происходит изменение направления движения газов; наибольшая потеря в этом случае наблюдается при внезапном и сильном изменении направления (черт. 47), несколько меньше при тупом угле (черт. 48) и еще меньше, когда в этом месте имеется правильное закругление (черт. 49).

Опыты, произведенные над подобного рода поворотами,следующими один за другим, показали, что величина потери напора при двух последовательных поворотах зависит от того, насколько изменяется при этом окончательное направление движения. Подобные опыты выяснили следующее: при двух поворотах, расположенных-близко один от другого, с изменением направления движения газов в противоположную сторону (черт. 50), потеря напора небольшая, чем при одном повороте; объясняется это тем, что сжатая после первого поворота струя не успевает расшириться, дойдя до второго поворота, вследствие чего скорость на всем этом участке остается постоянною и дальнейшее увеличение потери напора не происходит; сказанное справедливо только при близком расположении поворотов между собою.

рисунок 48,49

Если два последовательных поворота расположены в плоскостях, перпендикулярных между собою (черт. 51 и 52), то потеря напора получается приблизительно в 1/2 раза более, чем при одном повороте.

рисунок 51, 52

Наконец, если повороты расположены в одной плоскости с воcстановлением первоначального направления движения (черт. 53 и 54), то потеря напора получается приблизительно в 2 раза более, чем при одном повороте. 

рисунок 53,54

Последнее явление можно объяснить темь, что в этом случае струя газов за каждым поворотом получает самостоятельное сжатие, что и вызывает двойное увеличение потери напора.

При устройстве каналов в зданиях чаще всего приходится встречаться именно с последним из вышеуказанных случаев в отводках каналов в сторону при встрече с балками и отверстиями в стенах. Следовательно для уменьшения вреда от поворотов следует прежде всего располагать каналы таким образом, чтобы потребность в поворотах была наименьшая, при неизбежности же последних следует округлять их возможно большим радиусом, а затем избегать поворотов под прямым углом, делая необходимые отводки каналов наклонно под тупым углом.

Вредное сопротивление движению газов по каналам происходит также в том случае, когда площадь сечения канала изменяется при расширении или сужении канала в этом случае получается соответственное изменение скорости движения газов по каналу, вследствие чего в местах изменения площадей происходит столкновение масс с разными скоростями, что влечет за собою также некоторую потерю напора. В виду этого при устройстве каналов следует наблюдать, чтобы площади их оставались одинаковыми на всем протяжении, если количество проводимых по ним газов остается неизменным.

Что касается до величины местных сопротивлений г, то по опытам, произведенным профессором Ритчелем, она может быть принята равною:

а) при изменении направления в кирпичных каналах:

для прямоугольного колена 1,5

для закругленного прямого колена 1,0

для колена в 135° 0,6

при постепенном изменении направления 0,0

б) при прохождении через регулирующие приспособления:

для открытого клапана или задвижки 0,0

для решетки, свободная площадь которой равна поперечному сечению канала:

если отношение свободной площади решетки к полной ее площади составляет 0,5 - 1,5

если это отношение составляет 0,2 - 2,0

для решетки, свободная площадь которой в 1/2 раза более сечения канала:

если отношение свободной площади решетки к полной равно 0,5 - 0,75

если то же отношение равно 0,2 - 1,0

для проволочной решетки с крупными отверстиями . 0,0 для проволочной решетки, свободная площадь которой равна поперечному сечению канала, а отношение свободной площади к полной не менее 0,6

для проволочной решетки, свободная площадь которой в 1 1/2 раза более сечения канала, а отношение свободной площади к полной не менее 0,6-0,3

в) при изменениях поперечных сечений:

при незначительном и постепенном изменении поперечного сечения-сопротивление от такого изменения можно принять равным нулю; если же происходит внезапное изменение сечения, при чем скорость движения воздуха в части с увеличенным сечением не может быть принята равною нулю, то вызываемое этим сопротивление в отношении к скорости ? (черт. 55) имеет следующее значение:

 r=(f/f₁-1)²

рисунок 55

Каналы, устраиваемые в зданиях, служат для удаления из помещений продуктов горения и испорченного воздуха и для ввода в помещения свежего воздуха; в зависимости от назначения каналы эти называются: дымовыми, когда они служат для движения по ним продуктов горения, вытяжными, при назначении их для извлечения воздуха из помещений, воздухоприводными, когда каналы служат для ввода свежего не подогретого воздуха и жаровыми, когда по ним поступает воздух, предварительно подогретый.

Каналы должны оказывать возможно меньшее сопротивление движению по ним газов, почему правильное устройство их, направленное к возможному уменьшению этих сопротивлений, имеет существенное значение при возведении зданий и в значительной мере влияет на дальнейшее действие приборов отопления и вентиляции. Ниже указываются правила, которыми следует руководствоваться при устройстве каналов и труб разного назначения, а также приведено описание устройства их.