Отрицательное давление

1. Введение

Одним из главных параметров вентиляционной системы является давление. Вентилятор, всасывающий воздух из атмосферы и нагнетающий его в объем, создает определенную разность давлений междуатмосферой и этим объемом. В данной публикации мы говорим просто «давление», если оно соотнесено со стандартным давлением. Поскольку разность может быть положительной или отрицательной, будут различаться положительное и отрицательное давление. Оба они измеряются относительно стандартного давления воздуха.

В вентиляционных системах могут использоваться и положительные, и отрицательное давление. Это зависит от того, извлекается воздух из объема или нагнетается в объем.

Вентилятор, забирающий снаружи свежий воздух, будет сначала создавать некоторое отрицательное давление в воздуховоде между воздухозабором и вентилятором. Это отрицательное давление вызывает поток воздуха с улицы (где давление является более высоким) в воздухозабор. В зависимости от сопротивления воздухозабора и мощности вентилятора, это давление может достичь значений, опасных для наших изделий. Далее объясняется, что происходит, если в воздуховоде возникает отрицательное давление, и какие защитные меры следует принять для того, чтобы предотвратить повреждение воздуховода.

2. Разница между положительным и отрицательным давлением

Очень важно иметь ввиду, что положительное и отрицательное давление оказывают на воздуховоды разное влияние. Положительное давление в объеме создает силы, направленные наружу. Эти силы возникают за счет ударов молекул о стенки объема.

3. Отрицательное давление в гибких воздуховодах

Когда в воздушный шар накачивается воздух, его объем увеличивается. Вследствие увеличения напряжений в стенках возникает обратная сила, достигается равновесие и растяжение прекращается. Отрицательное давление внутри объема приводит фактически к тому же самому результату. Возникают усилия, но теперь направленные внутрь объема. Поведение объема зависит от его размеров и структуры стенок. Известно, что большие объемы более чувствительны к давлению, чем маленькие. Это объясняется тем фактом, что давление равно силе, приложенной к определенной площади. Давление в 1000 Па создает силу, соответствующую действию массы 100 кг. на площадь 1 м². Увеличение объема (увеличение диаметра) приводит к увеличению полной силы, действующей на поверхность стенки.

Не требуется объяснять, что гибкий воздуховод с большим диаметром будет менее устойчив к отрицательным давлениям.Существуют два типа деформации гибких воздуховодов отрицательным давлением. Воздуховод может быть либо смят, либо подвергнут так называемому «эффекту домино».

Ниже будут объяснены оба эти типа деформации воздуховодов.

4. Эффект домино

В зависимости от конструкции гибкого воздуховода могут наблюдаться несколько эффектов. На нескольких последующих чертежах будет показан эффект, наиболее существенный для гибких воздуховодов.

Чертеж 1

Таково нормально положение проволочной спирали в стенке гибкого воздуховода, если смотреть на него сбоку.

Два соседних витка проволоки соединены слоистым материалом воздуховода. В зависимости от характера этого материала расстояние между витками проволоки может быть различным. Проволока предотвращает образование на воздуховоде вмятин и т.п. Однако слоистый материал также придает воздуховоду жесткость или мягкость.

Выше уже было сказано, что силы, создаваемые отрицательным давлением в воздуховоде, направлены внутрь воздуховода. Обычно их направление перпендикулярно к стенке воздуховода. При этом проволока, так же как и слоистый материал, должна выдерживать эти усилия.

На чертеже 2 усилия показаны стрелками. При этом максимальное допустимое усилие определяется сопротивлением разрыву материала стенки.

Чертеж 2

Оно будет примерно таким же, как максимальное положительное давление, которое показано стрелками, направленными в противоположном направлении (чертеж 3).

Чертеж 3

К сожалению, дело обстоит не совсем так. Фактически витки будут складываться, как ряд костяшек домино (см. чертеж 4).

При таком движении объем внутри воздуховода уменьшается под действием силы наружного давления.

Чертеж 4

Для проявления этого эффекта требуется гораздо меньшее усилие. Полезно знать, какие важные части воздуховода определяют устойчивость к эффекту домино.

В зависимости от характера материалов, движению воздуховода будет противодействовать большая или меньшая сила. Однако эта сила гораздо меньше, чем сила,необходимая для разрыва материала. Разрыв может произойти при приложении слишком большого положительного давления. Поэтому максимальное отрицательное давление, которое может выдержать гибкий воздуховод, гораздо меньше максимального положительного давления.

Исходя из этого вывода, мы приходим к одному из важнейших факторов, определяющих поведение гибкого воздуховода при отрицательном давлении. Каким образом можно добиться оптимального сопротивления отрицательному давлению?

Чтобы достичь этого, необходимо минимизировать вероятность эффекта домино. Для этого существует несколько возможностей:

1. Для стенок воздуховода можно использовать более жесткий материал. Более жесткий материал не будет легко сминаться, и поэтому деформировать прямоугольник, будет тяжелее. Однако изделие соответственно получится менее гибким.
2. Можно использовать более толстую проволоку. Жесткость проволоки определяет сопротивление деформированию в соответствии с «действием 1».
3. Деформирование прямоугольника, затрудняется при уменьшении шага проволочной спирали. «А» и «D» становятся короче, в результате чего «С» и «В» располагаются ближе друг к другу. Сдвинуть «С» относительно «В» становится труднее. Уменьшение шага витков проволоки является очень хорошим способом повышения устойчивости к отрицательному давлению, однако при этом соответственно возрастает цена воздуховода.
4. Последняя возможность является одной из важнейших! Три первых способа должны быть реализованы изготовителем, т. к. при этом меняется структура стенки воздуховода. Последний способо может быть реализован пользователем воздуховода без каких-либо изменений в конструкции реального воздуховода. Поскольку этот последний способ оказывает большое влияние на способность воздуховода сопротивляться отрицательному давлению, его объяснению будет уделено несколько большее внимание. На чертеже 5 показан воздуховод, испытывающий эффект домино.

Чертеж 5

Как правило, точки P, Q, R и S крепятся к какому-либо ??&&??&&, который присоединен к главной вентиляционной системе. Поэтому Pбудет располагаться прямо над Q, а R над S. Фактически воздуховод, изображенный на чертеже 6, должен быть смонтирован так, как показано на чертеже 6.

Чертеж 6

P находится прямо над Q, а R над S. Первый и последний витки проволоки должны быть расположены вертикально. Витки посредине деформированы отрицательным давлением. Однако эти средние витки могут подвергнуться эффекту домино только в том случае, если в точках P и S существует достаточный запас материала. Материал в точке Q сжимается, а в точке P растягивается, чтобы проволока получила возможность смещения в соответствии с эффектом домино.

При отсутствии запаса слоистый материал будет удерживать проволоку в положении, показанном на чертеже 7. Это будет наблюдаться в том случае, если гибкий воздуховод был полностью растянут и подсоединен к принадлежностям с некоторым натягом. Можно сказать, что при этом каждый виток растягивается с обеих сторон и поэтому неспособен смещаться.

Благодаря этому эффект домино предотвращается! Монтаж этим методом затруднен, если форма воздуховода должна быть криволинейной. Несмотря на это, важно смонтировать воздуховод в оптимальном положении и должным образом натянуть и подсоединить его.

Нами был рассмотрен первый из двух типов повреждения гибких воздуховодов отрицательным давлением. Вторым типом является смятие.

Чертеж 7

5. Смятие

Данный эффект наблюдается, если проволочная спираль воздуховода менее прочна, чем конструкция стенок. Это означает, что конструкция стенок лучше сопротивляется эффекту домино, чем проволочная спираль смятию. Деформации, возникающие при смятии воздуховода, являются такими же, как если положить на воздуховод тяжелый предмет. Воздуховод просто сплющивается. Для этого все витки спирали необходимо превратить в овал или даже в плоскость.

• Проволока сгибается в двух местах каждого витка. Нетрудно понять, что сопротивление такому смятию увеличивается, если увеличивается толщина проволки или уменьшается расстояние между витками проволки. Это объясняет, почему воздуховод пылесоса имеет толстую проволоку и очень маленький шагвитков.
• Очень важно иметь ввиду, что устойчивость гибкого воздуховода очень сильно падает при увеличении диаметра. Силы, действующие на поверхность воздуховода большего диаметра, создают большие напряжения в проволочной спирали, и поэтому воздуховод легче сминается. Если при очень большом диаметре, например 710 мм., использовать слишком тонкую проволоку, воздуховод будет сминаться почти что под действием собственного веса. Очень малое давление может вызвать полное сплющивание.
• Пользователь почти ничего не может сделать для увеличения сопротивления смятию. Когда воздуховод достигает предела своих возможностей, начинает деформироваться и превращается в овал, пользователь не в состоянии ничего предпринять, кроме уменьшения отрицательного давления или применения лучшего воздуховода.

6. Заключение

Мы увидели, что отрицательное давление является более опасным для воздуховода, чем положительное. В зависимости от диаметра и конструкции стенок воздуховода будут наблюдаться смятие или эффект домино. Если первым возникает эффект домино, пользователь может принять некоторые меры, чтобы существенно улучшить поведение воздуховода за счет надлежащего монтажа. Но как только возникает эффект смятия, можно быть уверенным, что достигнут предел возможностей данного воздуховода.

Оценить поведение гибкого воздуховода при отрицательных давлениях можно с помощью лабораторных испытаний, однако результаты всегда будут относиться только к испытательной ситуациии к использовавшейся в данных конкретных испытаниях форме воздуховода. Деформация воздуховода во время монтажа из-за небрежного обращения, а также способ монтажа могут оказать настолько сильное влияние, что полученные данные не будут корректными.