Температурный режим в вытяжных частях одиночных стояков, т. е. стояков с самостоятельным выходом на кровлю здания, имеет аналогичный характер в различных климатических условиях (рис. 24). Сплошными линиями на графике показаны температуры внутренней и наружной поверхностей труб: верхние линии — в чердаке, средние — на границе кровли и чердака, нижние — выше кровли. Независимо от материала труб и толщины их стенки температура внутренней и внешней поверхностей отличается не более чем на 1°С (поэтому на графиках показаны одной линией). Пунктирные линии-изменения температур воздуха в вытяжной части стояка. Температурный режим в стояке в течение суток постоянно и резко изменяется, относительно стабильным он становится лишь в ночные часы. При транспортировании жидкости по стояку в вытяжную часть устремляется воздух из атмосферы, что особенно характерно для часов максимального водоотведения. Эжекция наружного воздуха в стояк способствует быстрому охлаждению внутренней поверхности трубы.
Совершенно очевидно, что теплоизоляция труб при этих условиях неэффективна.
При проведении экспериментов в климатических условиях Москвы семь из восьми вытяжных частей из чугунных труб диаметром 150 мм, выполненных в соответствии с требованиями Строительных норм и правил, полностью замерзли при температурах наружного воздуха до минус 25° С, после чего они были заменены экспериментальными трубами из других материалов меньших диаметров. При том же температурном режиме эти трубы также полностью замерзли. Следовательно, материал труб не оказывает практического влияния на процесс обмерзания.
Одновременно установлено, что интенсивность снегообразования прямо пропорциональна диаметру вытяжной части стояка. Первоначально (первые 4—б ч) интенсивность снегообразования hi мм/ч, подчиняется зависимости:
где D — диаметр стояка, дм.
Образование снегового слоя на внутренней поверхности труб вытяжных частей, не уменьшая теплопередающей поверхности трубы, изменяет коэффициент теплопроводности труб. В этом случае интенсивность снегообразования отклоняется от линейного закона, выраженного формулой (63). В связи с тем, что интенсивность снегообразования зависит от целого ряда факторов (как, например, толщина снегового, слоя, его состояние — иней, рыхлый снег, плотный снег, лед), учесть которые практически невозможно, определение ее значительно усложняется. Однако на основании экспериментальных данных можно сделать вывод о том, что наличие снегового слоя снижает интенсивность снегообразования.
Увеличение интенсивности снегообразования в трубе большего диаметра объясняется следующим образом. Влага, выпавшая из воздуха в виде конденсата на внутренней поверхности трубы, превращается в иней (снег) при отрицательных температурах этой поверхности. В то же время известно [27], что температура внутренней поверхности ограждения равна:
где tв — температура воздуха, выходящего из стояка, °С; tн — температура наружного воздуха. °С; Rо — сопротивление общей теплопередаче стенки трубы, м2·°С·ч/ккал; Rв — сопротивление тепловосприятию, м2·°С·ч/ккал.
Следовательно, при прочих равных условиях температура внутренней поверхности ограждения зависит исключительно от величины сопротивления тепловосприятию Rв. Для повышения температуры τв необходимо уменьшить значение сопротивления тспловосприятию Rв, которое зависит от скорости движения воздуха около ограждения, уменьшаясь при увеличении этой скорости.
Из условий неразрывности потока следует, что при постоянном расходе воздуха его скорость увеличивается при уменьшении площади сечения стояка.
Наряду с этим количество тепла Q, проходящее через стенку за время Z при установившемся тепловом потоке, увеличивается с увеличением площади поверхности трубы F:
где τн — температура наружной поверхности трубы вытяжной части стояка, °С; λ — коэффициент теплопроводности материала трубы, ккал/(м·ч·°С); h — толщина стенки трубы, м.
Из уравнения (65) следует, что количество тепла, теряемого стенкой трубы, зависит от материала трубы и толщины стенки h. Однако экспериментально установлено, как отмечалось выше, что в вытяжной части стояка эти параметры не оказывают практического влияния на процесс снегообразования.
Длительное воздействие выходящего воздуха, имеющего 100%-ную влажность, приводит к тому, что из пор материала труб воздух вытесняется влагой, которая при отрицательных температурах наружного воздуха замерзает. В этом случае коэффициент теплопроводности материала труб становится равным коэффициенту теплопроводности льда. У экспериментальных вытяжек толщина стенок труб отличалась не более чем на 2 мм, что не оказало никакого влияния на интенсивность снегообразования.
В результате проведенных исследований в климатических условиях Москвы сделаны следующие выводы:
- 1. При одинаковой абсолютной величине отношения |tн/tв| интенсивность снегообразования прямо пропорциональна диаметру вытяжной части стояка;
- 2. При |tн/tв|<1 происходит стаивание снега с внутренней поверхности труб вытяжных частей стояков;
- 3. При 1<|tн/tв|<2 происходит то образование снегового слоя определенной толщины, то его стаивание;
- 4. При |tн/tв|>2 начинается стабильный процесс снегообразования, который протекает тем интенсивнее, чем больше это отношение;
- 5. Эжекция холодного воздуха из атмосферы в стояк движущейся в нем жидкостью значительно способствует процессу снегообразования.
Следует указать, что флюгарка — круглый колпак из кровельной жести, который жестко крепится к вытяжной части стояка (по терминологии, принятой в вентиляции, он носит название дефлектор-простой колпак), — также способствует ее обмерзанию. До 1970 г. установка флюгарок была обязательной. Считалось, что устройство флюгарки необходимо для предотвращения попадания в канализационный стояк атмосферных осадков и посторонних предметов. Кроме того, предполагалось, что как и всякий дефлектор, колпак способствует повышению интенсивности вентиляции внутридомовой канализационной сети.
По формулам, применяемым при расчете внутренних водостоков, можно определить количество осадков, л/с, попадающих в открытый сверху канализационный стояк:
где Fкр — водосборная площадь кровли (площадь живого сечения вытяжной части канализационного стояка), м2; q20 — интенсивность дождя, л/с с 1 га, для данной местности продолжительностью 20 мин при периоде однократного превышения расчетной интенсивности, равном 1 году (для Москвы у20≈81).
Максимальное количество осадков (в условиях Москвы), попадающих в вытяжную часть стояка диаметром 150 мм, составит 0,000143 л/с. Иными словами, в 10 000 канализационных стояков диаметром 150 мм будет поступать расход, равный максимальному секундному расходу жидкости от одного смывного бачка унитаза. Такой небольшой расход не может повлиять на работу наружной канализационной сети.
Для того чтобы колпак работал как дефлектор, необходимо обеспечить расстояние между обрезом трубы и колпаком 0,4 диаметра трубы, т. е. в рассматриваемом случае 60 мм [7]. Очевидно, что указанный зазор не предотвратит поступления осадков в трубу. Уменьшение же этого зазора с 0,4 до ОД диаметра трубы увеличивает сопротивление выходящему потоку воздуха в 4 раза. В то же время колпак, являясь значительным местным сопротивлением на пути выходящего из стояка воздуха и дополнительной поверхностью для снегообразования, весьма способствует обмерзанию вытяжной части.
Следует указать, что открытая труба также является дефлектором [7]. Причем сравнение характеристик дефлектора-простой колпак и дефлектора-открытая труба показывает преимущество второго при направлении ветра, перпендикулярном оси трубы, и при расходах воздуха, характерных для вытяжной части стояков (из стояка выходит не более 350 м3/ч воздуха). Вытяжная часть без колпака обмерзает в значительно меньшей степени (при прочих равных условиях).
Исследования, проведенные в климатических условиях Челябинска, полностью подтверждают все ранее сделанные выводы.
Результаты исследований учтены в Строительных нормах и правилах П-30-76 «Внутренний водопровод и канализация зданий. Нормы проектирования».