אפקט ארובה

אפקט ארובה (באנגלית: Stack effect, Chimney effect, או Flue-gas stack) הוא הכינוי לתופעה פיזיקלית תרמודינמית של הסעת חומר גזי, בעיקר אוויר וגזי בעירה ושרפה בתוך בניינים וארובות. הכוח המניע לתנועת הגז הוא ציפה הנובעת מהפרש בצפיפות החומר והלחות בין הפנים והחוץ של המבנה. ככל שהפרש הטמפרטורות גדול יותר וככל שהמבנה גבוה יותר, הכוח חזק יותר. התופעה מסייעת לאוורור טבעי, ולבעירה. תופעה דומה בנוזלים נקראת בשם תרמוסיפון.

הסבר התופעה

הכוח המניע הוא הציפה של גז חם על פני הגז הקר. ברוב החומרים צפיפות החומר יורדת עם עליית הטמפרטורה, כתוצאה הזורם הקל יותר עולה למעלה בכוח ששיעורו יחסי ישר להפרש בצפיפות החומר. הפרש הלחצים בין תחתית הארובה לאוויר שבחוץ נקבע על ידי משוואת ברנולי:^[1] $P+\rho gh+{1 \over 2}\rho v^{2}={\mbox{constant}}$

כאשר:

P - הלחץ בנקודה,
$\rho$ - צפיפות הזורם בנקודה,
g - תאוצת הכובד, ערכו ממוצע על פני הארץ 9.807 מטר לשנייה בריבוע,
v - מהירות הזורם בנקודה,
h - גובה הזורם בנקודה (ביחס למישור ייחוס שנקבע מראש).

במהירות נמוכה, שינוי הלחץ הוא:

$\Delta P=g\left(\rho _{a}-\rho \right)\Delta h$

כאשר:

$\rho$ - צפיפות החומר בתוך הארובה או המבנה,
$\rho _{a}$ - צפיפות החומר מחוץ למבנה (ambient)

בתחום הטמפרטורות ולחצים המצויים בארובה או בבניין, כולל במקרה שרפה, ז"א לחץ של 1 עד 5 אטמוספירות, טמפרטורה של 0 עד 700 מעלות צלזיוס, האוויר מתנהג בקירוב טוב כמו גז אידיאלי^[2] ולכן:^[3] $\rho ={\frac {P}{RT}}$ כאשר:

T - טמפרטורה מוחלטת של הגז,
R - קבוע הגזים

ומתקבל

:

\Delta P={P_{a}\;g \over R}{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}\Delta h

כאשר:

$P_{a}$ = הלחץ מחוץ לארובה
$\Delta h$ = הפרש גבהים בין מישורי הייחוס או גובה הארובה
$T_{0}$ = טמפרטורה מוחלטת (בקלווין או רנקין) מחוץ למבנה
$T_{i}$ = טמפרטורה מוחלטת ממוצעת של הגז בתוך המבנה

נציב נתונים סטנדרטיים לאטמוספירה ולקבוע הגרוויטציה (במערכת היחידות הבינלאומית):

:

\Delta P={101,325\cdot 9.807 \over 287}{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}\Delta h=3474{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}\Delta h

(במדריך ASHRAE ^[4] במקום 3474 רשום 3460)

הספיקה נקבעת על ידי הנוסחה:^[5]

:

Q=C\;A\;{\sqrt {2\;g\;h\;{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}

$A$ = שטח החתך של הארובה

ערך אופייני של C בארובות הוא 0.6 עד 0.7 ^[6] הנוסחאות לא כוללות השפעות של שינוי הלחץ החיצוני, של חימום או קירור של הארובה או צינורות, של רוחות ועוד. במקרה של ארובות גבוהות או לחצי שרפה גבוהים, הנוסחאות שימושיות רק כקירוב.

שימושים ויישומים

ארובות

ארובה משמשת לשני תפקידים בו זמנית, האחד לסלק גזים שרופים ועשן מקמינים, תנורים, כבשנים, מנועים ועוד. והשני, משיכת האוויר המשמש לבעירה. עוצמת המשיכה היא לפי הנוסחאות דלעיל. במקרים רבים הארובה היא הכוח המניע היחיד לאספקת אוויר לבעירה. שימוש במפוחים ומשאבות מצמצם את תפקיד הארובה כמניע לאספקת האוויר.

ככל שהארובה גבוהה יותר, משיכת האוויר חזקה יותר. ארובות בגובה של מאות מטרים נבנות משיקולי איכות הסביבה, כדי שהגזים השרופים יתפזרו טוב יותר. ארובות בדרך כלל עטופות בבידוד תרמי, וזאת כדי שהגז בארובה לא יתקרר. כפי שרואים בנוסחאות, המשיכה של הארובה גבוהה ככל שהטמפרטורה בתוך הארובה גבוהה יותר. קירור הגז בארובה עלול להביא להיפוך כיוון הזרימה, עד כדי כניסת גזים שרופים חזרה לחלל הבעירה או לחדר בו נמצא הקמין. החתך האופייני לארובות גבוהות, הולך וקטן עם הגובה, הארובה נראית כמו קונוס קטום. התכנון הזה נובע משיקולים של מכניקת הזורמים ותרמודינמיקה, וגם, במידה פחותה, משיקולים של חוזק המבנה. הגז עולה בארובה אל האוויר הפתוח, שהוא בלחץ נמוך יותר מאשר בבסיס הארובה, ירידת הלחץ גורמת לקירור האוויר,^[7] ובהתאם אפקט הארובה נחלש. הצרת החתך שומרת על הלחץ כך שהטמפרטורה לא תרד עד כדי פגיעה ביעילות הארובה.

בניינים

מכיוון שבניין בדרך כלל אינו אטום, הרי שבמזג אוויר חם תיווצר תנועת אוויר מחלקו התחתון של הבניין אל עבר הגג^[8]^[9] התופעה מורגשת במיוחד בימים חמים – תנועה של אוויר חמים במעלה המדרגות. המבנה האופייני של חאן (מבנה) נועד להשיג אוורור טבעי. החאן סגור מכל הצדדים. השמש מכה על חצר החאן, האוויר החם עולה ויוצא מתחום החאן, כי מעל החצר אין גג, ובמקומו, מהפתחים בקומת הקרקע, בהיקף החאן, נכנס אוויר המגיע מחוץ לחאן. משב הרוח מקל על עומס החום.^[10]

חאן אל-עומדאן בעכו, הצלם עם גבו אל הקיר הרביעי הסוגר את חצר החאן

התפשטות אש ועשן

תכנון בניינים לבטיחות אש ולמקרי שרפה חייב להתחשב בתופעה. ^[11]^[12]^[13]^[14]

יישומים נוספים

הערות שוליים

^ Frank M. White, Fluid Mechanics, 6th Ed, McGraw Hill 2008, p.11 ISBN 978-0-07-128645-9
^ טבלת נתונים לאוויר
^ עמוד 21 במקור 1
^ 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications p. 52.2
^ http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php פרק A, פסקה Buoyancy
^ 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications p. 52.2 ראו גם המקור בהערה הקודמת
^ ראו הסבר בערך גז אידיאלי
^ http://www.bgu.ac.il/CDAUP/guidebook.pdf המדריך לבנייה ביו-אקלימית בישראל, היחידה לאדריכלות ובינוי ערים במדבר, אוניברסיטת בן-גוריון, יוני 2010. פסקה 4.2.3
^ Low-Energy Building Design Guidelines, U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, DOE/EE-0249 http://www1.eere.energy.gov/femp/pdfs/25807.pdf עמוד 16
^ Fuller Moore, ENVIRONMENTAL CONTROL SYSTEMS: HEATING COOLING LIGHTING, McGraw-Hill 1993. p.52 ISBN 0-07-112724-0
^ http://www.nfpa.org/assets/files//NFPA3/NFPA3Chapter_5.pdf
^ http://tmpccc.com/uploads/Laws/NFPA/A_NFPA92B.pdf
^ http://www.buildingcontrolworkbench.com/Portals/1/GrayBook/Gscadp.htm
^ 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications, Chapter 52: Fire and Smoke Management.

[1] Frank M. White, Fluid Mechanics, 6th Ed, McGraw Hill 2008, p.11 ISBN 978-0-07-128645-9

[2] טבלת נתונים לאוויר

[3] עמוד 21 במקור 1

[4] 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications p. 52.2

[5] ttp://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php פרק A, פסקה Buoyancy

[6] 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications p. 52.2 ראו גם המקור בהערה הקודמת

[7] ראו הסבר בערך גז אידיאלי

[8] ttp://www.bgu.ac.il/CDAUP/guidebook.pdf המדריך לבנייה ביו-אקלימית בישראל, היחידה לאדריכלות ובינוי ערים במדבר, אוניברסיטת בן-גוריון, יוני 2010. פסקה 4.2.3

[9] Low-Energy Building Design Guidelines, U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, DOE/EE-0249 http://www1.eere.energy.gov/femp/pdfs/25807.pdf עמוד 16

[10] Fuller Moore, ENVIRONMENTAL CONTROL SYSTEMS: HEATING COOLING LIGHTING, McGraw-Hill 1993. p.52 ISBN 0-07-112724-0

[11] ttp://www.nfpa.org/assets/files//NFPA3/NFPA3Chapter_5.pdf

[12] ttp://tmpccc.com/uploads/Laws/NFPA/A_NFPA92B.pdf

[13] ttp://www.buildingcontrolworkbench.com/Portals/1/GrayBook/Gscadp.htm

[14] 2007 ASHRAE Handbook – HVAC Applications, Chapter 52: Fire and Smoke Management.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]