Полости в печах. Супергидравлическая модель

Ещё при жизни Грум-Гржимайло было доказано, что в реальных печах «свободного движения газов» практически никогда не бывает. Это объясняется тем, что печи состоят не только из полостей (колпаков), но и из дымовых каналов весьма ограниченного проходного сечения. Такие каналы, как правило, «захлёбываются», и движения газов в печах начинают целиком определяться влиянием дымовой трубы.

Чтобы популярно пояснить суть реальных явлений и устранить многие недосказанности, «расширим» простейшую гидравлическую модель печей до некой «супергидравлической модели». Как и ранее, для наглядности будем проводить известные аналогии между течениями воды и течениями газов. А именно, будем использовать тот очевидный факт, что легкий горячий газ всплывает в тяжелом холодном газе в принципе точно также (аналогично), как тяжелая вода падает в легком воздухе. Подобная аналогия, конечно же, крайне условна — ясно, например, что вода падает с утоньшением струи (и не увлекая окружающий воздух), а горячий дым от костра поднимается с утолщением струи ( увлекая за собой громадные количества окружающего воздуха). Тем не менее, такая аналогия позволяет прогнозировать принципы движения легких (именно легких!) дымовых газов методом «переворачивания вверх ногами» знакомых всем с детства водных течений.

Вспомним, что существуют разные виды передвижения (способы перемещения-транспортирования) воды (жидкостей): ёмкостный, водоводный, водопроводный с естественным (собственным) напором и водопроводный с механическим (принудительным) напором.

Рис. 120. Водотранспортные системы
Рис. 120. Водотранспортные системы: а — перенос (перевоз) ёмкостями (вёдрами) с выливом переливом или через выпускное отверстие (слив); б — водоводы (безнапорные сети); в — водопроводы самотечные (напорные сети с гравитационным напором); г — водопроводы насосные (напорные сети с механическим напором). 1 — сливное отверстие с затычкой, 2 — водовод в виде жёлоба или не полностью заполненной трубы, 3 — переливные ёмкости, 4 — перелив (водопад), 5 — напорный бак, 6 — насос, 7 — струя (фонтан), 8 — напорный бак мембранный.
Рис. 121. Газотранспортные системы (применительно к лёгким горячим дымовым газам)
Рис. 121. Газотранспортные системы (применительно к лёгким горячим дымовым газам): а — колпак (перевёрнутый стакан), например, с подвесом разогреваемой болванки в транспортируемом колпаке; б — газоводы (безнапорные сети), реализующие «свободное движение горячих газов» (свободную естественную конвекцию) по потолкам (арочным сводам), по колпакам и по восходящим затопленным струям; в — газопроводы герметичные с разрежением, с захлебнувшимся входным воздушным отверстием, с гравитационной вытяжкой дымовой трубой, г — газопроводы с принудительной конвекцией (с механической вытяжкой вентилятором-дымососом). 1 — подвешенное нагреваемое на костре изделие, 2 — колпак транспортируемый (на колёсах), 3 — колпаки проточные, 4 — наклонные потолки и арочные своды (опрокинутые желоба), 5 — вертикальные трубы непереполненные, 6 — зонты, 7 — насадки в трубах (секции), способные препятствовать свободному подъёму горячих газов, 8 — «перелив» газовых потоков при переполнении трубы, 9 — бункер с пеллетами.
Рис. 122. Избыточное давление горячих газов (относительно атмосферы на том же высотном уровне) в колпаке (а) и в канальной системе печи (б)
Рис. 122. Избыточное давление горячих газов (относительно атмосферы на том же высотном уровне) в колпаке (а) и в канальной системе печи (б). Предполагается, что все стенки колпака и гипотетической печи (с закрытой вьюшкой -верхней задвижкой на дымовой трубе) имеют одну и ту же температуру, превышающую температуру атмосферного воздуха. Направления стрелок указывают, что газы в возможных отверстиях должны выходить наружу.

Емкостные системы являются беспроточными и реализуются с помощью вёдер, бочек, стаканов, цистерн (рис. 120,а). Такие водные системы имеют газовый аналог — колпак (рис. 121,а), который представляет собой перевёрнутый стакан. Идеальный колпак — это непроточный сосуд, имеющий только одно отверстие, причём внизу, постоянно открытое в атмосферу так, чтобы давление газа на нижнем срезе никогда бы не отличалось от атмосферного. Если идеальный колпак заполнен горячими (относительно окружающей среды) газами, то во всём колпаке возникает избыточное давление: в любом месте можно просверлить отверстие и убедиться, что газ выходит наружу точно также, как из отверстия в дне стакана всегда вытекает вода. Максимальное значение избыточного давления достигается в верхней части колпака, и в этом плане колпак ничем не отличается от тёплого помещения, открытого снизу (рис. 42,б, 122). Колпак принципиально невозможно переполнить горячими газами — излишки газа тотчас выйдут «из-под колпака» точно так же как и излишек воды всегда и немедленно перельётся через края стакана.

Водоводные системы являются простейшими проточными сетями (рис. 120,б) и хорошо известны в природе в форме последовательности рек (ручьев), прудов (водохранилищ) и водопадов (переливов). Реки могут быть даже «взяты» в трубу: лишь бы вода стекала свободно, не «переполняя» (не заполняя, не перекрывая всё сечение) трубы. Реки могут течь тысячами километров при перепаде уровня воды лишь в десяток метров. При этом даже максимальные перепады давления в атмосфере (до 400 мм водяного столба) не имеют особого значения, так же как и ветер может свободно дуть над водой в ту или иную сторону и лишь при больших скоростях способен повернуть реку вспять (как Неву в Санкт-Петербурге). Свободные течения воды характерны тем, что возникновение любой впереди (запруды) не ощущается вообще или ощущается не сразу: действительно по уровню воды в Волге у Твери невозможно определить (по крайней мере быстро), открылась или закрылась задвижка плотины ГЭС где-нибудь под Волгоградом.

Переворачивая «вверх ногами» водоводную схему и заменяя воду на горячие дымовые газы, а воздух на холодный воздух, получаем газоводную систему (рис. 121,б), отвечающую гидравлической модели Грум-Гржимайло «свободного движения горячих газов». Всем известны свободноконвективные потоки горячих газов, поднимающиеся над кострами столбами дыма, расстилающиеся по потолкам, перетекающие слоем под наклонными сводами, заполняющие колпаки (купола, колокола) и перетекающие из «колпака в колпак», например, как в курных избах , русских печах, каминах, вентиляционных зонтах и т. п. (рис. 123).

Рис. 123. Примеры свободно конвективных систем
Рис. 123. Примеры свободно конвективных систем: а — чёрная (курная) баня, б — русская печь, в — костёр в чуме, г — подвальная древнеримских термов (гипокауст). 1 — костёр, 2 — вентиляционный поток, 3 — циркуляционный поток, 4 — дымление при переполнении дымовой трубы, 5 — дымовые газы, заполняющие колпак (полую платформу для потения), 6 — помещение хаммама.

Горячие газовые потоки, текущие горизонтально или наклонно под сводами ( по перевёрнутым желобам), можно «взять» снизу в «поддоны» («кожухи»), а горячие газовые струи, свободно восходящие вверх ( аналоги водопадов-переливов), можно окружить обечайкой. Во всех этих случаях горячие газы будут течь свободно в составе труб, лишь бы трубы и кожухи не «переполнялись», то есть лишь бы горячие газы не перекрывали всё проходное сечение трубы. Таким образом, в газоводных системах свободные горячие газы (и в пространстве, и в трубах) должны обязательно контактировать со столь же свободными холодными газами, которые тоже могут течь произвольно («как хотят»). В идеальной газоводной (так называемой гидравлической) модели горячие и холодные потоки газов никак не взаимодействуют ни между собой, ни со стенками трубы, но в реальности горячие и холодные газы (как и любые иные газы) не являются абсолютно свободными (независимыми), поскольку постоянно обмениваются массами (перемешиваются диффузно и турбулентно), импульсом (тормозятся или ускоряются) и энергией (нагреваются или охлаждаются). Трубные участки газоводных сетей обязательно должны иметь ограниченную длину (или же должны быть негерметичными), чтобы холодный газ в трубе был бы частью атмосферы. При этом давления в горячих газах строго равны давлениям в холодных газах (в том числе и в атмосфере) на том же высотном уровне (в отличие от газопроводных систем). Тяга или напор отсутствуют.

С увеличением расхода воды (или газа) элементы «свободных» водоводных (и газоводных) систем могут принципиально менять режим работы: переливные трубы (сливные каналы плотин) переполняются (и уже не в состоянии пропускать всевозрастающие количества проточной воды), водохранилища и реки начинают «переливаться через края» и разливаться по поверхностям («выходить из берегов») т. д. Также всем известно, что вытяжной зонт с естественной вытяжкой может «не справиться» с потоком восходящих горячих газов и, «захлебываясь», начинает дымить с переливом дыма через края (например, по аналогии с 8 на рис. 121). Применительно к вертикально ориентированным системам (рис. 124), это означает, что вода при возрастающих расходах уже не может «свободно» стекать в сливные отверстия 12 (переливные каналы 4) ручейками (каплями, плёнками, струйками) со ступеньки на ступеньку вниз, задерживаясь только в «лужах» (стаканах 13 и сообщающихся сосудах-чайниках 7). Рано и поздно один из переливных патрубков ( например, сливное отверстие 12) «захлёбывается» (так же как засорённый слив в кухонной раковине), и вся вышерасположенная система секций системы (поз. 2, 4, 5, 10, 7) заполняется водой (до высоты Н с достижением перелива воды «из раковины через края» с верхнего среза водной системы 14). При этом объёмы воды в патрубке 12 будут двигаться уже не под «собственным весом», а под весом (напором) всего вышерасположенного водяного столба высотой Н. Такие водные системы называются водопроводными с естественным напором. При разгерметизации манжет 6 водная система вновь становится водоводной (переливной безнапорной), что случается при аварийных прорывах труб городского водопровода, когда жидкость, изливаясь, начинает течь «свободно» сама по себе в грунтовых кавернах или по поверхности земли. Водные системы могут чередовать водопроводные и водоводные участки. Более того, водопроводная система может «протекать» (в случае дырявых стенок) и обладать свойствами и водопровода (внутри), и водовода (снаружи). О таких схемах и пойдет речь ниже.

Рис. 124. Схемы водных систем
Рис. 124. Схемы водных систем: а — водоводная схема свободно стекающих вниз водных потоков, б — герметичная водопроводная система сообщающихся сосудов (имитирующая водоводный стакан с переливом, но не пропускающая воздух, а, значит, являющаяся водопроводной), в — герметичная водопроводная система с нижним заужением, открыто сообщающаяся с водопроводной системой типа сообщающихся сосудов. 1 — подача воды любого типа, 2 — секция с горизонтальными рассечками, 3 — рассекатели струй (площадки), 4 — секция типа стакана со свободным переливом в переливной канал (патрубок), 5 — секция с горизонтальными площадками - перетоками (оборотами), 6 — манжеты, герметизирующие стыки между секциями (при переходе от водоводной к водопроводной системе), 7 — сообщающиеся сосуды (водопроводный тип системы) — стакан с «плавающим островом», 8 — переливное отверстие, 9 — отверстие, служащее для подтверждения того, что вода не может подняться выше уровня воды в основном колене, 10 — воронка, 11 — выходное отверстие водопроводной системы верхнее, 12 — выходное отверстие водопроводной системы нижнее, 13 — стакан (ёмкость накопительная), 14 — срез (уровень) воды.

Водопроводные системы с естественным (собственным) напором (самонапорные) принципиально отличаются тем, что заполнены водой полностью, и воздух в них отсутствует, а избыточное давление воды (по сравнению с атмосферным давлением) присутствует не только в «стаканах» (водонакопительных сосудах), но и в переточных каналах (трубах) как горизонтальных, так и вертикальных. Вода по водопроводному самонапорному участку сети (рис.124,в), конечно же, течёт как бы «сама собой» под действием только собственных гравитационных сил, но не совсем свободно, как бы стеснённо с «зажимами» потока в переточных отверстиях. Причем вода в этих переточных отверстиях продавливается не только за счет собственного веса, но и за счет веса вышерасположенных (напора) или веса нижерасположенных (тяги) слоев воды (тянущих вниз). Перекрытие потока тотчас ощущается во всех участках водопроводной сети. Заполненные водой участки сети могут рассматриваться и как единые «стаканы» (может быть, со сложной схемой внутренних перегородок и со сливами в дне), внутри которых как-то (совсем не похоже на открытые водоводы) текут потоки жидкости. Герметичные системы типа сообщающихся сосудов (рис. 124,б) заполняются и становятся водопроводными и без «захлебываний », поскольку сами по себе представляют единый «стакан».

Водопроводы с разрежением (тягой) за захлебнувшимся каналом (отверстием) менее распространены, чем обычные напорные водопроводы, но применяются и в дачном быту, например, в схемах водяного отопления (высотой до 10 метров, отвечающей условию «неразрывности» разреженного столба воды при внешнем давлении атмосферного воздуха 1 атм) и в схемах водоснабжения с открытой нижней сливной трубой и с запорно-регулировочным вентилем над водонапорным баком. Именно такие схемы имитируют схемы канальных печей (см. далее). Отметим попутно, что водопроводы с разрежением часто имеют на нижнем свободном конце гидрозатвор (сифон) для предотвращения самопроизвольного вылива воды из труб после перекрытия потока. Дымозатворы (гуськи) на оголовках дымовых труб печей (для предотвращения захолаживаний печей после протопки) используется редко из-за добавочных сопротивлений и возможных промерзаний зимой.

Переворачивая вверх ногами водопроводную схему (рис. 120.в), получаем газовый аналог — горячую (именно горячую!) газопроводную схему (рис. 121,в) с естественным напором до заужений (каминный тип системы, когда входное отверстие по проходному сечению больше выходного трубного) или с естественной тягой (разрежением) после заужений (печной тип системы, когда входное отверстие меньше выходного). Такая газопроводная система перед захлебнувшимся заужением (напорная) всегда заполнена только горячими газами (холодные же газы могут располагаться только в атмосфере).

При этом необходимо помнить о самой досадной натянутости любых гидравлических аналогий — если вода никогда не становится воздухом, то именно холодный воздух становится в топливнике горячим, а потом вновь становится холодным по мере продвижения по печи. Например, горячий газ в борове (горизонтальном участке дымовой трубы), двигающийся в «водоводном» режиме медленно из-за малости гравитационного перепада давлений, к тому же может и совсем остыть, и рассматриваемый «объект движения» (горячий газ) вообще как бы исчезнет. Поэтому для правильных заключений необходимо с некоторым воображением представлять неразрывность газовых потоков, выделяя из состава холодных газов будущую (или ранее) горячую составляющую (например, входящую в захлебнувшееся «переполненное» отверстие поддувала печи) и считая ее все время горячей.

Рис.125. Схемы течений, поясняющие переход от газоводного режима к газопроводному
Рис.125. Схемы течений, поясняющие переход от газоводного режима к газопроводному

В качестве примера рассмотрим струю восходящих горячих газов над костром. Такая струя образуется из входящих в костер снизу потоков холодного воздуха, которые собственно и нагреваются затем в зоне горения (рис.125). Горячая струя, ускоряясь при свободном подъеме, постепенно становится все более узкой (как и струя свободно падающей воды), а потому, казалось бы, способна в принципе зайти («попасть») в сколь угодно малое отверстие (свободно, не касаясь его краев), но на достаточно большой высоте. Однако, любой газовый поток увлекает за собой в движение (эжектирует, подсасывает, захватывает) за счет вязкости и турбулентности окружающий неподвижный газ. Вследствие этого, и сужающаяся струя горячих газов над костром (например, в виде «языка огня») формирует вокруг себя постепенно расширяющуюся и задымляющуюся оболочку из увлекаемого струей воздуха. Все это в виде единого и неделимого клубящегося «столба дыма» (как на рис.49 и 52) порой не может пройти свободно через отверстие и воспринимает отверстие как преграду. Так что реальные восходящие потоки дымовых газов зачастую не бывают полностью свободными (в смысле свободно ускоряющимися) не только из-за торможений окружающим воздухом (или стенками), но и из-за значительно более существенных порой всевозможных «захлебываний» (преимущественно оболочек). «Захлебывание» отверстия (рис. 125,а) приводит к возникновению на преграде перепадов давления, за счет которых незакрепленная преграда может даже «всплывать» в потоке вверх («витать»), а над отверстием возникает зона разрежения, в которую подсасывается с боков воздух в струю восходящих горячих газов.

Таким образом, если отверстие велико, то столб восходящего газа (по аналогии с водопадом) свободно проходит через отверстие, не создавая ощутимых перепадов давления, поскольку гравитационные перепады давления «компенсируются» приростами скорости потока по формуле Бернулли. При уменьшении размера отверстия струя горячего газа (как и падающая струя воды) в какой-то момент касается краев отверстия, а потом уже и не «пролезает» полностью в отверстие (рис. 125,а). Не в силах пройти через отверстие во всем фиксированном расходе, горячий газ неминуемо притормаживается и начинает накапливаться перед преградой (одновременно и растекаясь по потолку). Утолщающийся слой горячих газов перед отверстием автоматически увеличивает давление газа на входе в отверстие и повышает расход газа (точно так же, как и вода, накапливающаяся в дырявой кастрюле, повышает расход воды через дыры). Чтобы максимально повысить давление газа перед отверстием, надо предотвратить растекание горячего газа по потолку. Для этого создают запруду потокам горячего газа в виде зонта-дымосборника (рис.125,б). Высоту зонта h необходимо увеличивать до тех пор , пока зонт не сможет «накопить достаточный напор горячего газа», чтоб затем «продавить» через трубу весь заданный расход горячего газа. Это является основой работы дымовой камеры камина (рис.125,ж): чем меньше проходное сечение дымовой трубы, тем более высокой должна быть дымовая камера. На практике расход газа в камине зачастую предпочитают повышать не напором газов в дымовой камере, а разрежением в дымовой трубе, то есть увеличением высоты дымовой трубы Н (рис.125в). Это многократно повышает расход дыма при горячей трубе, но создает проблемы дымлений при холодной трубе на начальном этапе растопки (К. Микеля, Печи и камины, М.: Стройиздат, 1987 г.). Конусная форма зонта (дымовой камеры) обеспечивает более быстрое заполнение зонта горячими газами и более быстрый прогрев зонта, что также лежит в основе идеи дымового зуба (заужения).

Так или иначе, в установившемся режиме «захлебнувшейся» в устье у зуба дымовой трубы расход газа через камин определяется диаметром дымовой трубы и суммарной высотой дымовой камеры и дымовой трубы (рис 125г). Если диаметр дымовой трубы чересчур уменьшить, то дымовые газы станут «переливаться» через края зонта. Если же диаметр дымовой трубы чересчур увеличить (реализовав «водоводный» режим, а по существу, костер), то «незахлебнувшаяся» дымовая труба сможет «свободно» пропускать дымовые газы, но при этом будет «свободно» пропускать через себя и «свободные» потоки холодного воздуха то через портал вверх (захолаживающие подсосы), то из трубы вниз при каждом порыве ветра (задымляющие помещения провалы).

Технический прогресс в области отопительно-варочных печей также сопровождался переходом от «водоводных» беструбных курных печей (рис.125,д) к «частично водопроводным» белым печам с кирпичным зонтом-кожухом (дымосборником-епанчёй) над устьем и боровом в трубе (рис.125,е), а затем к «чисто водопроводным» печам (с разрежением в топке) с топочной дверцей и с трубой непосредственно из топливника (рис.125,з). Печи с разрежением в топке и тягой в дымовой трубе совершили 400 лет назад «печную революцию», реализовав многооборотные канальные печи (голландские) с нисходящими (порой ниже огня в топке) дымовыми потоками. С тех пор все отопительные печи (даже наиболее претенциозные так называемые «колпаковые печи Кузнецова со свободным движением газов» вопреки мнению автора) являются канальными газопроводными («водопроводного» типа).

Как и водопроводы, газопроводы (напорные дымоходы-газоходы) должны быть герметичными, поскольку (в отличие от газоводов) имеют внутри себя давление газов, отличное от атмосферного (избыток перед или разряжение за захлебнувшимся каналом). Печь находится (и продавливает через трубу дым) либо под напором горячих газов топливника (как на рис. 42,б), либо под разряжением горячих газов дымовой трубы (как на рис. 42,а) в зависимости от того, нижняя (поддувальная) или верхняя (трубная) задвижка печи в большей степени открыта на атмосферу. Если в топке имеется разряжение, то печная система точно и безоговорочно является «водопроводной». Сообщающиеся же сосуды, как мы уже отмечали, всегда являются водопроводами. Поэтому перевернутые сообщающиеся сосуды (колпаки или дымообороты с перевалом) всегда являются газопроводами для горячих газов даже при сколь угодно широких каналах (полостях).

Отметим, что газовые каналы в печах ни в быту, ни на производствах никогда не называют ни газопроводами, ни дымопроводами. Любые газовые каналы в печах обычно называют газоходами или дымоходами (так уж сложилось исторически). Не принято также (применяемое нами для ясности) название «газовод» и «дымовод». Вентиляционщики же называют воздуховодами именно напорные (газопроводные) сети повышенного (приточные) или пониженного давления (вытяжные).Поэтому на практике порой трудно понять, что имеют в виду печники, применяя термин «дымоход» в той или иной конструкции. Также сразу отметим, что в дальнейшем мы будем иногда пользоваться термином «колпак» в распространённом среди печников жаргонном смысле, имея в виду вовсе не идеальный колпак емкостной системы (аналог стакана, всегда открытого торцом на атмосферу), а замкнутый герметичный сосуд (может быть и проточный с разрежением), пристыкованный к потолку газового канала ( то есть колпак в печи — это расширение горизонтального канала вверх).

Водопроводные система с механическим (принудительным) напором отличаются тем, что напоры или разряжения воды создаются не только собственным весом самой воды, но и внешними механическими устройствами: насосами, воздуходувками, вентиляторами, компрессорами (рис. 120,г). Газопроводные аналоги (рис.121,г) также широко известны — принудительное дутье в доменных печах, дутье мехами в кузнечных горнах, газобаллонная (пропановая, ацетиленовая) сварочная горелка и многие другие. Распространились бытовые вентиляторные аппараты на древесном топливе, так называемые пеллеточные печи, способные непрерывно (месяцами) работать на древесных (прессованных из древесной щепы и стружки) таблетках (пеллетах).

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)