Печная конвективная система (как последовательность полостей и каналов) по крайней мере в двух точках соединена с внешним пространством. В этой системе мы можем «нарисовать» два типа замкнутых кривых траекторий движения газов. Первый тип — это сквозные траектории, проходящие по внутренностям печи, выходящие наружу и затем вновь входящие в печь. Это вентиляционные траектории, замыкающиеся вне печи. Второй тип — это циркуляционные траектории, располагающиеся только внутри печи и замыкающиеся внутри печей. Это циркуляционные траектории, не выходящие наружу.

Вентиляционные траектории обусловлены наличием тяги дымовой трубы, так что являются траекториями «вынужденного движения газов» (а при наличии механических вентиляторов — траекториями «принудительного движения газов»). Циркуляционные траектории — это траектории «свободного движения газов» в том смысле, что они не определяются дымовой трубой. Общая газодинамическая обстановка в печи< оценивается суммированием скоростей движения по всем возможным траекториям: сквозным и циркуляционным.

Газы могут двигаться только по (тем или иным) замкнутым траекториям, а для этого необходимо, чтобы на этих замкнутых траекториях существовали перепады статического давления Δρ (называемые тягой), расходуемые на гидродинамические (турбулентные) и вязкостные сопротивления. Те замкнутые траектории, на которых (при обходе всего контура) суммарный перепад давления отличен от нуля, могут реализовываться в природе. Наиболее простой и наглядный анализ осуществляется разбиением замкнутой траектории на два колена и определением весов этих колен. Если вес одного колена больше веса другого, то возникает замкнутый поток газа (вентиляционная или циркуляционная траектория). Вес колен может оцениваться в терминах статических давлений Δρ=ρgH: если на одном высотном уровне (горизонте) в газе появляется разница давлений (тяга), то может появиться и горизонтальный поток газов (ветер). Поэтому информация о распределении давлений в печи может сказать о многом.

Рис. 137. Распределение статического давления в печах: а — схема колпаковой печи, б — схема канальной печи, в — график статического давления по высоте, в неподвижных газах, г — то же в подвижных дымовых газах. Точки на схеме и графике идентифицированы большими буквами. Сплошная ломаная линия на графике —распределение давления в печи. Штрих-пунктирная прямая соответствует пунктирной прямой, сдвинутой на величину давления торможения.

Рассмотрим печь упрощённо как систему коммуникаций с постоянно снижающимися температурами по дымовому каналу. Посмотрим графики статических давлений вдоль тракта печи (сплошная ломанная линия) и снаружи печи (пунктирная прямая) по стандартной методике (рис. 101, 112), но с учётом того, что температура в каждом канале печи (прямом участке) одинакова, но меньше по величине, чем температура в предыдущем (по потоку) канале (рис. 137в). Это значит, что наклон отрезков прямых, соединяющих точки с идентификационными буквами, по мере подъёма вверх по потоку увеличивается, то есть отрезок БВ круче, чем отрезок АБ. Как и прежде, построение графиков ведётся сверху из точки А, где статическое давление в печи (а именно в оголовке печи) равно статическому давлению в атмосфере на том же высотном уровне. Сначала находим статическое давление в точке Б как сумму статического давления в точке А плюс вес столба газа АБ исходя из плотности дымовых газов в нём (чем ниже температура, тем выше плотность дымовых газов). Затем находим статическое давление в точке В как разность статического давления в точке Б минус вес столба газа БВ и т. д. Полученная ломаная линия АБВГДЕ при равенстве температур (всюду во всех коммуникациях печи) спрямляется, сливается и превращается в единую прямую АЕ. Если же температура меняется не только в местах поворотов (разворотов) потоков, пронумерованных буквами, а снижается и в пределах каждого канала постепенно по тракту движения дымовых газов, то отрезки прямых между буквами (рис. 137,в) превращаются в кривые (без изменения качественных закономерностей).

График на рисунке 137,в относится к случаю закрытой дверки топливника (зольника), открытой трубы и отсутствию (или слабости) потока дымовых газов в печи. Этот график относится одновременно к обеим схемам печей (рис. 137,а и 137,б). Обращает на себя внимание возможность возникновения высокого статического давления в точке В (вверху верхнего колпака или у перевала многооборотной печи), выходящего за пределы пунктирной прямой и указывающего на возможность дымлений печи в этих зонах через щели и трещины кладки или сварки, через дверки или задвижки. Интересен также факт превышения давления в точке Б над давлением в точке И, что указывает на образование циркуляционного потока 1 (в схеме 137,б он невозможен). Аналогично, давление в точке Г превышает давление в точке Е, что указывает на возникновение циркуляции (обратного тока) и в нижней части (ярусе) печи при наличии дверки 2 (или отверстия, или щели - «сухого шва»). Видно, что через «сухой шов» дым при малых расходах двигается циркуляционно (возвращается в топливник), не давая холодным (балластным) газам из топливника пройти в трубу. И наконец, остаётся открытым вопрос о соотношении давлений в точках Б и Д: дело в том, что обычный поток дыма через задвижку летнего хода 3 (растопки) вверх может в определённых условиях повернуть вниз. Отметим, что анализ представленных зависимостей статических давлений ρ от высоты h может осуществляться только сопоставлением давлений на одном и том же высотном уровне h. Но здесь мы хоть и сопоставляем точки Б и Д, относящиеся к разным ярусам печи, но учитываем, что эти точки отвечают одному высотному уровню.

Факт появления движения дымовых газов в печи (со скоростью V) приводит к снижению силы тяги на величину ρV²/2 (которая, строго говоря, в различных зонах печи различна), то есть сдвигает сплошную ломаную линию вправо или (как это сделано для графической простоты на рисунке 137,в) сдвигает пунктирную линию влево (до положения штрих-пунктирной прямой) на величину ρV²/2. Видно, что при повышении скорости дымового потока дымление из щелей возникает сначала во всём верхнем ярусе, а затем и у свода нижнего колпака в точке Д.

Если же дополнительно учесть наличие местных газодинамических сопротивлений для движений газов (по методу рис. 114), то получаем график на рисунке 137,г. Видно, что в этом динамическом режиме статическое давление в точке Б заметно меньше, чем статическое давление в точке Д, что обеспечивает работу задвижки 3. Соотношения давлений в точках Б и И, а также в Е и Г показывают, что возникновение движения дымовых газов в печной системе при наличии местных газодинамических сопротивлений прекращает циркуляционные движения газов в колпаках обоих ярусов. Колпаки по существу превращаются в проточные полости со входным и выходным каналами. Это существенный результат: если при совсем малых расходах газов через печь в полостях (колпаках) преобладают циркуляционные процессы, то при увеличенных расходах газов через печь в полостях (колпаках) преобладают проточные процессы с подавлением циркуляции.

На рисунке 137,г каждая полость формально описывается двумя высотными участками, формирующими тягу полости, и горизонтальным участком, формирующим газодинамическое сопротивление полости (колпака). При снижении расхода газа горизонтальные участки графика на рисунке 137,г сокращаются, и рисунок 137,г преобразуется в рисунок 137,в. Видно, что по самому факту появления дымления из щелей можно в определённой мере судить о газодинамических свойствах печи.

Создание в печах всевозможных полостей бывает очень заманчивым для печников-практиков. Действительно, чем обдумывать оптимальный вариант прокладки каналов, проще, не задумываясь, направить дымовые газы в некий колпак, наивно полагая, что колпак сам по себе по своей внутренней природе «автоматически» охладит дымовые газы, причём при отсутствии гидравлических потерь (сопротивлений). К сожалению, газодинамические сопротивления существуют всегда, даже при внутренних свободно конвективных течениях внутри изолированных полостей (колпаков). Стоит только появиться потоку газа, тут же появляется сопротивление потоку (и вдоль сквозной вентиляционной траектории через полость, и вдоль внутренней циркуляционной траектории внутри полости). Поскольку сопротивление трения обычно мало, величину реального сопротивления можно визуально оценить по интенсивности турбулизации потоков в печи: чем больше вы видите вихрей, тем больше газодинамическое сопротивление. При этом турбулентности возникают, по крайней мере, в трёх случаях: при больших скоростях в канале, при наличии поворотов и разворотов в каналах, а также при турбулизациях струй при сужении и расширении каналов (при истечениях из каналов в полости).

Особо остановимся на возможности накопления в колпаках токсичных и взрывоопасных газов (продуктов пиролиза древесины). Так, например, если на этапе интенсивного горения дров закрыть воздухоподающее отверстие, то раскалённый топливник продолжает нагревать дрова, а выделяющиеся при этом продукты пиролиза заполняют весь объём печи (вне зависимости от того, имеет ли печь полости, колпаки или только каналы), а при низких температурах дополнительно и пропитывают кладку.

Каналы сушатся и вентилируются легко, в каналах затруднено воспламенение горючих смесей за счёт повышенного теплоотвода в стенки, каналы механически прочней полостей ввиду малых поперечных размеров. А вот полость, особенно тупиковая, заполненная смесью горючего газа с воздухом и имеющая стенки большой площади, может сыграть роль своеобразной «бомбы». При горении стехиометрических смесей температура продуктов сгорания может теоретически достичь 2000°С (с повышением давления в замкнутом сосуде до 8 атм). При объёмах, например, 400 литров, произведение объёма на давление может, в принципе, достичь 3200. Хотя на печи не распространяются требования «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 03-576-03), тем не менее целесообразно предусматривать определённые предосторожности (не прикрывать верхнюю вьюшку, делать постоянные открытые продухи из верха колпаков в трубы, закладывать прочистные отверстия легковыбрасываемыми заделками и т. п.). Так или иначе, при работе с любыми печами (особенно с герметичными дверками) известны случаи глухих хлопков внутри с выбросами дыма и пламени из топливника.

В связи с этим, напомним, что возможность накопления взрывоопасных газов в крупных полостях печей порождает сомнения в правомерности перевода колпаковых печей на горелки с природным магистральным газом метаном, поскольку метан легче воздуха, а баллонный газ пропан тяжелее воздуха (см. Ю.П. Соснин, E.H. Бухаркин, Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, М.: Стройиздат, 1991 г., стр. 247). Тем не менее, колпаковые печи допущены к переводу на газовое топливо. Согласно «Правил производства работ, ремонта печей и дымовых каналов» (ВДПО, соглас. с МВД РСФСР, 1991) «к переводу на газовое топливо следует допускать отопительные и отопительно-варочные печи с движением продуктов сгорания по каналам, соединённым последовательно и имеющих не более пяти дымооборотов для отопительных печей и не более трёх для отопительно-варочных; с движением продуктов сгорания без каналов свободно внутри полостей; с движением продуктов сгорания по каналам, соединённым параллельно; с движением продуктов сгорания по комбинированной схеме каналов — параллельным, последовательным и без каналов Не допускаются к переводу на газ печи с горизонтальным расположением каналов». Последний пункт представляется удивительным: ведь печи с горизонтальными дымооборотами являются по существу прямоточными, не способными накапливать какие-либо взрывоопасные газы ввиду «сквозняка». Значит, имелись какие-то более веские (чем взрывоопасность) причины для их запрета. По-видимому, был принят во внимание тот факт, что горизонтальные дымообороты являются по существу потолками, имеют наивысшую теплосъёмную способность, а потому и очень сильно прогреваются (причём неоднородно) и, расширяясь, растрескивают («рвут») печь изнутри. А проникновение газа в помещения всегда наиболее опасны. Действительно, наличие горячего «ядра» в печи и неоднородный нагрев оболочки всегда чреваты хрупкой разгерметизацией. Так, в указанных правилах топливник футеруют (защищают от разрушения) только при периодической (а значит и интенсивной) топке газом, а при непрерывной топке (то есть подавая газ круглосуточно по чуть-чуть) футеровка не требуется.

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