1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10/10 9,86оценок: 7

Газодинамика классического камина

Тема в разделе "Печи и камины", создана пользователем Юрий Хошев, 19.01.09.

  1. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    До сих пор в теории каминов нет четких объяснений, нужны ли дымовой зуб /уступ/, заужение /горловина/, дымовая камера. По-существу, дачник не способен осуществить осознанный выбор проекта камина из множества предложений. Ясно только одно - нужен дымосборник / колпак, купол, навес, вытяжной зонт / и нужна некая /"достаточная"/ производительность дымовой трубы. Дымосборник печник выбирает с учетом пожеланий заказчика интуитивно исходя из конфигурации и размеров костра, а высоту и проходное сечение дымовой трубы выбирает по неким графикам, номограммам, таблицам, предлагаемым / но не разъясняемым / в литературе.
    Классическая работа Росина "Аэродинамика домашних отрытых очагов", Лондон, 1937 год, надолго задавшая стиль мышления печников всего мира, описала весь процесс как засасывание воздуха /через окно-проем портала/ и дымовых газов /дыма/ дымовой трубой "как пылесосом". Процесс был смоделирован Росиным экспериментально и исследован количественно на гидравлической модели течений воды и солевых /тяжелых/ растворов /проливом неких каналов, имитирующих камин/. По сути это была модель принудительного камина с дымососом.
    Так или иначе, сейчас различают три режима камина - с недостаточной тягой / с дымлением-переливом через портал /, с нормальной тягой и с избыточной тягой /когда труба заполняется холодными дымовыми газами, но тем не менее обеспечивает тягу!/ -см. вложение "В.Н.Глухих".
    В открываемой теме предлагается для обсуждения иная модель каминного процесса, позволяющая понять, когда и зачем нужны заужения, уступы и дымовые камеры. Модель учитывает, что тяга в трубе создается не дымососом, а самими дымовыми газами. Газовые течения без механических воздействий /только за счет нагрева газа / называются гравитационными / свободными, вольными, естественными/. Отметим для ясности, что так называемые "свободные движения газов" по И.В.Кузнецову имеют совсем иной смысл.
    Гравитационое движение газа - это всплывание объема горячего газа в среде более холодного газа / за счет Архимедовых сил/. Гравитационные течения могут быть двух типов - без тяги / только за счет подъемной силы/ и с тягой /за счет разрежения в трубе/.
    Например, дым от костра движется без тяги как воздушный шар - если "выдернуть" из дымового столба "кусок" дыма или перегородить дыму путь пластиной 7 / см. вложение "режим с тягой"/, то костер этого совсем не почувствует. Течение без тяги /ТБТ/ отвечает так называемой внешней задаче газодинамики - всплыванию у горячей стены печи. Такие течения реализуются в русских печах и курных банях, являются аналогами безнапорных водоводных систем - рек, водопадов и прудов.
    Если же горячий газ заполняет все сечение трубы, то возникает тяга - каждый объем всплывающих в трубе газов ускоряется не только за счет своей собственной подъемной силы, но и за счет вытягивания более ускоренными вышележащими объемами газа. Если закрыть задвижку 6, то это тотчас почувствуют все газы по всей трубе - остановятся.Течение с тягой /ТСТ/ отвечают так называемой внутренней задаче газодинамики - засасыванию в дымовую трубу. Такие течения реализуются в канальных и канально-полостных печах / голландках, шведках, колпаковых, прямоточных и тп/, являются аналогами самонапорных водопроводных систем. Без четкого уяснения различий ТБТ и ТСТ понять работу камина невозможно. Дело в том, что течения с тягой по производительности / по расходу газа/ во много раз превышают течения без тяги.
    Теперь рассмотрим "нормальный" режим работы камина / вложение " с тягой"/. Считается, что в вытяжном зонте формируется некий уровень 5 дымовых газов. К этому уровню снизу поступают без тяги дымовые газы 4 / растекаясь по поверхности/. От этого уровня вверх газы удаляются течением с тягой. Если тягу прервать задвижкой 6, то дым тотчас перельется через края зонта /портала/.
    Но что характерно - горячие газы Г образуются из холодного воздуха Х1. А холодный поток Х2, выполняющий роль воздушной занавески и отгоняющий задымливающие потоки 9, в этой схеме образоваться принципиально не может, поскольку слой 5 неподвижен и не может засасывать тяжелый холодный воздух. По-существу, в этой схеме через трубу удаляются лишь всплывающие горячие газы. Наличие зубов и камер в этой схеме картину не изменяет. При этом температура трубы должна быть очень высокой, а это как раз и не наблюдается на практике. То есть, можно, конечно, сделать камин с горячей трубой, но такой камин при этом будет неминуемо дымить.
    Значит, в реальном недымящем камине /открытом очаге/ создается совсем другая схема! Дымовая труба как пылесос засасывает и холодные Х2, и горячие Г газы / как в принудительном камине!/ - см. вложение "без тяги". А раз в трубе одновременно находится и столб холодного, и столб горячего газа, то тяги в трубе нет. В такой трубе горячий газ просто всплывает в холодном воздухе под действием архимедовой силы - иными словами, очаг горит как обычный костер, и надо делать трубу широкой, чтобы в ней уместились все восходящие дымовые газы.
    Чтобы возникла тяга, надо горячие и холодные газы перемешать, и образованным теплым воздухом заполнить все сечение трубы. Только тогда возникнет естественная гравитационная тяга, тотчас рывком повышающая расход газа через трубу / как при прогреве воздуха в холодной трубе горящей газетной бумагой/.
    Во вложении "принцип" пояснена схема дальнейших рассуждений. Газы Г и Х2 должны быть сближены в горловине, причем всплывающий горячий газ должен пересечь холодный поток, зуб дает завихрение, в дымовой камере все смешивается и в трубу на высоте Н поступает однородно теплый газ. Схемы входного узла могут быть разными, лишь бы смешение произошло как можно быстрее. Например, если нет дымовой камеры над зубом, то и газ будет долго смешиваться по тракту, а значит и действующая высота трубы Н будет меньше. Горловина может быть и больше по площади, чем труба, а может быть и меньше - чем меньше горловина, тем меньше подсос холодного воздуха Х2 и тем более вероятно дымление / на этапе развитого горения!/. Никакие расхожие соображения об ускорениях Бернулли в горловине не существенны, такие ускорения ведь находятся внутри за стенкой и никак не могут ускорять движения газов в портале.
    Распределения избыточных давлений в камине приведены справа. Пунктиром показано, как повысится засасывающее разрежение в портале при сокращении длины участка смешения /продолжение следует/.
     

    Вложения:

    • В.Н.Глухих,режимы каминов.jpg
    • режим с тягой.jpg
    • режим без тяги.jpg
    • принцип.jpg
    Юрий Хошев , 19.01.09
    #1 + Цитировать
  2. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение. Часть 2. В этой части речь пойдет об особенностях щелевой горловины.

    В части 1 установлено наличие в камине зон с разным характером гравитационных течений /см. вложение "зонирование "/ - при этом возникает вопрос о высоте тягового участка 3 / то есть об эффективной высоте трубы камина/. Переходный участок 2 / а также оголовочный участок 4/ не дает вклада в тягу /вопреки Соснину-Глухих-Афанасьеву/ именно в режиме развитого горения камина, и при прорывах холодного газа тяга может срываться с резким сокращением расхода и выбросом дыма из портала.

    Участок 2 - это поток засасываемого холодного газа, в котором всплывают /как воздушные шары за счет подъемной силы / горячие газы. Этот поток можно было бы рассматривать как некий внешне-принудительный / по Росину/, если бы не факт того, что тяга / как поршень/ является не внешней механической /в виде дымососа/, а возникает "сама собой" естественно и только при смешении холодного и горячего газов.Так что принудительная модель "пылесоса" является слишком упрощенной для камина и не может объяснить многие явления.

    Так или иначе, засасываемая струя холодного газа 2Х обеспечивает "воздушную занавеску портала", и эта занавеска должна располагаться у верха окна портала /см., например, вложение "В.Н.Глухих-зонт"/. Особенно трудно создать такую занавеску в длинном / шириной камина 1 метр и более/ прямоугольном окне портала. Дело в том, что центрально расположенная труба лучше засасывает по оси камина /в середине верха окна камина/, а на правом и левом боках камина скорость засасывания обычно недостаточна для предотвращения выхода дыма в помещение /поэтому зачастую предпочитают арочные окна портала/.

    Равномерное всасывание в длинную щель горловины можно получить только при равных перепадах давления газа во всех точках щели. Поясним это на примере всем известного душевого рассекателя /см. вложение "душ"/. Из всех дырочек струйки воды вытекают равномерно лишь при большом гидравлическом сопротивлении дырочек и при достаточно большом объеме водной полости, выравнивающей давления на всех дырочках. Так и в камине - длинная щель горловины должна располагаться между двумя большими объемами газа так, чтобы сопротивления путей подвода и отвода газа от щели были много меньшими, чем сопротивления в самой щели. В технике это называется "выравниванием давления" на щели. Поэтому, выбирая проект широкого камина, дачник должен убедиться в том, что щель горловины располагается под достаточно просторной дымовой камерой так, что полки 5 /дно дымовой камеры в виде одного или двух зубов/ обеспечивали бы одинаковый отвод газов от всех точек щели /см. вложение "щель"/. И снизу щель должна просторно выходить в объем дымосборника. Сама щель должна иметь большое гидравлическое сопротивление /может быть за счет поворотной заслонки / по сравнению с сопротивлением дымосборника и дымовой камеры. Фактически, длинная щель горловины не может работать без зуба и дымовой камеры, поскольку в кирпичных каминах иные решения / например, плавно расширяющиеся раструбы/ практически невозможны.

    В части 3 будет показано, что при растопке, горении и при догорании камина реализуются совсем разные режимы течений. Продолжение следует.
     

    Вложения:

    • зонирование.jpg
    • душ.jpg
    • щель в потоке.jpg
    • В.Н.Глухих-зонт.jpg
    Юрий Хошев , 20.01.09
    #2 + Цитировать
  3. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение. Часть 3. В этой части речь пойдет о появлении тяги при растопке камина.

    Цикл протопки камина разбивается на три этапа. На первом этапе / на стадии растопки / отсутствует тяга дымовой трубы, и горячие газы отводятся за счет собственной подъемной силы без тяги. На втором этапе / на стадии активного горения / все определяется тягой дымовой трубы, причем тягой, возникающей в основном из-за большого количества теплых дымовых газов в относительно холодной дымовой трубе. На третьем этапе / на стадии догорания углей / все определяется тягой дымовой трубы, причем тягой, возникающей в основном из-за наличия горячих стенок дымовой трубы. Если четко описать явления на каждом этапе, то можно будет численно моделировать режимы математическими методами, а также упорядоченно /осознанно/ исследовать процесс экспериментально.

    Наиболее сложны явления на первом этапе, когда еще нет тяги дымовой трубы. На практике этот этап сейчас стараются устранить либо специальным прогревом трубы / например, газетной бумагой или тепловентилятором /, либо сохранением трубы теплой с предыдущей протопки, либо принудительным / механическим / вентилированием трубы. Но ведь в средние века ни вентиляторов, ни газет для растопки не было. Тем не менее проблемы решались.

    Если объем горячего газа / например, в виде "воздушного шарика" / НЕ перекрывает все сечение дымовой трубы /см. вложение "подъемная сила и тяга", левый рисунок /, то при подъеме горячего газа холодный воздух попросту перемещается в объеме трубы из верхней части над шариком в нижнюю / реализуется, по-существу, явление обтекания/. Подъемная сила есть, но тяги нет. Если же объем горячего газа перекрывает все сечение трубы / средний рисунок /, то при подъеме горячего газа холодный воздух из верхней части над шариком выталкивается "как поршнем" вверх из дымовой трубы, а снизу появляется приток холодного воздуха. То есть появляется тяга. На практике поток горячего газа постепенно расширяется при движении вверх, так что тяга появляется в верхней части трубы / правый рисунок/.

    Течение без тяги реализуется в костре / см. вложение "костер"/. Горячие продукты сгорания ускоряются вверх в виде сужающейся струи /ядра/. Холодный воздух вне струи перемещается совершенно произвольно, даже вниз / и конечно же может даже сдувать струю дыма/. Но с увеличением скорости, дым начинает увлекать за собой окружающий холодный воздух /из-за трения и взвихриваний/ в виде расширяющегося турбулентного столба. Из-за такого увлечения-подсасывания /"эжекции"/ холодного воздуха ХЭ, температура струи быстро снижается. На практике струя охлаждается еще быстрее, чем это представлено на теоретической кривой справа, поскольку малейшие дуновения ветра сдувают струю и дополнительно охлаждают. Поэтому в каминах стараются ограничить подсасывания /эжекцию/ окружением костра стенками камина.

    Обратим внимание, что горячие газы внутри открытого костра поднимаются также без тяги /если пренебречь некими "трубами", образующимися между поленьями в плотном костре/. А это значит, что в костре поступление свежего воздуха ХГ определяется скоростью горения /чем больше дымового газа поднимается вверх, тем больше свежего воздуха ХГ подсасывается/. А в печах /в отличие от открытого костра/ поступление свежего воздуха определяется исключительно производительностью дымовой трубы и не зависит от скорости горения /что вызывает, в частности, появление черного дымления в печах/.

    В свободной дымовой струе практически нет перепадов давления /то есть нет тяги/, за исключением небольших подъемов давления на оси из-за торможения струи трением о холодный воздух /см. вложение "подъем газа без тяги", сечение А/. Дело в том, что подъемная сила тратится целиком на ускорение газа. Если горячий поднимающийся газ остановить, то давление тут же появится в виде "давления торможения". Так, при набегании струи на пластину В, под пластиной появляется избыточное давление Ри, которое вызывает радиальное растекание струи. Если в пластине сделать отверстие, то газ будет проходить через него под напором. Напомним, что скорость в отверстии /"форточке"/ не может превышать скорость набегающего потока /ветра/. Такое же явление наблюдается при набегании струи на зонт /колпак/. Давление в зонте складывается из давления торможения и тяги в зонте.

    В случае широкой горловины дым поднимается без тяги в трубу, где может перекрыть все сечение трубы и возбудить тягу Н /см. вложение "широкая горловина"/. Может быть, тяга вообще не возникнет, и производительность трубы останется крайне низкой. Но с увеличением расхода дыма вся дымовая система неминуемо где-то захлебнется, и возникнет тяга. Так, в случае узкой горловины, от дыма захлебнется дымосборник и создаст тягу h /см. вложение "узкая горловина"/. Эта тяга h может быть и достаточной, и не достаточной. Производительность дымосборника пропорциональна произведению сечения горловины на корень квадратный из произведения высоты дымосборника и избытка /перепада вне и внутри/ температуры. При недостаточной тяге камин начнет дымить через портал, то есть при растопке при узкой горловине, при низкой температуре и при малой высоте конуса дымосборника / а также при высоком расположении дымосборника/ разжигать огонь необходимо медленно. Но что характерно, режим переполнения дымосборника с дымлением через портал является устойчивым во времени.

    Если дымосборник высокий, то тяга дымосборника будет способна отвести все дымовые газы. Дымление через портал будет невозможным. Казалось бы, что это хорошо. Но посмотрим, что при этом произойдет.

    Пусть из заполненного горячим газом дымосборника выйдет некий объем горячего воздуха /см. вложение "исчезновение тяги", рис. а /, а вместо него войдет и холодный Х, и горячий Г газ /рис. б /. В ходе естественного перетекания газов образуется некоторое распределение газов /рис. в/. Повторное проведение этой процедуры приведет к исчезновению тяги в дымосборнике. Если труба короткая, то тяга в системе исчезнет вообще. Дымосборник начнет заполняться только горячим всплывающим газом, а холодный воздух в это время проникать в дымосборник не сможет, так как тяга в дымосборнике /подсос/ отсутствует. Затем заполнившийся дымосборник вновь опустошится из-за возникшей тяги по вышеприведенной схеме. То есть без смесительного узла, тотчас перемешивающего в дымосборнике горячие и холодные газы, или без теплообменного узла, выравнивающего в дымосборнике температуры горячего и холодного газов, устойчивая работа дымосборника /как движущей силы камина/ невозможна.
     

    Вложения:

    • подъемная сила и тяга.jpg
    • костер.jpg
    • подъем газа без тяги.jpg
    • широкая горловина.jpg
    • узкая горловина.jpg
    • исчезновение тяги.jpg
    Юрий Хошев , 25.01.09
    #3 + Цитировать
  4. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение.

    Но если мы и смешаем как-то в дымосборнике холодные ХТ / "занавесочные" засасываемые тягой трубы / и горячие Г / из пламени/ газы с получением однородных теплых газов, то это не будет означать, что далее всюду по трубе будет реализована тяга, поскольку в случае расширений трубы полученные теплые газы придется вновь смешивать с некими падающими в трубе холодными газами ХП /см. вложение "дымкамера без тяги"/. Так что в трубе могут существовать отдельные участки без тяги.

    Но может быть в деле смешения газов способен помочь колпак над пламенем? Ведь колпак некоторое время удерживает /аккумулирует/ в себе горячие газы. Действительно, при растопке горячие газы Г поднимаются к потолку колпака и выталкивают из колпака холодные /может быть и задымленные/ газы за счет своей подъемной силы /см. вложение "колпак без тяги"/. Накопившись в колпаке, горячие газы начинают переливаться в трубу тоже за счет своей подъемной силы. При этом горячий воздух начинает течь "по потолку из горячего воздуха в колпаке" в трубу по "каналу", ограниченному пунктирными кривыми. Здесь возникает водоводная модель плотины с переливом, характерная для русских /духовых/ печей /см. вложение "течение Грум-Гржимайло-Есьмана"/.

    Занавесочный поток холодного воздуха ХТ при этом возникнуть сможет лишь при появлении тяги в трубе, то есть при перекрытии горячим воздухом всего сечения трубы. Возникшая "пробка" горячего ускоряющегося газа начинает засасывать в трубу "все что попало", в том числе и холодный воздух ХТ / в случае производительности трубы, превышающей расход горячих газов от пламени/. Тогда в трубе возникнет некий участок смешения /выравнивания температур/, после которого /вверх/ образуется устойчивый сформировавшийся участок трубы с тягой / см. вложение "колпак с тягой"/.

    Колпак можно перегородить некой стенкой с перевалом 6 /см. вложение "очаг с проточным колпаком"/. Такая конструкция не дает погаснуть / с появлением черного дыма / верхушке пламени из-за недостатка кислорода, поскольку в опускном канале появляется "тяга вниз", засасывающая холодный воздух ХТ для сопровождения пламени. Однако и в этом случае возникает та же необходимость отвода дымовых газов в трубу и та же дилемма возможностей течения без тяги / в широком дымоходе/ и течения с тягой / в узком дымоходе/.
     

    Вложения:

    • дымкамера без тяги.jpg
    • колпак без тяги.jpg
    • колпак с тягой.jpg
    • очаг с проточным колпаком.jpg
    Юрий Хошев , 29.01.09
    #4 + Цитировать
  5. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение. Часть 4. В этой части речь пойдет об экспериментальных данных по характеру течения в дымосборнике камина.

    Английский камин григорианского периода имел дымовую трубу большого поперечного сечения, достаточного для проникновения в него трубочиста /см. левый рисунок во вложении "рамфорд"/. На этапе растопки и при порывах ветра такие камины дымили, поскольку дым поднимался в них без тяги и никак не мешал "падающим в трубу" /и задымляющимся в трубе/ потокам холодного воздуха ХП проникать в помещение.

    В 1796 году граф Рамфорд предложил способ улучшения таких каминов путем заужения входа в трубу /для предотвращения дымления/ и за счет углового расположения боковых стенок-"крыльев" топки /для увеличения лучистого потока/. Техническая суть решения заключалась в том, что, не переделывая трубу камина, на задней стенке топки камина выкладывалась дополнительная стенка из кирпича 2 /см. правый рисунок вложения "рамфорд"/, а "грудь" камина аэродинамически закруглялась штукатурным способом 3 так, чтобы образовывалась заужение в виде горловины. Тотчас же Томас Данфорт "полностью объяснил" достигнутый положительный эффект тем, что образовавшийся уступ /шельф, порог, зуб/ заворачивает вверх нисходящие потоки холодного воздуха ХП. Такое объяснение многократно "опровергалось", но до сих пор так и не "опровергнуто" и широко используется в литературе. Сам Рамфорд обещал опубликовать свои экспериментальные исследования, но так и не опубликовал /см.www.rumford.com|.

    Такая конструкция камина в последующие 50 лет оставалась основной в Англии, и слова "рамфорд" и "камин" были по-существу синонимами. В викторианский период с 1850-х годов трубы стали делать значительно более узкими, но на заужение /горловину/ и на зуб никто не смел покушаться, считая, что это неотъемлемая черта настоящего /классического/ английского камина /хотя напомним, что с нашей точки зрения, зуб необходим лишь в широких порталах, а в венецианских "зонтичных" каминах с 1500-х годов зуб совсем не применялся/.

    В 1937 году Росин провел гидравлические испытания моделей каминов с зубом и без зуба /см. вложение "Rosin, 1937"/. Было показано, что зуб /уступ,заужение/ делает течение на входе в камин ламинарным, то есть гасит вихри за "грудью" портала /якобы за счет увеличения скорости потока/. По мнению Росина, любые вихри в потоке вредят камину, поскольку "съедают" тягу и могут, к тому же, "вылезать" в помещение. Тем не менее, Росин обнаружил и описал два типа вихрей в камине - взвихривание дымовых газов над зубом /уступом/ и взвихривание "занавесочного" потока холодного воздуха за "грудью". "Беда" этих исследований Росина была в том, что поток воды в модели создавался принудительно, в то время как в каминах тяга создавалась сама-собой самими "взвихривающимися" горячими газами.

    Ламинарный характер течения газов в дымосборнике впоследствии подтвердился многими исследователями. Так, Джим Бакли в США на известных полуфабрикатных каминах фирмы "МакНие Брик"
    установил, что в горловине камина текут ламинарно /не взаимодействуя турбулентно и не перемешиваясь/ поток горячих дымовых газов с температурой 350 град. Цельсия и поток холодного воздуха с температурой 22 град. Цельсия /см. вложение "www.rumford.com/. Именно этим фактом Бакли объяснил отсутствие дымления мелких каминов фирмы и полное сгорание летучих в контакте с ламинарным вторичным воздухом. Тут же возникает тот же вопрос - где же и как возникает в трубе тяга? И чем определяется температура в трубе?
     

    Вложения:

    • течение Грум-Гржимайло-Есьмана.jpg
    • рамфорд.jpg
    • Rosin, 1937.jpg
    • www.rumford.com.jpg
    Юрий Хошев , 29.01.09
    #5 + Цитировать
  6. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение. Часть 5. В этой части речь пойдет о расчете дымовой трубы.

    Систематизированных экспериментальных исследований / в виде графиков / по влиянию размеров трубы на характер горения камина до сих пор в литературе нет. Зато имеются многочисленные расчетные зависимости для подбора размеров трубы по заданному размеру портала. Таких зависимостей в виде графиков, номограмм и таблиц известно более тридцати, они все отличаются порой очень сильно. Но главное, в подавляющем большинстве случаев не указывается, как же эти зависимости рассчитывались. Практически нигде не поясняется, что конкретно принимается за высоту трубы / то ли высота от пода до оголовка, то ли от верха дымовой камеры/.

    Здесь мы попытаемся выяснить причину расхождений расчетов разных авторов и определить влияние отдельных факторов на производительность трубы. Всюду будут рассматриваться только круглые трубы. В случае квадратных и прямоугольных труб следует принимать известную поправку на геометрическую форму сечения.

    Наибольшей популярностью среди печников в нашей стране пользуется график шведских исследователей, приведенный в финской книге К.Мякеля "Печи и камины", М.:Стройиздат, 1989г. / см. кривую 1 на вложении "графики для расчета трубы камина"/ для скорости воздуха в портале 0,25 м/сек. Она как-бы универсальна для всех диаметров и высот труб и связывает высоту трубы Н с отношением площадей сечений трубы f и портала F. В книге Ш.К.Афанасьева "Камины. Современный взгляд", М.: Аделант, 2007г. камины, отклоняющиеся от этой кривой даже на несколько процентов!, называют "хромыми", то есть ненадежными. В то же время все более авторитетными становятся сейчас кривые известной трубостроительной фирмы "Шидель" - www.schiedel.ru / см. кривую 2 для диаметра 200мм и кривую 3 для диаметра 250мм / для скорости воздуха в портале 0,18 м/сек. Видно, что кривые 1 и 2 отличаются существенно: по высоте трубы до 2 раз! Причем такое различие никак нельзя объяснить разными принятыми скоростями воздуха в портале, а также способами отсчета высоты трубы. Так что, мнение Афанасьева о "хромых" каминах повисает в воздухе.

    Во вложении "графики..." приведены кривые 4, 5 и 6 по стандартному простейшему расчету труб /см. например, у В.Н.Глухих без учета трения и снижения температуры в трубе/ для температур в трубе 100град, 50град и 25 град соответственно /вернее, для таких превышений температуры в трубе над температурой в атмосфере/. Ясно видно, что кривые 4. 5 и 6 значительно более пологи, чем кривые 1 и 2. Значит, простейшие расчеты по Глухих и Соснину очень некорректны. Одновременно видно, что повышение температуры в трубе с 25град до 100 град снижает потребную высоту трубы Н в четыре раза!.

    Учтем влияние возможного снижения температуры дымовых газов при движении вверх по дымовой трубе. Кривые 7 и 8 отвечают экспоненциальному снижению температуры для начальных температур 100град и 50град соответственно. Так, для кривой 7 на высоте трубы 0 метров температура равна 100град, на высоте 4м - 71град, на высоте 16м - 25град. Видно, что влияние возможного спада температуры очень велико, особенно, естественно, для высоких труб. Качественный ход кривых 7 и 8 приближается к ходу классических кривых 1 и 2. Значит, для каминов /на этапе развитого горения, но не при догорании!/ очень важно иметь малотеплоемкие низкотеплопроводные трубы /с большим термическим сопротивлением/.

    Во вложении "труба-влияние сопротивления" анализируется ход тех же кривых, но с учетом не только учитывавшегося ранее газодинамического /на завихрения/ сопротивления, но и вязкостного сопротивления /трения/, наиболее существенного именно для высоких узких труб. Кривые 1, 2 и 3 те же, что и ранее. Кривая 4 реперная - построена по простейшему расчету Глухих для 60 град. Кривая 5 соответствует кривой 4, но построена с учетом сопротивления гладкой металлической трубы. Видно, что учет сопротивления объясняет ход кривой Шиделя 2.

    Кривая 8 реперная - построена по простейшему расчету Глухих для 50град /соответствует кривой 5 во вложении "графики..."/. Кривая 7 соответствует кривой 8, но с построена с учетом сопротивления гладкой металлической трубы. Кривая 6 тоже соответствует кривой 8, но построена с учетом сопротивления кирпичной неоштукатуренной трубы /круглой/. Видно, что кривая Мякеля лучше соответствует зависимости для кирпичной трубы.

    Таким образом, расчет труб следует производить с учетом трения и неоднородности температур в трубе. Но самое большое влияние на расходные характеристики трубы оказывает все же рабочая температура трубы. Пусть расчет Шиделя вполне корректен, но ведь он построен для температуры именно 80град, причем непонятно, почему выбрана именно такая температура.. И стоит температуре повыситься или понизиться на 20-30град. то тотчас все расчеты Шиделя идут насмарку /продолжение следует/.
     

    Вложения:

    • графики для рсчета трубы камина.jpg
    • труба-влияние сопротивления.jpg
    Юрий Хошев , 06.02.09
    #6 + Цитировать
  7. юрек

    юрек

    юрек

    Гость

    У Вас много свободного времени- учебники переписывать... Свой напишите тогда. Лажа какая-то...
     
    юрек , 08.02.09
    #7 + Цитировать
  8. Sanek.
    Регистрация:
    11.10.08
    Сообщения:
    1.208
    Благодарности:
    1.192

    Sanek.

    Живу здесь

    Sanek.

    Живу здесь

    Регистрация:
    11.10.08
    Сообщения:
    1.208
    Благодарности:
    1.192
    Адрес:
    Киров

    К Вашему сведению, Хошев Юрий Михайлович - автор книг по печам и многочисленных статей. Так, что своих написанных книг у него предостаточно. А Юрию Михайловичу - большое спасибо за его труд!
     
    Sanek. , 08.02.09
    #8 + Цитировать
  9. SuperGSM
    Регистрация:
    21.01.09
    Сообщения:
    5.929
    Благодарности:
    1.519

    SuperGSM

    Живу здесь

    SuperGSM

    Живу здесь

    Регистрация:
    21.01.09
    Сообщения:
    5.929
    Благодарности:
    1.519
    Адрес:
    Москва
    Кому как. Я для себя кое что новое и интересное нашел.
     
    SuperGSM , 08.02.09
    #9 + Цитировать
  10. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Приношу извинения, поскольку понимаю Ваши чувства. Я сам не люблю монологи-жизнеописания, тем более на форумах. Форум вроде бы предназначен для динамических общений в форме трепа, а не для заумных монологов и статей.

    Но готовой статьи у меня нет и неизвестно, будет ли. А мне надо попытаться последовательно изложить свои собственные / пока еще очень туманные и "сырые" / соображения для обсуждения с двуми своими въедливыми оппонентами. И я решил неспешно изложить эти соображения публично в форуме, все равно ведь приходится писать - на словах и на пальцах такой материал не изложишь. Кто знает, допишу ли, материал трудный и противоречивый, формирующийся он-лайн - так хоть что-то не пропадет. Этот форум, мне кажется, никогда не закроется и все сохранит. Может кто когда заинтересуется, задумается, перечеркает все и двинется вперед. Ну а если не заинтересуется - тоже ничего страшного нет.

    Всего этого ни в книжках, ни в учебниках нет, материал новый, ниоткуда не переписанный. Вернее, все это по отдельности, конечно же, есть где-то там в разбросанном виде в профессиональных изданиях / печных, общестроительных, физических /, но не в той форме применительно к каминам. Если смогу со временем с Вашей помощью до конца разобраться с газодинамикой - может напишу отдельную книжку для дачников.

    Новизна настоящего анализа заключается в том, что он построен на четком противопоставлении двух типов свободных движений газов - только с обычной подъемной силой /режим костра или воздушного шара / и с подъемной силой в форме тяги / режим печи /. В частности, именно чередование этих режимов объясняет характер вытекания воды из перевернутой бутылки. Такой характер течения был отмечен ранее И.В.Кузнецовым / но по другому трактовался /для объяснения причины дымления каминов в герметичном помещении. Сначала вода из перевернутой бутылки вытекает "с тягой" /режим водопровода под собственным напором/ за счет продавливания воды через горлышко под весом всего вышерасположенного столба воды. Затем / при создании разрежения в бутылке / вода "останавливается" и "соскальзывает" по одной из стенок бутылки /пробулькивает/. При этом вода начинает течь не как в трубе водопровода, а как в водоводе - переливе /водопаде/, имея рядом с собой свободный сквозной канал воздуха / или как в речке или сточной трубе, имея над собой пространство воздуха /. Именно по этому свободному сквозному каналу начинает течь воздух в бутылку, устраняя разрежение. Затем, при исчезновения разрежения, вода вновь перекрывает все сечение бутылки - происходит обратный переход из водоводного течения в более производительный водопроводный. Затем вновь возникает разрежение и так далее.

    Так вот при розжиге камина реализуется режим течения дымовых газов без тяги. И в режиме развитого горения в дымосборнике / может и в дымовой камере / тяги НЕТ.

    Во вторых - новизна заключается в том, что в режиме тяги учтена возможность равномерного течения горячих газов по параллельным восходящим каналам / вопреки Свиязову / или в щелевых каналах. Это отмечалось ранее / в частности А.Ф.Бацулиным / применительно к каминам, а здесь развито... В третьих - исследуются течения в дымосборнике в форме "стока", такие течения обладают низкой "дальнобойностью", так что дымосборник должен иметь особую форму... И т.д. и т.п.
     
    Юрий Хошев , 10.02.09
    #10 + Цитировать
  11. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Продолжение.

    Раз все размерные характеристики камина сильно зависят от температуры в трубе, давайте проанализируем, как же может изменяться температура в трубе камина при разгорании камина. Систематические экспериментальные данные в литературе, как ни странно, фактически отсутствуют, имеются одиночные упоминания на американских форумах о температурах то 40град Ц / 100град по Фаренгейту/. то 70 град Ц. Поэтому построим расчетные зависимости по простейшей модели Глухих с учетом газодинамического сопротивления и трения на стенках высокой трубы, но без учета динамики прогрева трубы и снижения температуры трубы по высоте.

    Во вложении "большой камин" приведен расчет камина с гладкой /металлической утепленной / трубой диаметром 0,3м и высотой 10м, с площадью портала 1м2. Отношение f/F составляет всего 6,75%, что намного меньше допустимого значения по Мякеля 10-15%. Видно, что линейная скорость холодного воздуха в портале Vx = 25 см/сек достигается при расходе дров 5 кг/час /влажностью 25% /. Температура дыма в трубе / дельта Т / при этом составляет около 60град Ц. С ростом пламени / с увеличением расхода дров/ температура дыма в трубе и скорость холодного воздуха в портале растет, но не так уж и быстро. Сильные изменения происходят лишь при малых расходах дров до 1 кг/час. Коэффициент избытка воздуха "альфа" быстро падает до 20 при расходе дров 15 кг/час. Но при малых расходах дров менее 2 кг/час "альфа", как ни странно, очень велика - более 80, то есть маленький костерчик способен "засосать" в трубу относительно много избыточного воздуха в виде "занавески" в портале.

    Отметим, что в отечественных строительных нормах скорость 20 см/сек считается "полным штилем" в жилом помещении, не создающей "сквозняка". Так, дальнобойность струй приточной вентиляции обозначается "L 0,2", то есть до той точки, где скорость струи приточного воздуха падает до 0,2 м/сек. Поэтому шведское значение 0,25 м/сек соответствует уровню "комфортного воздушного душирования". Скорости же воздуха от прохода людей около камина достигают 1 м/сек. Такие скорости в портале практически недостижимы даже при мощном костре - требуется более широкая дымовая труба. Так что порывистые движения людей у камина нежелательны.

    Саморегуляция тяги происходит таким образом. Чем сильнее разгорается костер, тем выше температура в трубе, тем сильнее тяга. Но при этом возрастает скорость воздуха в портале, ограничивающая рост температуры. Анализ устойчивости этого процесса будет произведен отдельно.

    Во вложении "малый камин" приведен расчет для сверхмалого дачного камина с порталом 0,50х0,45м и с кирпичной трубой /неоштукатуренной/ 0,14х0,14м /полкирпича/. Такие камины считаются сейчас неработоспособными. Соотношение f/F составляет всего 8,7%. Но лет тридцать-сорок назад таких "дачных" каминчиков, пристроенных к печам, было много. Они упоминаются и в книге Соснина-Бухаркина. Они горели порой то хорошо / даже в виде простейшего зонтика, открытого с трех сторон/, то дымили. Причем горели без дыма как раз при малых расходах дров, а при разгорании костра дымосборник "захлебывался". Но в результатах расчета эти факты не очень прослеживаются. Характерной особенностью является очень низкое значение избытка воздуха "альфа" = 10-30 и, как следствие, высокие температуры в трубе. По-существу, это уже переход к "режимам печи", причин для захлебываний дымосборника камина не видно. Видимо, причина дымления таких малых каминах заключается в плохом прогреве кирпичной трубы и наличии поворотов трубы при подключении к печи/?/.
     

    Вложения:

    • большой камин.jpg
    • малый камин.jpg
    Юрий Хошев , 11.02.09
    #11 + Цитировать
  12. chicken-A
    Регистрация:
    14.11.07
    Сообщения:
    4.114
    Благодарности:
    4.625

    chicken-A

    Подумаешь, строить...

    chicken-A

    Подумаешь, строить...

    Регистрация:
    14.11.07
    Сообщения:
    4.114
    Благодарности:
    4.625
    Адрес:
    Москва
    У меня такой камин-печь. Правда, вход из него идет не сразу в трубу, как предлагается в литературе, а в добавленное колено печки. В расширенную вертикальную камеру в этом колене. Если пытаюсь топить камин при холодной печи, то бывает поддымливает. Когда печь хорошо прогрета, то дыма практически не бывает. Однако в любом случае больше 3-4 поленьев одновременно не ставлю. Портал широкий, выход из него через поставленную на ребро задвижку (один кирпич) в одном из верхних углов портала.
     
    chicken-A , 11.02.09
    #12 + Цитировать
  13. Владимир Жирнов
    Регистрация:
    21.03.07
    Сообщения:
    4.864
    Благодарности:
    4.066

    Владимир Жирнов

    неправильные печки

    Владимир Жирнов

    неправильные печки

    Регистрация:
    21.03.07
    Сообщения:
    4.864
    Благодарности:
    4.066
    Адрес:
    Мшинская
    Юрий Михайлович, вам нужно в журнал к Евгении Нартовой "Камины и печи".
     
    Владимир Жирнов , 11.02.09
    #13 + Цитировать
  14. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Владимир, да идти-то пока не с чем... Да и открытые камины по-существу, как средства повседневного обогрева, никому у нас не нужны / другое дело, кассетные /. Если кому нужен "живой" представительский камин для приема важного гостя раз в году, то точно надо делать его с электродымососом, хотя бы на этап растопки, чтоб не зависел от капризов природы и от закрытых окон именно на эти час-два в году.

    Но вот мне передали для ликбеза новую / рукописную пока / статью Ш.К.Афанасьева "Метод сужения горловины камина. Камины профи", я и задумался. Печники пользуются расчетными номограммами, бог знает как рассчитанными, выбирают какой-то режим /например, по расходу дров /, а в натуре камин ведь горит "как хочет" - то разгорится, то начнет погасать... И именно эта динамика важна для дачника, поскольку поддымливание через портал происходит преимущественно именно при изменении режимов /как в топливнике печи клубы дыма возникают преимущественно при развале горящей закладки дров . И эту динамику надо ухватить житейским умом, а она во многом зависит от движений без тяги, трудно понимаемых в быту / в отличии от канальных движений типа "как в водопроводной трубе"/. Как и почему колышется язык пламени? И почему он не идет вверх к потолку-перекрытию колпаковой топки, а врывается именно в низкорасположенное хайло? А в русской печи все же лижет потолок-свод. Такие движения очень важны и в паровых банях.

    Извините, что отвлекся... Я рад приветствовать Вас здесь как вдумчивого печника. Мне очень понравилась Ваш способ проектирования печей с помощью понятия "выталкивания-выдавливаниия холодных газов горячими". Такая концепция, как мне кажется, особо ценна тем, наглядно дает команду мозгу искать-отбирать конкретные конструктивные решения, привлекая все знания человека из других областей техники. Ну и в добавок она верна. С Вашего разрешения я использую ее в последующем анализе полостных процессов.
     
    Юрий Хошев , 12.02.09
    #14 + Цитировать
  15. Юрий Хошев
    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329

    Юрий Хошев

    Дачник

    Юрий Хошев

    Дачник

    Регистрация:
    03.04.07
    Сообщения:
    2.719
    Благодарности:
    3.329
    Адрес:
    Москва
    Ну точно... Если предварительно печью хорошо прогреть трубу, то и для весьма крупного камина трубы в полкирпича /может и с оборотом/ порой вполне хватает. Все зависит от начальной температуры-тяги. Так, строительные правила /building by-laws/ Лондонского муниципального Совета /графства/ 1938 года предписывали наименьший поперечный размер трубы любого открытого камина в любом направлении семь с половиной дыймов /187мм/ и все.

    Вот сейчас разжег впервые за последние 8-10 лет свой камин на даче /труба сечением в кирпич/ - зимой на сухих дровах /8-10 лет сушки в постоянно отапливаемом газом доме/ камин от вороха скомканных газет подхватился с ревом как реактивный двигатель, бересту пламенем уносит вверх. А каминчик-то у меня совсем без дымосборника и дымовой камеры, но зато с абсолютно прямой вертикальной трубой / см. вложения "мой камин" и "хайло камина"/. Кстати, такая конструкция была когда-то очень распространена среди строительных организаций Управделами министерств /почему-то/. От их печников / а по сути обычных каменщиков, ездивших строить по всей стране "обкомы", санатории, дачи и т.п. / я и позаимствовал чертежи. Кладется камин "с закрытыми глазами" - труба держится на уголке 1 /50х50/, топка перекрывается двумя арками 2 и 3. Зуб 4 как и у классического Рамфорда - накладной из шамотного кирпича. Но работает и без зуба. Меряю температуру бытовым мультиметром DT-838 - обтекающая зуб струя пламени в хайле имеет температуру до 470град, рядом поток холодного воздуха с температурой всего 27-32град. Так что непонятно, где там в трубе дым с воздухом смешивается, все сечение перекрывает и возникает тяга. Но свод топки все же нагревается. Наверное, за счет лучистого тепла от углей и пламени - рука такое тепло, конечно же, чувствует.

    У соседа моего по садовому участку Александра Тимофеевича, полковника Академии им. Фрунзе, светлой ему памяти - десантника, совсем маленький каминчик был - типа козырька 4 из кровельной стали /см. вложение "камин соседа"/. Он печку / кирпичную кухонную плиту со щитком / еще до Постановления 1985 года "тайком" в садовом домике сложил, как на пенсию вышел, и этот самый каминчик к последнему восходящему каналу 1 щитка пристроил. Я тогда частенько зимой презжал в выходные строить свой дом, вечером к нему заходил - так он всегда этот каминчик разжигал из "пары щепок", не для тепла, конечно, а просто так - колбаску на шампуре "опалить" на закуску. Как ни странно, каминчик дымил редко, но козырек нагревался /краска подгорела/ - значит, козырек работал, как сейчас понимаю, не только за счет тяги в прогретой трубе, но и за счет тяги /за счет смешения дыма и воздуха/ в козырьке? Или козырек от лучистого тепла так сильно прогревался? Так или иначе, если щепок подбросить побольше, то дым начинал выходить из-под козырька 6. А порой и весь дым от костра мог пойти мимо козырька 7, то есть костер горел как бы в комнате - был такой случай.

    Вот у меня с тех пор и сложилось такое ошибочное мнение: мало дров и слабый огонь - камин не дымит. Много дров и сильный огонь - труба может захлебнуться и камин начнет дымить. А по расчетам-то все наоборот! Чем больше подкинешь дров - тем больше скорость воздушной занавески в портале. Язык пламени хоть и поднимается с большой скоростью до 1-3 м/сек вверх, но даже слабый ветерок вовнутрь 0,2 м/сек увлекает язык за собой.

    Смотришь на расчетный график /вложение "малый камин" в предыдущем сообщении/ - не видно причин для дымления ни при малых, ни при больших скоростях горения дров! А ведь график построен для очень большого /"бешеного"/ сопротивления кирпичной трубы - "кси" равно 9, в печах такое сопротивление не всегда бывает / учтено "все": трение - 3!, разгон газа - 0,5 , вход в трубу - 0,5 , выход из трубы - 1, возможный дымооборот! как у chicken'a- два поворота и разворот! - 4 /.

    Иной печник скажет - вот , мол, из-за математической неувязки трагедию раздувают, что ей, формуле, верить. Но ведь формула отражает только то, что сам человек заложил в нее. Есть неувязка - значит, что-то не учли при расчете. А не учли тепловую инерцию трубы. Не может маленький костерчик из щепок кирпичную трубу в тонну весом даже по внутренней поверхности быстро разогреть. Подбросили дров, а тяга прежняя, низкая. А то и вовсе нет тяги. Температура дымовых газов тут же возрастает, но и они в холодной трубе быстро остывают, тяги добавочной не дают. Все графики из литературы при этом, естественно, не работают.

    А вот при догорании костра все наоборот - дров сгорает меньше, а тяга остается высокой. Так что камин надо уметь не только строить, но и топить.
     

    Вложения:

    • мой камин-1985.jpg
    • хайло моего камина-1985.jpg
    • камин-козырек соседа.jpg
    Юрий Хошев , 12.02.09
    #15 + Цитировать

Смотрите также