Полости в печах. Гидравлическая модель

10 сентября 2015 г., 0: 08: 08 | suzanna

Как мы уже убедились, аэродинамика топок отличается от аэродинамики дымовых каналов, причём не только из-за того, что в топке «горит огонь», но и из-за того, что топки являются не каналами (трубами), а полостями (сосудами, объёмными элементами печи). В этом разделе мы начнем рассматривать особенности подобных полостей в печах (то есть существенных расширений дымовых каналов), движения газа в которых порой заранее не может предсказать даже опытный печник. Одно дело, когда дым движется единым потоком по трубе постоянного малого сечения, когда картина одномерная и знакомая всем «по водопроводному шлангу». Но стоит только этот шланг бросить концом в заполненную водой бочку, то сразу станет ясным, что картина потоков в бочке может быть намного более сложной, чем в шланге.

Сейчас трудно представить себе, что еще во времена Петра Великого никто в мире не знал, что такое воздух и что такое дым. Только при Екатерине Великой люди «догадались», почему дым поднимается вверх — мол существует некая субстанция «флогистон» (огненная материя с отрицательным! весом), якобы содержащаяся во всех горючих веществах. В 1783 году братья Монгольфье впервые наполнили флогистоном воздушный шар (аэростат), и этот воздушный шар действительно оторвался от земли. И хотя толпы людей видели, как флогистон поднял вверх воздушный шар, тем не менее, впоследствии оказалось, что флогистона в природе не существует вообще.

Рис. 118. Схемы печей: а — колпаковая системы Грум-Гржимайло; б — печь Подгородникова «двухярусный колпак» (имеющая один переточный канал 26x13 см); в — схема «б», но «двухсторонняя, имеющая охватывающий кольцевой переточный канал, обеспечивающий «свободный» выход дыма из колпака (мелкими пунктирными стрелками показаны потоки холодного воздуха, тонущие в тепловой труб); г — кухонная плита с духовкой; д — печь Кузнецова «усовершенствованный двухярусный колпак»; е — печь с противотоком (contraflow). 1 — рёбра кирпичные для увеличения теплоотдачи, 2 — высота перевала топки и высота подвёртки (перетока) на одном уровне, 3 — духовка, термоизолированная сверху слоем глины (с песком и алебастром), 4 — «катализатор» горения (раскалённая шамотная решётка — рассекатель пламени с подачей вторичного воздуха), 5 — «сухой шов» (вертикальная щель шириной 2-3 см для вывода из топки «холодных балластных газов», показанных пунктирной стрелкой), 6 — жаровая камера (огневой канал) из огнеупорной керамики, формирующая топку внутри печи, свободно расширяющаяся при нагреве (при 1000°С на 1% линейный) и продлевающая срок службы печи. Сплошные стрелки — ход газов.

Как же в этих условиях жили и творили печники? Ведь камины в Средние века делали не хуже, чем сейчас. Оказывается, печники с древнейших времён (а порой и поныне) обходятся лишь двумя догмами: огонь горит «на воле» (то есть на свежем воздухе), и дым поднимается «к небу». Поэтому все древние огневые системы (гипокаусты, чёрные и белые русские печи, камины) направляли дым только вверх, но пытаясь иногда задерживать его в неких колпаках (как в воздушных шарах). Так, в конце XIX века русский инженер В.Е. Грум-Гржимайло, наблюдая, как на металлических заводах Урала рабочие разогревают на улице над костром железную болванку (перед ковкой, прокаткой, закалкой), предположил, что болванку лучше помещать в колпак, чтоб собирать в колпаке тепло от костра и не терять его попусту в виде свободно восходящих дымовых газов. Впоследствии в 1913 году на основе подобных наблюдений была предложена так называемая гидравлическая модель (аналогия) течения газов в печах, причем основанная именно на теории «вольного (свободного) движения газов» (В.Е. Грум-Гржимайло, Пламенные печи, Л.: УТИ КУБУЧ, 1932 г.). Указанная теория предписывала прокладывать каналы и полости в печах в тех направлениях, куда как бы «свободно» (сами собой) текут дымовые газы. Причём траектории движения газов не обязательно должны быть направлены только вверх: ведь охладившиеся газы могут идти вниз относительно исходных горячих. Так, в знаменитых колпаковых (струйных, фонтанных) дровяных печах Грум-Гржимайло (круглых в футляре с контрофорсами, патент № 1219 от 14.03.1917 г.) горячие дымовые газы поднимались сначала вверх в высокий колпак (образуя там «мешок» горячих газов), где, постепенно остывая, «стекали» по стенкам колпака вниз (образуя там «мешок» холодных газов), а затем «свободно утекали» в дымовую трубу (рис. 118, а). При этом молчаливо (и безосновательно) подразумевалось, что дымовая труба, мол, в аэродинамике колпака не участвует, а только «отсасывает» холодные газы из колпака — ведь дымовые газы поднимаются вверх по системе колпаков как бы строго сами по себе («вольно»), без участия дымовой трубы. Поэтому любой элемент печи в форме колпака якобы не имеет газодинамического сопротивления, что обеспечивает сильную тягу в печной системе. Кроме того, предполагалось, что колпак (а не его свод) якобы по своей природе обладает выдающимися теплообменными свойствами. Ведь горячие газы, мол, не охладившись, не спустятся «сами по себе» вниз, а чтобы они ещё лучше отдавали тепло, то потолок и стены колпака предлагалось делать оребрёнными.

Наиболее заманчивым фактом для печников становилось то, что геометрическая форма колпака якобы никак не влияет на его принципиальные свойства улавливать тепло. Горячим газам ведь все равно, в какую форму колпака они входят. При этом, чем больше колпак, тем дольше там находятся горячие газы и тем лучше они там охлаждаются. Так что при кладке печей, мол, можно «по месту» устраивать любые по форме закутки вверх, и эти закутки будут эффективно отбирать тепло из газа.

Столь же ошибочные заключения делаются и относительно топочных процессов. Так, разный характер движения горячих и холодных газов якобы подсказывает, что топливник в форме колпака неминуемо играет роль как бы сепаратора, выделяющего наиболее горячую часть дымовых газов: языки пламени ведь тотчас устремляются вверх внутрь колпака и не дают подниматься туда более холодным газам. Это обуславливает повышенную температуру колпакового потолка топливника и даёт, казалось бы, основание считать, что колпак является эффективным сжигателем летучих. (В действительности же ясно, если на пламя костера опускать перевернутое ведро, то костер отнюдь не разгорается, а тухнет, причем с появлением большого количества дыма). Еще более неожиданным для печников является утверждение гидравлической модели о том, что в каналах любых печей одновременно текут и холодые, и горячие потоки газов, причем никак не взаимодействуя между собой (рис. 119а, б).

Рис. 119. Гидравлическая модель двухкол-паковой двухъярусной печи Подгородникова: а — гидравлический аналог (перевёрнутые колпаки), потоки воды (в виде перетоков, обозначенные каплями) входят и выходят, проходя два стакана; б — трактория движения наиболее горячего воздуха (дыма) через колпаки; в — траектория движения более холодного воздуха (так называемого балластного). Подгородников по непонятным до сих пор причинам стремился направить холодные балластные газы в дымовую трубу, а не оставлять в топливнике.

Гидравлическая модель печей (как слишком упрощенная) уже давно отвергнута мировой промышленной наукой (хотя она и справедлива в какой-то степени для открытых очагов. Тем не менее, идея колпаковых печей на основе теории «свободного движения газов» до сих пор жива и продолжает по инерции условно считаться отдельной ветвью бытового печестроения (И.И.Ковалевский, Печи отопительные и хозяйственно-бытовые, М.-Л., Госстройиздат, 1941г.). Это так называемые бесканальные печи, когда-то введенные в довоенные редакции ГОСТ 2127-43 и упоминающиеся поныне. Живучесть гидравлической модели «свободных движений газов» объясняется тем, что она бывает порой очень наглядна для бытовых печников в чисто житейских ситуациях. Действительно, любому обывателю тотчас становится ясным заявляемый принцип работы колпака на примере опрокинутого стакана, в который запускают дым от сигареты — дым и в самом деле поднимается вверх и опускается только охладившись. Но при значительных скоростях подачи дыма, например, как из выхлопа автомобиля (как раз и характерных для печей), такая модель перестает быть очевидной.

При реальном проектировании печей гидравлическая модель никогда не использовалась ни качественно, ни количественно (и никогда не могла использоваться, в том числе ввиду полного отсутствия каких бы то ни было расчетных методик и численных критериев). Действительно, прогресс колпаковых (а точнее полостных) печей никак не был связан с безудержным увеличением размеров колпаков. Наоборот, размеры колпаков все более сокращались — сейчас в печах порой трудно отличить так называемый колпак от канала (И.С. Подгородников, Конструкции отопительных печей и связанный с ними тепловой режим помещения, диссертация канд. техн. наук, 1950 г.). Так, в целях снижения перегрева высокого колпакового верха печи (не столь уж полезного потребителю) и уменьшения выделений сажи в колпаке были предложены двухколпаковые (или многоколпаковые) печи на двух (или нескольких) ярусах (рис. 118, б). Фактически перекрытие топки стало нижним «колпаком», перегрев свода которого полезен для обогрева помещения из-за его небольшой высоты над уровнем пола помещения (И.С. Подгородник, Печи домашнего обихода, М.: ВСНХ, 1929 г.). В целом, схема нижнего яруса стала близка к конструкциям обычных кухонных плит с духовкой (П.И.Воропай, Справочник печника, М.: Стройиздат, 1985 г.), разве что уровень перевала топки порой опускается до уровня (но не ниже) подвёртки колпака 2. С 1990-х годов И.В.Кузнецов видоизменяет печи типа «двухъярусный колпак Подгородникова» в части введения «сухого шва» (вертикального щелевого разреза жаровой камеры топливника), «катализатора горения» (шамотной рассекающей решётки над пламенем с подводом вторичного воздуха) и т.п. (рис. 118, д), опираясь исключительно на умозрительные представления (www. stove.ru).

Все схемы печей на рисунке 118 достаточно сложны для анализа (в плане оценки эффективности) и до сих пор являются предметом профессиональных обсуждений. Все печи конструктивно скорее отличны друг от друга, чем похожи, но найти характерные отличия и сходства трудно. Более того, все схемы на рисунке 118 можно трактовать формально как угодно — и как колпаковые, и как противоточные, и как канальные — кто как с какой стороны взглянет. Гидравлическая теория не дает никаких расчетно-конструкторских критериев «колпаковости».

Отметим, однако, один крайне не существенный, с первого взгляда, отличительный признак, на котором мы, тем не менее, вынуждены остановиться. Печи Подгородникова и Кузнецова (и только они) обладают свойством «свободного пропуска холодных газов» через всю печь в обоих направлениях (но только при условии достаточно больших проходных сечений переточных каналов!). Действительно, если при остывании печи (в условиях незначительности скоростей подъёма тёплых газов) тяжёлый атмосферный воздух начнёт «проваливаться» в лёгкий тёплый воздух остывающей трубы (как в вытяжных зонтах и в трубах каминов), то он, пройдя по поду (дну) верхнего колпака, затем «провалится» в нижний колпак (рис. 118, в). Он может даже проникнуть в топку печи и далее в помещение (при открытой дверке топки) или, нагревшись, уйти вновь в трубу, зациклившись, как в системе вентиляции погребов.

Как мы увидим ниже, подобное явление характерно именно для случая «свободного движения газов». Следствием «свободного пропуска холодных газов» является эффект «автоматической газовой вьюшки»: холодный воздух, случайно проникая через неплотности дверки в топку, поднимается вверх, не «залезая» в горячие колпаки даже при открытой трубной заслонке (которая и называется вьюшкой). Поэтому полагают, что печи, обладающие свойством «вьюшки», плохо выхолаживаются даже в условиях открытой вьюшки и долго обогревают помещения (И.С. Подгородников, Как сложить печь, М.: Новая волна, 1998 г.).Все остальные печные системы на рис. 118 указанными свойствами не обладают. Воздух, проникающий сверху через трубу, не может проникнуть к топке из-за «гидрозатвора» (перевала), а воздух, проникающий снизу через топку, может подняться внутрь горячих колпаков.

Попробуем разобраться, случайны ли столь «тонкие» особенности печей или нет, важны ли они. Ученики Грум-Гржимайло традиционно поясняют работу печных колпаков примером свободного перетекания воды из сосуда в сосуд (рис. 119, а). Легко видеть, что если переточные вертикальные каналы работают в режиме свободного перелива (то есть не заполнены полностью водой), то система свободно пропускает воздух в любом направлении (и снизу вверх, и сверху вниз). Теперь перевернём рисунок 119, а «вверх ногами» и запустим в систему горячий газ (рис.119, б). Из системы «стаканов» получаем систему колпаков, в которой горячий газ, как более лёгкий, всплывая, «свободно перетекает» вверх из колпака в колпак. Холодный же газ «свободно ходит» (при дуновениях снизу вверх или сверх вниз) внутри каналов, не заходя в колпаки (рис. 119, в). В этом заключается суть гидравлической модели свободных течений. Так, например, восходящий столб дыма над костром окружен холодным воздухом, который может двигаться совершенно самостоятельно, независимо от дыма.

Таким образом, печи Подгородникова и Кузнецова сконструированы (но только при условии очень просторных переточных каналов!) в полном соответствии с гидравлической моделью, чего нельзя сказать о печи самого Грум-Гржимайло (рис. 118, а).

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

Печи - камины

Комментарии