Предыдущая   На главную   Содержание   Следующая
 
Газодинамика классического камина (Начало)
 
Статья размещена с разрешения автора. Первоисточник находится на форуме http://www.forumhouse.ru/forum31/thread25862.html

19.01.2009, 02:07
Юрий Кошев

Газодинамика классического камина (Начало)
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" - рис.1
 
  
 
.
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.
Гравитационное 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" рис.2/,
 
  
 
. 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 т.п./, 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", рис.2/. 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" рис.3.
 
  
 
. 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" (см.рис.4)
 
  
 
. 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/.

20.01.2009, 19:39
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" рис.5/
 
  
 
. - 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" рис.8/.
 
  
 
. 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", рис. 6/.
 
  
 
. 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", рис.7/
 
  
 
.. 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.

25.01.2009, 22:39
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 9а/,
 
  
 
.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 9б/, 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 9в/.
Течение без тяги реализуется в костре / см. вложение "костер" рис.10/.
 
  
 
. 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 рис.11/.
 
  
 
. 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" рис.12/
 
  
 
.. 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" рисм.13/.
 
  
 
. 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.14а/,
 
  
 
. а вместо него войдет и холодный Х, и горячий Г газ /рис.14б /. В ходе естественного перетекания газов образуется некоторое распределение газов /рис.14в/. 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.

29.01.2009, 15:21
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" рис.15/.
 
  
 
. 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"рис.16/.
 
  
 
. 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" рис.19/.
 
  
 
.
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", рис.17/.
 
  
 
.
Колпак можно перегородить некой стенкой с перевалом 6 /см. вложение "очаг с проточным колпаком", рис.18/
 
  
 
. 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/.

29.01.2009, 19:25
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", рис.20/.
 
  
 
. 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" рис.20/, 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 "рис.21/.
 
  
 
. 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/.рис.22
 
  
 
.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?

См. продолжение
 
be number one Рейтинг@Mail.ru
Translate.Ru PROMT©