Предыдущая   На главную   Содержание   Следующая
 
Хошев Ю.М. (Москва). Газодинамика классического камина. Продолжение. (март 2009г.)
 

Статья размещена с разрешения автора. Первоисточник находится на форуме http://www.forumhouse.ru/forum31/thread25862.html

Газодинамика классического камина (Продолжение)

06.02.2009, 23:52
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" рис.23/
 
  
 
.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" (см.рис.24)
 
  
 
.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/.

10.02.2009, 23:02
Отступление-ответ на некоторое замечание участника форума

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 двумя 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.

11.02.2009, 00:32
Газодинамика классического камина. 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" (рис.25)
 
  
 
.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"( рис. 26)
 
  
 
.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/?/.

12.02.2009, 14:32

Сообщение от Владимир Жирнов
Юрий Михайлович, вам нужно в журнал к Евгении Нартовой "Камины и печи".
http://www.supergorod.ru/show.html?mag=kaminy


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 http://heatkit.com/research/2009/lopezk22htm/. 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 вдобавок она верна. С Вашего разрешения я использую ее в последующем анализе полостных процессов.

12.02.2009, 17:36
Сообщение от chicken-A
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.
Ответ Хошева Ю.В.: 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 дюймов /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" рис.27
 
  
 
. и "хайло камина", рис.28/.
 
  
 
. 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"/.Рис.29
 
  
 
. . 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 приезжал 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, рис.26/ - 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.

13.02.2009, 20:20
Продолжение.
Часть 6. В этой части речь вновь пойдет о течениях без тяги /ТБТ/ применительно к дымоходам.

Мы выяснили, что при первичном /после простоя/ розжиге камина с холодной трубой, в воронке дымосборника может образоваться объем клубящихся дымовых газов, создающих начальный импульс тяги именно в дымосборнике. Но как только возникнет тяга трубы, тотчас в дымосборнике тяга исчезает. Это происходит потому, что горячий и холодный газы поступают в воронку дымосборника одновременно, но в разные зоны и не имеют возможности быстро смешаться. Получается так, что в одной части дымосборника имеется столб холодного воздуха, а в другой части дымосборника имеется столб горячих дымовых газов, то есть газ в дымосборнике разделен на вертикальные столбы /слои / - "страты" /см. вложение "стратификация", рис.30/.
 
  
 
. Как в таком случае подсчитать тягу? Да никак не подсчитаешь...ведь веса контактирующих между собой столбов газа /страт/ совсем разные. Придется считать, что в дымосборнике тяги нет, поскольку одну из стенок дымосборника можно мысленно попросту убрать, соединив дымосборник с атмосферой, и вроде бы ничего не случится. А столб легкого газа в этом случае будет всплывать в тяжелом газе за счет подъемной архимедовой силы.
Так, если в стратифицированном дымосборнике устранить тягу трубы /например, закрыть дымосборник сверху заслонкой/, то холодный газ пойдет вниз, а горячий газ пойдет вправо и заполнит верхнюю часть дымосборника, тем самым создавая под заслонкой избыточное /относительно атмосферы/ давление - тягу при приоткрытии заслонки /см. левую часть вложения "стратификация", рис.30/. А если заслонку не закрывать, то горячий газ выскользнет вверх, преобразуя подъемную силу во все возрастающую скорость /см. правую часть вложения/. При этом давления в столбах газа /стратах/ будут одинаковыми, и горизонтальных перемещений газа не будет.
Все эти явления можно пояснять с помощью гидравлической модели печей Грум-Гржимайло, заменяя горячий легкий газ - на газ, а холодный тяжелый газ - на воду, а затем переворачивая картинку. Например, в наиболее интересной и запутанной области горизонтальных дымоходов и боровов, характер течений может объясняться моделью "водяной горки", по которой соскальзывает вода/см. вложение "водяная горка", рис.31/.
 
  
 
. Заодно легко угадывается невозможность проникновения потоков в некоторые
каналы и полости. Ясно, что если бы все объемы были бы заполнены только водой, то течения были бы совсем иными. При отсутствии газовых объемов /"пробок"/ водная фаза стала бы водопроводом и текла бы во все "дыры". Поэтому и в дымоходах очень важно устранять "пробки" холодного газа. Если "принцип выдавливания холодных газов", предложенный В.В.Жирновым, полезен в печах для повышения теплосъема, то в дымоходах он полезен для повышения тяги.
Действительно, если горизонтальный канал дымовой трубы /патрубок/ полностью заполнен горячим газом, то он практически не влияет на тягу трубы, поскольку тяга /перепад давления/ совсем не зависит от формы трубы и от ее "внутренностей". Форма и внутренности могут повлиять только на расход газа в трубе /на производительность/ через добавочные сопротивления, но не могут остановить транзитное сквозное течение. А вот в случае неполного заполнения системы горячим газом, могут возникнуть "пробки" /как и в случае воздушных пузырей в водопроводе/, полностью перекрывающие порой транзитное сквозное течение. Например, в случае перевала горячий газ, достав "горкой" перевальной стенки /плотины/, начинает скапливаться, но не сможет протечь дальше, пока не заполнит полностью весь левый восходящий канал, чтоб создать "дисбаланс в сообщающихся сосудах" /см. вложение "пробка в перевале", рис.32/.
 
  
 
. При этом холодный газ надо куда-то деть - то ли увести низом против течения, то ли передать вперед через некий "сухой шов" СШ. Устранить пробку можно также прогрев трубы задвижкой прямого /летнего/ хода ЛХ. Ясно, что при полном и равномерном заполнении системы горячим газом никакие "пробки" возникнуть не могут.
Течения в горизонтальных каналах, боровах и газораспределительных коробах описываются аналогами многочисленных формул "текущей реки" применительно к конкретным требованиям - формулой Есьмана в бестяговых /духовых/ печах, формулами Дарси и Шези для расчета уклона водоотводящей сети канализации /СниП 2.04.03-85/, формулами для транспортирующей способности незаиливающихся каналов мелиорации /СНиП 2.06.03-85/, формулами для сбросного канала плотин, для русловых процессов и т.д. Будет возможность - вернемся к ним позже дополнительно.
Во вложении "горизонтальный канал" (рис.33)
 
  
 
.показан качественный вид течений в горизонтальных дымоходах без тяги. Отметим, что горизонтальные участки "голых" металлических труб интенсивно "засаживаются" именно во время растопки при бестяговом режиме течения.

Продолжение следует
 
be number one Рейтинг@Mail.ru
Translate.Ru PROMT©