Газодинамика классического камина

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Уважаемый Юрий Михайлович, хотелось бы Вас поблагодарить за достаточно объёмное сообщение, но пока что для меня, как для практика,полной ясности во взаиморазмерах при кладке каминов из Вашего материала не удалось уяснить.
На собственном опыте убедился, что открытый камин с размером портала 37 на 42 см "тянет" в гладкий дымовой канал 13 на 13см при высоте трубы порядка 4м. "Тянет" и камин 49 на 51см с каналом 13 на26 см при высоте трубы 2,5 м,Больше вопросов вызывает минимизация не собственно дымосборника, а уменьшение его высоты менее размеров, приведённых и Мякеля, и Сосниным и Колеватовым а также так наз "составителями"по печной литературе последнего десятилетия. О Вас слышал много добрых слов как о энциклопедисте по конструированию и строительству банных печей, подскажите, где (в интернете?) возможно ознакомиться с таковыми материалами. Удачи на жизненном пути.

 

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"/. 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"/. 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"/. 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 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"/. 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" 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.

 

Уважаемый Андрей, ну какой полной ясности во взаиморазмерах Вы от меня ждете? Вот профессионалы-практики на основе многолетних исследований пишут в книжке, что глубина, высота и ширина топки открытого камина должны быть в пропорции 4:5:6. А я, простой дачник, смотрю на фото работающего камина и вижу, что его пропорции 2:7:5! /см. вложение "милнер-викторианский"/. Почему?! Вот и пытаюсь разобраться, не ради денег, а ради интереса на досуге. Если Вы как практик объясните такие противоречия, скажу спасибо. А вообще-то я считаю, что размеры должен задать архитектор, а печник должен подстроить конструкция под архитектора. Нужна архитектору высота камина 2 метра! - значит надо думать как. И можно ли вообще. Вот сейчас смотрю по ТВ фильм с Маре про рыцарей - камин в те далекие века выше человека, наверно, целого быка на вертеле обжаривать.../см. также вложение "кухонный очаг"/.

В Ваших каминах соотношение площадей большое - более 10%, но высота труб низкая. Не касаясь ветровой устойчивости, я интуитивно чувствую, что они действительно работоспособны, но не всегда. Ведь надо честно и четко уточнить, что значит "тянут"? При каком расходе дров? И каких? И как уложенных? При разжигании, горении или затухании? И как Вы отсчитывали высоту трубы? Как правильно отсчитывать? От пола? От верха дымовой камеры? Это ведь важно при низких трубах, тем более Ваши камины не укладываются в графики Мякеля.

Что касается минимизации дымосборника, то его, например, у меня фактически вообще нет. И я не жалуюсь. Но это применительно к режиму интенсивного горения "под реактивный двигатель" с расходом дров в этом режиме наверно более 15-20 кг/час. Но такой режим горения напрягает, камин нельзя оставить ни на минуту! Что характерно,всюду в рекламе стремятся продемонстрировать камин почему-то именно в этом режиме! /см. вложение "Бакли"/. То есть при наименьшей вероятности дымления! Рассчитывают на некомпетентность заказчика? Или просто для куража?

Совершенно ясно, что отдыхается у камина только при неспешном ленивом горении дров. И именно в этом режиме можно ожидать наибольшую вероятность дымления. И именно на этот режим, как мне кажется, надо и рассчитывать домашний интерьерный камин. Но расчет - это ведь просто предварительная прикидка, не так ли? И любая конструкция - лишь этап нескончаемого улучшения. Первый экземпляр самолета проектируют и изготавливают бывает и за полгода, а затем доводят долгими годами. Но кто доводит у нас печки и камины? - исследовать не хотят и боятся. Почему ни на одном печном форуме я не встречал расчетного графика Мякеля с экспериментальными точками разных авторов на разных каминах?

А вот в банях процесс начался - Ляхов Владимир ложит и ложит метеоточки с разных бань на единую теоретическую банную кривую и оценивает. Уже приличную статистику набрал... Кстати, банные и любые иные печи я не проектировал и проектировать не собираюсь, поскольку не смогу ни исследовать, ни испытать. Банные интересы у меня были в области мытейных квартирных бань... совсем без печей...

 

Продолжение. Часть 7. В этой части речь пойдет о "занавеске" холодного воздуха в портале камина.

Во вложении "типы каминов" представлены некоторые конструкции "высоких, но мелких" /отопительных/ каминов. Есть также камины "низкие, но глубокие" /для барбекю - "шашлычные"/, есть и "очень глубокие", в том числе и с выносной трубой /духовые печи, высокие и низкие/. Это все классические камины.

Вообще-то "каминус" по-латыни и по-древнегречески /а также "очаг" по-турецки, "топка" по-древнеславянски и т.п./ - это место для огня. "Камера" по-латыни и по-древнегречески - это свод. "Каминус" в "камере" - это... /см. вложение "хлебная печь - романский стиль"/. Кстати такие черные печи в глинобитном исполнении описаны в лесном быту древнегерманских племен при Карле Великом - 7 век. Карл долго воевал с саксами - германскими язычниками на нижней Эльбе. А сразу за саксами в районе нынешнего Любека /Вагрия/ и далее по Балтике жили западные поморские славяне /в том числе и поляки-ляхи/. И у них были такие глинобитные духовые печи и назывались как и германские как-то типа "БА", "БАГ" или "БАК" /"bage" по-датски, "Backen" по-немецки, "baka" по-шведскии т.д. до сих пор означает "запекать" еду/. Отапливаемые дома /землянки и срубы/ назывались у германцев "ба-сту" /"stue" - помещение/, у западных /поморских польских, а также новгородских/ славян "из-ба" /то, что вокруг "ба", "izba" по-польски/, у южных /киевских/ славян "из-топка". Как раз в басту, избах и истопках мылись, потому что это были теплые помещения. Некоторые считают /видимо, ошибочно/, что и слово "баня" произошло от слова "ба". Так или иначе, слова "багряный", "вагранка", "барин" живы в русском языке и поныне. При западно-славянской колонизации в Старой Ладоге в домах сначала были глиняные печи /до 9 века/, а затем в Новгороде и Руссе их стали вытеснять печи-каменки, видимо более удобные при варке соли на металлических поддонах - основном промысле варягов /варильщиков/, вечно черных от сажи /"rus" по-немецки - сажа/. Отметим, что в древнеславянском языке "б" и "в" не различались - Византия или Бизант, Вагрия или Багрия. Так что забытой печи "ба" русские многому обязаны исторически /извините за отступление/...

Камины есть всякие. Есть и не классические /новых типов и принципов/. Например, герметичные со стеклянными дверцами /в том числе и металлические "кассетные"/, имитационные газовые /в том числе и из баллонов/ со светящимся /осветительным/ пламенем из бутафорских "металлополеньев", декоративные спиртовые с красиво горящим и экологически чистым пламенем и т.п. Кстати, вместо классических каминов отопительного типа в нашем российском представительском быту были бы намного уместнее, удобней и полезней глубокие дровяные камины "под русскую печь" - они и уют от натурального огня дают, и практическую пользу - спечь и поджарить перед праздничным столом.../см вложение "компоненты для хлебных печей"/.

Но в этой теме речь идет только об открытых отопительных дровяных каминах. В отопительных каминах определяющим фактором является лучистый поток тепла от углей, пламени и от задней стенки камина. Поэтому отопительные камины стараются делать мелкими, огонь чуть ли не вылезает наружу. Малая глубина топки и широкий портал обуславливают особую важность "занавески" холодного воздуха, обозначенной на вложении "типы каминов" пунктирными стрелками. Занавеска препятствует выходу дымовых газов через портал в помещение.

Занавески бывают разными. В каминах венецианского типа / с центрально расположенным зонтом-дымосборником/ поступающий холодный воздух распределен по порталу более-менее равномерно /см. вложение "типы отсосов"/. В каминах с "обратным" зубом воздух сильней подается в нижнюю часть окна портала, тем самым оттесняет пламя назад к тыльной стенке камина. В каминах с "прямым" зубом воздух сильней подается в верхнюю часть окна портала и слабо взаимодействует с дровами. Но пламя от дров при этом стелется по наклонной стенке зуба вперед к порталу, что создает ощущение рвущегося наружу огня.

Во всех этих случаях необходима дымовая труба именно и обязательно с тягой. Если тяги не будет - не будет и занавески /но воздух для горения дров подаваться, конечно же, будет/. Труба играет фактически "роль пылесоса", а точнее является элементом банального местного отсоса вентсистемы здания. А такие местные отсосы в строительстве зданий хорошо изучены /продолжение следует/.

 

Продолжение.

Будем условно полагать /а точнее, предполагать/, что задний отсос лучше для "реактивного" режима горения дров /мощный столб огня/, а передний отсос лучше для ленивого спокойного горения дров. Дело в том, что в отопительных каминах протяженность "занавески" по ширине / равная ширине портала / обычно велика, причем в верхней части портала не должно быть "дыр" в занавеске, через которые мог бы устремиться дым в помещение. То есть отсос должен быть щелевым, располагаться вдоль верха портала и обеспечивать равномерный отсос на всей ширине. Если щель удалена вглубь камина /на заднюю стенку/ или, более того, преобразована в отверстие в верху конуса дымосборника,то скорость в верхней части портала будет низкой, и "колыхания" текущих газов могут создать нежелательную "дыру" /брешь/ в занавеске.

Поясним это на примере вентиляционного зонта /см. вложение "вытяжной зонт"/. Если зонт имеет форму конуса, то максимальная скорость отсоса будет на оси зонта. Если столб дымовых газов случайно /под действием взмаха руки, например/ отклонится в сторону, то зонт может уже не "поймать" столб дыма. Если же в зонт вставить низкорасположенный конусный рассекатель, то максимальные скорости будут на ободе зонта. Такой зонт будет хорошо "ловить" колыхающиеся столбы, но осевой поток будет входить в зонт "с бОльшим сопротивлением. Ясно, что все это справедливо только для зонта с тягой. Если тяги нет, то зонт будет пассивной ловушкой для всплывающих объемов горячего дыма. В любом случае, высокорасположенный рассекатель / например, в горле воронки/ может играть лишь роль турбулизатора-смесителя. Для уяснения ситуации можно привлечь всем знакомую "картинку" работы насадки пылесоса - широкое горло пыль глотает хуже. Ясно, что щелевая насадка пылесоса создаст "вытяжную завесу" и вверху портала камина.

Поток воздуха в портале может влиять и на само пламя, и на костер - ведь воздух дует в первую очередь "на огонь". Вспомним, что пламя в камине
сопровождается ТРЕМЯ разными по природе воздушными потоками /см. левый рисунок вложения "обтекание пламени"/.

ВО-ПЕРВЫХ, это холодный воздух ХГ для горения дров. Он подсасывается в костер сам-собой с боков /а при наличии решетки и снизу/ автоматически взамен "израсходованного" воздуха, поднимающегося вверх в виде дымовых газов. Ясно, что поток воздуха в портале может увеличить поток воздуха под дрова, в том числе и через поддувало решетки /или металлическую сетчатую корзину для дров/.

ВО-ВТОРЫХ, это эжекционный воздух ХЭ, приходящий на смену воздуху, увлекаемому струей дыма вверх за счет вязкости и вихрей /турбулентности/. Расход эжекционного воздуха возрастает при увеличении скорости подъема дыма. То есть чем выше, тем больше подсасывается эжекционного воздуха. Но за счет эжекции дымовые газы охлаждаются, и их подъем затормаживается. Так что максимум эжекции достигается, видимо, где-то на уровне языков пламени. Напомним, что эжекция происходит и на холодных струях, не только на неизотермических /пламенах/. Обычно коэффициент эжекции составляет величину порядка 0,3 - 0,6 кг подсоса на 1 кг струи на одном калибре /диаметре струи/ длины струи. То есть пламя с коэффициентом избытка воздуха "альфа" порядка двойки / то есть с температурой на оси порядка 1000град Ц / может набрать на трех калибрах длины / то есть на 1 метре длины вверх при диаметре костра 0,3 м/ величину "альфа" до тройки-шестерки, то есть охладиться на оси ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ СМЕШЕНИЯ /за счет, так называемой, "закалки"/ до температуры 350-700град.

В-ТРЕТЬИХ, это воздух ХТ, засасываемый за счет тяги трубы. Его расход обычно в десять и более раз превышает расходы ХГ и ХЭ вместе взятые. Как только тяга исчезает, тотчас в трубу начинает поступать /всплывать/ очень горячий газ, но скорость его всплытия только за счет подъемной силы мала. Труба "захлебывается", дымосборник начинает заполняться горячим газом, создавая тягу. Но если дымосборник недостаточно высокий, то переполняется, и дым идет через портал.

Такая картина характерна для костра, для открытого очага под зонтом /см. рис. "а" во вложении "обтекание пламени"/, для венецианского камина... А вот для камина с задним отсосом /например, Бакли/ картина несколько меняется. Во-первый, больше идет воздуха под дрова, горение становится активнее, огонь выше. Во-вторых, поток ХЭ начинает двигаться спутно с пламенем вверх в трубу, скорость его сближается со скоростью пламени. Тут уже ни о каком увлечении воздуха ХЭ пламенем говорить не приходится, нет и турбулентности /вихрей/: известно же, что газовый поток, ускоряющийся в точечный сток, не турбулизуется /а точечным стоком и является горловина воронки/. А значит, пламя не эжектирует и не охлаждается. Поэтому его высота еще сильнее увеличивается. Это "реактивный" режим, когда воздух ХЭ "лижет" пламя / рис. "б" во вложении 2 обтекание пламени"/. Продолжение следует.

 

Продолжение. Часть 8. В этой части будут затронуты вопросы экологии.

Прежде чем перейти к описанию свойств местных отсосов, коснемся, казалось бы, совсем постороннего, с первого взгляда, вопроса наличия "дыма" в дымовых газах. Дело в том, что дымовые газы бывают задымленными /видимыми и пахучими/, а бывают порой и совсем прозрачными /условно невидимыми и непахучими/. Занавеска воздуха препятствует проникновению дымовых газов в помещение, но в то же время может способствовать и более полному сгоранию топлива с уменьшением задымленности газовых выбросов в атмосферу.

Джим Бакли www.rumford.com , описывая свои разработки в области открытых каминов из полуфабрикатов /огнестойких керамических горловин и сужающихся дымовых камер заводского изготовления/, специально подчеркивает, что его камины с задним отсосом работают якобы с пониженным дымлением в атмосферу. Этот, казалось бы скучный, вопрос очень важен для Северной Америки, поскольку там дилеры уже двадцать лет "играют в игру" по чистоте горения дровяных очагов /по формулировке Сенфа - президента Ассоциации печников Северной Америки/. И выигрывают эту коммерческую игру те, у кого из трубы идет меньше дыма. Ведь во многих городах и даже в целых штатах введены серьезные законы против дровяных очагов. Так, например, с 03.11.2008г. в Канаде в пригороде вокруг Монреаля вообще запрещены все отопительные дровяные печи, кассетные камины и котлы, даже на пеллетах! www.woodheat.org, но пока не запрещены, ко всеобщему удивлению, неотопительные камины эпизодического использования / хотя именно они сильней всего дымят в атмосферу/. И это все при том, что во всем Квебеке в целом в 60-ти процентах домов так или иначе используются дрова.

Исторически так сложилось, что в Америке на государственном уровне сначала начали контролировать наличие "дыма" из очагов /поскольку его видно/, а в Европе - содержание угарного газа СО, который можно обнаружить только приборами /подробнее см. в моей книге ДАЧНЫЕ БАНИ И ПЕЧИ/. "Дым" из очагов /smoke pollution/ в США официально называется "эмиссией" частиц веществ /"PM" - particles of matters/. Содержание частиц в дыме допускается не более 7,5 грамм в час /это чуть заметный дымок/.

Дым при горении органики бывает трех видов - белый /бурый/, черный и сизый. Например, в автомобильных двигателях белый дым бывает от водяного пара /тумана/, черный от неполного сгорания бензина, сизый от горения масла, аварийно просачивающегося из системы смазки в цилиндры / а также сизый чад в церквах от лампад/.

БЕЛЫЙ /бурый/ дым при горении древесины наблюдается при растопке и подкладке дров в костер. Нагревающиеся поленья выделяют летучие продукты пиролиза /пары дегтя-креозота/, и если летучие не попадают в пламя, то их высококипящая фракция конденсируется в холодном воздухе в виде тумана жидкостей. Если конденсация не происходит /из-за высокой температуры воздуха/, то летучие распространяются в атмосфере в виде паров, еще более усиливая запах дыма. Белый дым от древесины - есть аналог белого дыма /тумана парафина/ с фитиля при задувании парафиновой свечи.

ЧЕРНЫЙ дым возникает при вторичном пиролизе / летучих продуктов пиролиза древесины/ в пламени при нехватке воздуха или при чрезмерном охлаждении пламени. Любая органика термически разлагается с образованием радикалов типа СН, СН2 или СН3, быстро поликонденсирующихся при 300-700град в бензольные кольца С6Н6, затем в двойные бензольные кольца /нафталины/, потом в тройные /антрацены/ и т.д. вплоть до образования ультрамелких /нано/ частиц углерода - по сути очень крупных молекул с миллиардами соединенных бензольных колец. Частицы углерода нагреваются до температуры пламени и светят желтым светом. При наличии кислорода радикалы окисляются, уменьшая выход сажи, а сама сажа с трудом, но сгорает постепенно в виде языка пламени /факела/. Если коснуться кончиком сгоревшей спички 4 кончика пламени свечи, то появится струйка дыма 5 /см. вложение "свеча"/. Этот дым возник из-за ограничения поступления воздуха к пламени, а не из-за охлаждения. Действительно, если подуть воздухом на дымящий /в контакте со спичкой/ кончик пламени из трубочки 3 /например, грушей, но так, чтобы не в коем случае не попадать на фитиль свечи/, то от дополнительного, казалось бы, охлаждения пламени дым вовсе не усилится, а наоборот, дым исчезнет совсем, а пламя станет ослепительно белым.

СИЗЫЙ /"сухой", "нормальный"/ дым возникает, видимо, при недогорании сажи/?/.

Так вот, белое дымление Бакли устраняет вертикальной установкой крупных поленьев в камине, упирая их нижними торцами в глухой под камина и прислоняя их верхними торцами к задней стенке /"стрелой", шалашом/. При этом, в мелком камине /ширина : высота : глубина = 1800мм : 1500мм : 600мм = 3 : 2,5 : 1 / поток воздуха ХГ /на горение/ идет по поду под дрова и увлекает за собой белый дым с нижних торцов поленьев в пламя. А вот установка решетки под поленьями хоть и усилит интенсивность горения дров, но снизит горизонтальный поток воздуха ХГ и усилит белое дымление по поду в помещение.

Черное дымление Бакли устраняет "облизыванием" пламени потоком воздуха ХЭ, что предотвращает взвихривание пламени. Бакли утверждает, что специалисты в США объясняют черный дым в каминах именно взвихриванием пламени /турбулентностями/, так что если нет турбулентностей, то нет, якобы, и дыма. В этом вопросе полной ясности нет. Многие печники говорят, что в топочном процессе должна быть турбулентность, поскольку вокруг пламен образуются слои /столбы/ восходящих продуктов сгорания 1, и турбулентности 2 размешивают эти слои и подают свежий воздух к поверхности пламени /напомним, что в диффузионном гетерогенном пламени внутри факела горючий газ, вне факела - воздух, горение происходит на границе - на поверхности факела/. В то же время "лижущий" обдув пламени воздухом через трубку 3 также эффективно способствует горению. По нашему мнению, турбулизация пламен в печах целесообразна лишь при очень высокой температуре топки более 900град Ц, когда можно ожидать догорания горючих смесей в гомогенных пламенах как в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

В случае же переднего отсоса /в случае классического заднего зуба/ пламя лижет наклонную поверхность задней стенки /см. более раннее вложение "типы отсосов"/. Это может привести к дымлению типа того, что наблюдается при касании спичкой 4 кончика пламени свечи 5. Поэтому высокие пламена при наклонной задней стенке /со струей пламени, обтекающей зуб/ не желательны. Это находится в согласии с предположением, что схемы с передним отсосом предпочтительны для низких пламен при неспешном ленивом горении дров в камине.

Все эти соображения созвучны с поиском путей оптимальной подачи вторичного воздуха в топливники печей. Например, Чернов www.stovemaster.com предлагает подачу вторичного воздуха через многочисленные отверстия в стенках кирпичного топливника на разных уровнях /см. левый рисунок на вложении "вторичный воздух"/. Не касаясь удачности выбора подачи воздуха именно через поддувало и узкие щелевые каналы в кирпичных стенках, не обсуждая возможности заметного нагрева вторичного воздуха внутри кирпича, мы сразу замечаем, что воздух подается перпендикулярно пламени, а значит, будет эжекция и турбулизация пламени. Ясно, что вторичный воздух в любой схеме холодней пламени в топке, поэтому вторичный воздух скорее всего будет к тому же "падать" вниз навстречу пламени, что еще сильнее взвихрит пламя. В то же время Серегин и Кириллов, Бацулин, Репин, Мельников и др. отечественные разработчики предусматривают подачу вторичного воздуха именно под углом вверх, как бы сопровождая пламя, "облизывая" его, причем с подачей воздуха непосредственно из атмосферы, а значит под хорошим напором. Тем самым предотвращается излишняя турбулизация пламени с полным устранением дымлений даже при больших дозакладках дров в раскаленный топливник.

 

Продолжение. Часть 9. В этой части речь пойдет о камине как местном отсосе системы вентиляции здания.

В печной литературе часто отмечают, что открытый камин, являясь дровяным отопительным устройством, потребляет огромное количество воздуха и может искажать вентиляционный баланс помещения.

Но можно поставить вопрос совсем наоборот - камин является элементом вытяжной вентиляции, а заодно выполняет роль отопительного прибора. С инженерной точки зрения такой распространенный ныне подход хорош тем, что привлекает для анализа всю мощь современной вентиляционно-отопительной науки, куда более продвинутой, чем печное ремесло. Во всяком случае, герметичные окна и двери современного жилья и электровытяжки типа кухонных, обуславливающие "новые" досадные "рукотворные" формы дымления каминов, учитываются при проектировании зданий автоматически и в обязательном порядке. Поэтому эти "новые причины" дымления мы здесь специально рассматривать не будем - об этом можно прочитать в сотнях учебников по вентиляции.

Вентиляция бывает вытяжной, а бывает приточной. Вентиляция бывает общеобменной, а бывает местной. Вентиляция бывает механической /принудительной/, а бывает естественной /форточки, окна, вытяжные стояки и т.п./. Порой столь детальное разделение "типов и видов" вентиляции /с учетом их технических особенностей/ бывает полезным и при анализе самых обычных жилых помещений. Так, в черной /курной/ избе подвод воздуха в костер /в черную печь/ и вывод дыма обеспечивается общеобменной приточно-вытяжной естественной вентиляцией через двери /проветривание/. А в белой избе дополнительно предусмотрена местная вентиляция в виде отсоса /вытяжного зонта над устьем духовой печи/ с естественным побуждением. Аналогично, черная духовая печь вентилируется естественной общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией /рис. "а"/, но может вентилироваться и местным притоком и местным отсосом /рис. "б" во вложении "духовые печи"/. Все вентпотоки должны быть сбалансированными.

Общеобменная вентиляция осуществляет обмен воздуха во всем помещении в целом. Если в помещении есть локальный источник вредных выделений / токсичных, взрывоопасных или общезагрязняющих газов, паров и газовзвесей, а также избытков тепла/, то организуется местный отсос, чтобы фактор вредности не распространялся на все помещение. Если в помещении есть постоянное локальное место пребывания человека, то организуется местный приток свежего воздуха. Порой местная вентиляция рассматривается как неотъемлемая часть технологического оборудования /например, пылящего расфасовочного/, но все равно местный отсос или приток должен учитываться в проектном балансе вентпотоков.

Камин - это костер в помещении, выделяющий токсичные и загрязняющие факторы /дым, запахи, окись углерода/. Поэтому камин оборудуют системой местной вытяжки /местным отсосом/. С этой точки зрения, камин - это костер в вытяжном шкафу. Скорость воздуха в проеме вытяжного шкафа принимается обычно равным 0,3 - 0,5 м/сек, при высокотоксичных выделениях - до 1,0 - 1,5 м/сек. Можно, конечно, при желании методически исходить и из расхода дыма, удаляемого из помещений при пожаре по СНиП 2.04.05-91 и рассчитываемого по формулам "текущей реки".

Естественная вентиляция в жилых помещениях по нормативу рассчитывается для температуры наружного воздуха условно плюс 5 град Ц . То есть при высоте трубы 10м нормируемая естественная тяга при температуре в помещении 20 град Ц составляет всего 3-4 Па. Это очень маленькая величина, она отвечает величине ветрового напора тихого ветра 0,3 - 1,5 м/сек, близкого к штилю. Поэтому любые порывы ветра легко проникают в помещение по трубе не горящего камина.

При разгорании огня в камине естественная тяга увеличивается и достигает 7-8 Па при температуре в десятиметровой трубе 80 град Ц /норма Шиделя/, что соответствует напору легкого ветра 1.6 - 3.3 м/сек, уже ощущаемому лицом. Такая величина тяги тоже очень небольшая. Поэтому столь низкую тягу приходится использовать "очень экономно". Вспомним, что обычные бытовые вытяжные электровентиляторы для ванных комнат и кухонь могут создавать паспортные разрежения порядка 10 - 50 Па и легко "забивать" тягу камина.

Кстати, на практике часто обсуждается вопрос, что сильнее влияет на камин - избыток давления в помещении от приточного вентилятора или разрежение в трубе от вытяжного дымососа? Ясно, что для расходных характеристик трубы существенна лишь тяга - разница перепадов давления внутри и вне трубы /см. вложение "приток и отсос"/. Так что эти технические решения для горения камина эквивалентны, если только приточный вентилятор не дует непосредственно в камин и не выдувает дым.

Характер движения газа в зоне отсоса кардинально отличается от характера движения газов в приточной струе /см. вложение "сток и струя"/. Дело в том, что воздух засасывается в трубу /в воздухозаборный патрубок/ изотропно со всех сторон, в идеале без суммарного импульса движения. А вот выходит из трубы в ускоренном состоянии за счет работы вентилятора или разгона за счет нагрева. Поэтому приточные струи имеют существенную дальнобойность /так же как и струя дыма от костра/, а вытяжные струи "дальнобойности" не имеют. Продолжение следует.

 

Продолжение.

Анализ течения газа в местном отсосе производится на основе понятия точечного стока /см. уже рассматривавшийся рис. вложения "точечный сток"/. Так, в маленькую дырочку /в "полюс"/ в плоской поверхности течет изотропный поток из всего полупространства /полусферы/ - рис."а" вид сверху, рис."б" вид сбоку. Линейная скорость потока быстро падает с увеличением расстояния от полюса - обратно пропорционально квадрату расстояния при точечном стоке и обратно пропорционально расстоянию при щелевом стоке. Так что щелевой сток является более "дальнобойным", а потому более предпочтительным в камине, тем более, что щелевой сток может "перекрыть" весь портал по ширине.

Если сделать точечный сток в виде трубочки /см. рис. "в"/, то линейные скорости течения уменьшатся вдвое, так как отсос будет производиться из двух полупространств /не только сверху, но и снизу/. Если трубочку высовывать из плоскости /рис. "г"/, то характер течения быстро приближается к случаю рис. "в" с увеличением "степени высовывания" трубочки. Таким образом, наиболее "дальнобойной" является всасывающаяся струя в щель плоскости, как на рис. "а".

Течение в реальном местном отсосе /при значительном поперечном сечении/ анализируется мысленной разбивкой отсоса на множество точечных или щелевых стоков / рис. "д"/ с последующим сложением /суперпозицией/ множества течений. Полученное суммарное течение будет иметь приосевой участок равномерного течения, но с учетом возможной неравномерности течения в самой трубе отсоса /за счет вязкости - трения о стенки/ равномерность приосевого всасывания снижается /рис. "е"/. Отметим, что наличие боковых составляющих скорости всасывания приводит к известному сужению потока в трубе всасывания с возможным появлением вихрей, обуславливающих газодинамическое сопротивление.

То есть, если мы наблюдаем где-то взвихривания газа или жидкости /турбулентность/, то значит, что течение испытывает так называемое газодинамическое сопротивление. Природа газодинамического сопротивления поясняется легко - если поступательная скорость потока /кинетическая энергия потока/ вдруг преобразуется в скорость закрутившегося на месте вихря /в кинетическую энергию вихря/, то это воспринимается как остановка потока, торможение, сопротивление. Есть еще и вязкостное сопротивление - за счет торможения газа у стенки трубы за счет трения. Суммарное сопротивление участка газопровода складывается из сопротивления трения и газодинамического сопротивления.

Точечный сток по определению не может быть турбулентным, а также не может иметь трения, поскольку в нем нет "трущихся" между собой газовых слоев - каждый объем газа хоть и ускоряется в "дырку", но движется с той же скоростью, что и соседние газовые объемы. Но если на пути газа установить препятствие, то могут возникнуть вихри /см. вложение "завихрения в стоке"/. Как мы уже установили, такие завихрения полезны /в меру/ только там, где нужно смешать горячий и холодный потоки с получением однородного теплого потока, перекрывающего все сечение трубы и создающего тягу.

Во вложениях "сток в колпаке" и "сток в конусе" приведены возможные виды вентиляционных стоковых течений /местных отсосов/. Ясно, что в глубине портала конструктивно более уместны точечные стоки /пусть быстроспадающие по скорости/, а в плоскости портала целесообразны дальнобойные и широкие щелевые стоки /"вытяжные завесы"/. Течения в единый сток охватывает все "нутро" камина, включая возможную решетку / см. вложение "сток в камине"/. В этом холодном течении как раз и "всплывают" горячие языки пламени, как-то деформируя само холодное течение. В результате, местный газовый отсос складывается из упоминавшихся ранее течений ХТ /"занавеска"/, ХЭ /эжектируемое/, ХГ /идущее на поддержание горения, в том числе и через решетку ХР/. Ясно, что течение ХР уменьшает течение по поду ХГ, так что наличие решетки повышает вероятность появления нижнего дымления Д /белого-бурого/. Продолжение следует.

 

Продолжение.

Отметим, что камины порой имеют дымосборники "плавных форм", что способствует ламинарному характеру течений /вложение "задний бутылочный отсос", левый рисунок - аналог "обратного" зуба, правый рисунок - аналог "прямого-обычного" зуба/. Конечно, горячие дымовые газы в любом случае рано или поздно перемешаются с холодным воздухом /"подсасываемым", а на самом деле основным вентиляционным/, но все же схема "б" более предпочтительна, поскольку в ней холодные и горячие газы "пересекаются".

В практике промышленных местных отсосов широко используются панели равномерного всасывания, в частности конструкции Чернобережского /см. вложение "всасывающие панели"/. Они используют факт "дальнобойности" щелевых стоков. Сечение местного отсоса на три четверти сечения перекрывают плоскими или ребристыми /уголковыми/ полосами - так называемыми "перьями" /см. рис "а" и "б"/. Этим достигается повышение линейной скорости всасывания, повышение дальнобойности, повышение равномерности всасывания "по решетке". Легко видеть, что подобная конструкция близка к обычной колосниковой решетке поддувала печи, где тоже требуется равномерность течения поступающего в топку свежего воздуха. Установка панели равномерного всасывания в проем вытяжного отверстия заметно изменяет картину течения воздуха, но отнюдь не кардинально / в книге Е.А.Штокмана "Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха...", М.: АСВ, 2001г., откуда заимствован рисунок, видимо допущена ошибка в сплошных и пунктирных кривых равных скоростей всасывания/. У меня нет сведений, о целесообразности использовании подобных решеток в каминах.

Таким образом, подводя итог по обсуждению местных отсосов, можно предположить, что камины с задним дымоотбором /см. рис "а" во вложении "передний щелевой и задний локальный отсосы"/ предпочитают интенсивный "реактивный" режим горения дров, имеют локальный отсос-горловину в глубине камина, имеют более-менее равномерные скорости всасывания в портале /но быстроспадающие при удалении от горловины и низкие по величине в портале/, могут иметь подовую решетку /желательно углубленную к задней стенке камина/, могут быть высокими, могут разжигаться без дымления через портал без предварительного прогрева трубы /но только при высоком дымосборнике и при достаточной глубине/.

Камины с передним дымоотбором /рис, "б"/ предпочитают ленивый режим горения дров, имеют щелевой отсос-горловину по верху портала, имеют неоднородные /но высокие по величине/ скорости всасывания в портале с максимальными значениями в верху портала, поддувальная решетка в них, видимо, не желательна, возможно нежелательна большая высота портала /желательна большая глубина/, желателен первичный прогрев трубы жгутами горящей газетной бумаги /или поддержание трубы в теплом состоянии/, отсасывающая щель должна быть узкой и располагаться непосредственно по верху портала.

Камины с передним и с задним дымоотбором должны иметь дымовые камеры над горловиной для смешения горячих и холодных газов методом столкновения-пересечения потоков /см. рис. "г"/. Дымовые камеры должны обеспечивать равенство перепадов давления на всей длине щелевой горловины, то есть должны быть больше по ширине и длине, чем отсос-горловина /то есть должны иметь некий "зуб", возможно прямой и обратный одновременно/. Поперечное расположение зуба /перпендикулярно порталу/ целесообразно лишь в целях перемешивания газов.

Не исключено, что возможно объединение достоинств каминов с передним и задним дымоотбором в неких "двухотсосных" конструкциях типа рис. "в". В дымосборнике такого камина монтируется специальная металлическая дымонаправляющая пластина-козырек так, чтобы в дымосборнике образовывались два отсоса - локальный вверху в глубине и щелевой впереди по верху портала. В результате образуется две камеры - одна дымосборная с задним локальным отсосом, а вторая вентиляционная с передним щелевым отсосом. При разжигании камина дымосборная камера заполняется горячим дымом и сразу же создает первичный импульс тяги. Даже если тяга в последствии возникнет в дымовой трубе, тяга в дымосборной камере сохранится, поскольку в нее не сможет входить холодный воздух из-за малости сечения верхнего отсоса дымосборной камеры. Холодный воздух за счет тяги в трубе будет засасываться в камин преимущественно через "свою" камеру - вентиляционную, проходя через щелевой отсос. Таким образом, разделяя горячие и холодные потоки, можно обеспечить возникновение тяги практически с уровня портала. Если дымовая камера по той или иной причине переполнится, то дым в любом случае /при наличии или отсутствии тяги в дымовой трубе/ будет изливаться в вентиляционную камеру. Продолжение следует.

 

Продолжение.

Если дымонаправляющую пластину 1 сделать вращающейся вокруг горизонтальной оси, то при вертикальном расположении пластины, варьируя длину пластины, можно добиться режима русской белой духовой печи /см. левый рисунок вложения "сопоставление печи и камина"/ с переливом газов через нижний край пластины в дымоход. Последующее вращение пластины против часовой стрелки приводит в появлению вверху горнила прямого отверстия в трубу. Именно такое отверстие, прикрываемое задвижкой 2, приводит в русских печах к перегреву потолка-свода /см. правый рисунок вложения/ и получению режима отражательной /пламенной/ металлургической печи с раскаленным перекрытием. Ведь любой непроточный колпак оберегает потолок от перегрева /нежелательного в хлебных печах/, а проточные отверстия в потолке повышают температуру потолка /как в каменке - в соответствии с принципом выдавливания Жирнова/.

В отличии от камина, русская печь впускает воздух и выпускает дым через одно и то же отверстие - устье. Это не дает возможности воздуху входить через весь проем загрузочного отверстия /устья/ - воздух поступает внутрь печи дозированно только низом по поду, что ограничивает скорость горения дров /см. вложение "колчин-горение"/. Если же в русской печи сделать заднюю дверцу 3, то можно интенсифицировать горение подобно тому, как на недавней сессии Американской Ассоциации печник Пэт Мэнли ради интереса вдувал вентилятором воздух через заднюю стенку печи https://mha-net.org/docs/v8n2/wildac08b2.htm.

Вообще говоря, исследование модели вращающейся пластины могло бы внести ясность в газодинамические процессы розжига и горения камина /см. вложение "камин с вертушкой"/. Во всяком случае, частый вид дымления при розжиге камина, обусловленный малостью высоты дымосборника в области переднего щелевого отсоса /из-за эффекта инерционного "проскакивания" дыма через портал в помещение/, мог бы наглядно рассмотрен и уяснен.

 

Исправление.

В моем сообщении №22 от 19.02.09г. допущена арифметическая ОШИБКА!

Естественная гравитационная тяга по нормативу жилых помещений составляет при высоте трубы 10м не 3-4 Па, а 6-7 Па, что соответствует так называемому "легкому" ветру /ощущаемому лицом/. Естественная гравитационная тяга в трубе камина высотой 10м при температуре 80град составляет не 7-8 Па, а 30-40 Па, что соответствует ветровому напору "умеренного" /качаются ветки/ и "свежего" /качаются стволы небольших деревьев/.

Я долго думал, почему тяга в каминах получилась у меня столь непривычно низкой. Оказалось, что подсчитал неверно /зачем-то взял квадратный корень/.

 

Продолжение. Часть 10. В этой части мы приведем для сведения экспериментальные данные из частного литературного источника.

Отчет по изучению каминов "Требования к воздуху для каминов", выпущен в 1989 году по результатам экспериментальных исследований научного сектора фирмы "Канадская корпорация по домам и ипотеке". Подобных исследований в нашей стране не производилось.

Скачать из перечня литературы Lopez Labs Archive Papers: "Fireplace Air Requirements" by Canada Mortgage and Housing Corporation, 1989 - http://heatkit.com/html/lop-arc.htm

Как известно, все виды дымлений из порталов каминов в помещения можно разбить по причинам их появления на пять условных групп.

Во-первых, это дымления, обусловленные чисто конструкторскими недочетами, которые мы здесь фактически и обсуждаем и которые проявляются на этапах розжига, горения и догорания даже в идеально неподвижной внешней атмосфере /примерный перечень недочетов приводится, в частности, в конце книги В.Н.Глухих: не тот размер портала, не та глубина камина, не то сечение трубы, нет зуба, нет дымосборника или дымовой камеры, труба не прямая и т.п./.

Во-вторых, это дымления из-за некачественного изготовления или из-за неправильной эксплуатации камина /сырые дрова, неправильная их укладка, закупорка дымоходов сажей, разрушения кладки, перегревы-перетопы и т.п./.

В-третьих, это дымления из-за неправильного расположения камина внутри помещения /например, в зоне сквозняков/ или неправильной прокладки дымовых труб в системе здания /например, в наружной стене/. Этот пункт можно, разбив на части, перенести в другие группы.

В-четвертых, это дымления из-за наличия чрезмерно активных движений воздуха вне /порывы ветра/ и внутри /от прохода людей, сквозняков/ помещений, непринятия мер по защите портала и оголовка трубы от нежелательных воздействий.

В-пятых, это дымления из-за наличия многих "новых" причин технократического плана, обусловленных новыми технологиями строительства /герметичность окон и дверей, наличие множества механических приточно-вытяжных вентиляций в разных помещениях, эпизодичность работы представительских каминов и т.п./.

В отчете подробно исследуются отдельные факторы дымления именно последней пятой группы:
- выделения /spillage/ летучих продуктов /угарного газа, углекислого газа, пахучих соединений и т.п./ из камина в помещения дома /в том числе и после протопки камина/,
- выделения летучих продуктов из других печных приборов из-за разрежений воздуха в доме, создаваемых камином за счет герметичности окон и дверей,
- выделения из-за перегрева горючих материалов, примыкающих к трубе камина,
- обратный поток дымовых газов через портал и другие воздухозаборные отверстия камина из-за разрежений воздуха в доме за счет вытяжной вентиляции.

Из всего этого комплекса вопросов нас будут интересовать теплогазодинамические особенности динамики разгорания камина и конструктивные особенности каминов и дымовых труб из заводских полуфабрикатов. Из многочисленных измеряемых параметров мы приведем здесь лишь временную динамику изменений:
- веса закладки дров М,
- температуры внутренней стенки в топке Тт,
- температуры внутренней стенки трубы Тсс на средней высоте 1,2м от основания трубы,
- температуры дыма Тс на оси трубы на средней высоте 1,2м от основания трубы,
- температуры дыма на верхнем срезе дымовой трубы Тв,
- производительности трубы G в литрах в секунду,
- коэффициента избытка воздуха "альфа",
- содержания угарного газа в трубе СО в ppm /particles per million - частиц на миллион других частиц, то есть в десятитысячных долях процента/,
- разрежения /тяги/ в трубе в Па.
Продолжение следует.

 

Можете мне ответить почему этот камин будет дымить?

 

Извините, если я вмешаюсь Если правильно сложить, то не будет При одновременной топке печи и камина - возможен выброс дыма.

 

Дело в том что г-н Кузнецов указал именно на то что ,модель камина именно будет дымить.Попробовал перечитать все что написано выше,так и не понял до конца сути.Здесь получается может быть от купола,до поворота в трубу,и сечение трубы.Либо надо ввод в трубу удлинять,и шире делать,стараясь сделать прямоток больше,либо дымосборник изменять...в общем не разобрался .


Или по догадке,что на переходе в трубу каминные газы могут захлебнуться,топить печь и камин одновременно я и не собирался.В общем если кто может объясните обычным языком,а не научными трудами.