Газодинамика классического камина

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Вообщем, мыслите правильно. Именно в этой модели: увеличьте дымосборник, сделайте дымовой зуб, устье в трубу делайте плавным под 45 градусов (камин прямых углов не любит), трубу 5-к. И соблюдайте соотношения размеров по таблице. Устройство открытого камина и таблицу найдете в поисковике. Удачи!

 

Я согласен с SANEK*. Если Вы как следует прогреете трубу печью /хотя бы час топки/ и убедитесь по пламени спички, что в портале есть тяга, то растапливайте смело, дымления не будет. Причем, чем больше растопки /бумаги, лучины/ Вы примените при пробной растопке, тем лучше - сразу увидите, на что способен такой козырек-каминчик. Ведь испытание - самый главный этап изготовления любого изделия.

Другое дело - стоит ли делать такой камин или как его можно улучшить. Или - каков риск появления дымления? Что может привести к дымлению такого камина? Именно это Вы наверное хотели спросить на самом деле?

Если у Вас уже есть такая печка, и она работает без претензий, то такой камин делать можно без опасений за последствия. В крайнем случае, уберете его, "замажете дырку" в стенке и забудете об "эксперименте". Дырку делайте повыше - 4 ряда, тогда может быть ухитритесь разжигать и при холодной трубе. После дырки труба должна быть вертикальной. Все дверки печки должны быть тщательно уплотнены /шнуром/. Решетку в камине не применяйте. Глубину топки делайте поглубже. Трубу повыше. Дрова посуше. И т.д. и т.п. Ну а если на улице будет ураган или на кухне будет работать вытяжной вентилятор - то тогда любой камин будет дымить.

 

Можно сделать ввод в трубу у вьюшки-вверху перед трубой,ввести под 45-30%,глубина в 2 кирпича разве маленькая?Дымовой канал в 5кирпичей тоже возможен.Печки такой нет,вот хочу каминчик с печкой.

 

Продолжение.

Было испытано пять типов каминов заводского изготовления - и открытых /с открытыми дверцами/, и негерметичных /с полуоткрытыми дверцами/, и герметичных /с плотно закрытыми дверками, уплотненными огнестойким шнуром или притертыми на металлообрабатывающем станке/. Самое удивительное, что характер горения всех этих каминов был близок даже количественно.

Во вложении приведены типичные зависимости параметров камина при его розжиге в холодном состоянии при холодной трубе.

Дрова в камине располагались на электронных весах / М - текущий вес дров/. Первичная закладка - 0,4кг газет и 0,7кг мелких дров 25х25мм. После разгорания растопки примерно через 5 минут добавлялась основная закладка из трех крупных поленьев 6-8кг.
Продолжение следует.

 

Если печки такой нет, то тогда надо, конечно, весь чертеж переделать. Прежде всего "нарисовать" камин с прямой трубой в полный кирпич /пятерик/ и к ней уже пристыковать печку "как хочешь". Топливник печи надо делать, конечно же, НЕ в полкирпича шириной. Затем решить, высокий и мелкий камин /отопительный/ или глубокий и низкий камин /"для уюта и барбекю"/ Вы хотите. Это решит вопрос размещения местного отсоса внутри камина /переднего или заднего/. Затем решить с шириной портала - если широкий, то без зуба не обойтись. Затем решить вопрос с газораспределительной камерой /усреднительным коробом/ между каминной и печной трубами, может быть, разнесенными. И т.д.и т.п.

Здесь, в этой сложной для Вас теме, обсуждаются совсем новые дискуссионные подходы для продвинутых решений. А Вам подойдет, может быть, самый обычный /отработанный/ вариант дачного камина "из печной книжки" или "популярного журнала".

Откройте, пожалуйста, свою тему. Печники ФОРУМХАУЗА без сомнения помогут Вам и посоветуют оптимальный вариант.

 

Продолжение.

ПРИМЕЧАНИЕ. В результате длительных кулуарных обсуждений, ранее представленное вложение "Экспериментальные данные" было несколько скорректировано /см. новое вложение/.

Напомню, что речь идет о графиках, построенных мной /со статистическим усреднением/ по единственной экспериментальной таблице , приведенной в канадском отчете.

Эта таблица относится лишь к одному из многочисленных экспериментов и служит только для иллюстрации объема исследований - 96! пространственных точек различных замеров по времени /и в камине, и в трубе, и в помещениях/, направляемых в компьютер для обсчета по специальной программе моделирования процессов горения дров WOODSIM. В отчете не указано, к какой конструкции камина относятся эти данные. На запрос я ответа пока не получил и наверно не получу - ведь отчет был выпущен 20 лет назад. Тем не менее обсуждать данные можно - по крайней мере, это единственное в своем роде исследование такого плана и такого объема. Тем более, что по результатам отчета с свое время были внесены существенные коррективы в Строительные правила Канады /см. далее/.

 

Продолжение.

Как видно из вложения "Экспериментальные данные", энергичная "газетная" растопка камина обеспечила первичный импульс тяги 3-6 Па с ростом температуры дыма на высоте 1,2 м от основания трубы до Тс=120град и с ростом температуры дыма на верхнем срезе трубы /на высоте 3,66м от основания трубы или 4,6м от пода камина/ до Тв=106град. Стенки камина и трубы нагреться за время растопки 5 минут не успели. Расход газа 40-50 л/сек /144-180 м3 в час/ при этом был очень велик, что указывает, что растопка велась при открытом портале камина.

Последующая закладка 7,43 кг дров вновь привела к подъему температуры дыма, расхода газа и тяги примерно до вышеуказанных значений. В дыме при этом появился угарный газ СО в концентрации 2000ppm = 0,2% /на уровне выхлопа из автомобиля/. Стенки камина прогрелись до Тт = 350град, а стенка трубы до Тсс = 150град.

Далее последовал непонятный скачок параметров, отмеченный стрелкой с вопросительным знаком. Резко упал расход газа, сократилась концентрация СО , возросла тяга до 17-19 Па, резко выросла темпаратура в трубе Тс, Тв и Тсс. Причины скачка параметров в отчете не указаны, но это могло бы быть:
- выход пламени на верхнюю поверхность поленьев,
- или, наоборот, окончание выгорания летучих с образованием горящих углей,
- закрытие задвижки на трубе,
- прикрытие стеклянных створок камина,
- включение вытяжной вентиляции.

Наиболее вероятно, что на этом этапе /при выгорании 33% веса дров/ были зачем-то прикрыты створки камина. Это подтверждается тем, что коэффициент избытка воздуха снизился до значения порядка двойки, что характерно именно для топок с дверкой. Такой коэффициент избытка воздуха при открытом портале означал бы возможное появление дымления из портала, поскольку воздушная "занавеска" портала уже становится недостаточной.

 

Продолжение.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ОТЧЕТА.

Для предотвращения дымления рекомендуется разжигать холодный камин как можно более энергично /для быстрого образования тяги/ и непрерывно поддерживать интенсивное горение дров, причем обязательно длительно, чтобы успела прогреться труба для последующего длительного поддержания тяги, достаточной для этапа догорания углей. Под интенсивным горением /high burn rate, briskly burning/ условно понимается период до выгорания 75% веса дров. Под медленным горением условно понимается период после выгорания 75% веса дров. Под догоранием условно понимается период после выгорания 80-90% веса дров. Дымление / поддымливание, дословно "выделение" - spillage/ приборно фиксируется по повышению содержания углекислого газа СО2 в комнате около портала. Опрокидывание тяги /backdrafting/ с выводом всего дыма в комнату приборно фиксируется по резкому падению температуры газов в трубе.

Так, кирпичный камин типа Oliver-McLeod с открытыми створками может начать поддымливать на этапе интенсивного горения при разрежении воздуха в комнате 14 Па, а на этапе медленного горения при разрежении уже 11 Па. С закрытыми створками значения допустимых разрежений увеличиваются до 25 Па и 20 Па соответственно. Это не вызывает удивления. Удивительно то, что любые камины /хоть с открытыми створками, хоть с закрытыми/ могут начать поддымливать на этапе догорания углей, а это наиболее опасный период, поскольку люди в это время уже спят.

Поддымливание на этапе догорания углей возникает из-за охлаждения трубы и снижения тяги в тот момент, когда разрежение в трубе /тяга/ становится меньше разрежения воздуха в комнате /разрежение же в комнате может быть вызвано множеством причин - работой самого камина, работой вытяжной вентиляции, ветровым воздействием и т.п./. Причем сам факт начала поддымливания не зависит от того, открыты или нет створки портала /но, конечно же, через закрытые створки будет просачиваться количественно меньше дыма/.

Если же разрежение в трубе меньше разрежения воздуха в комнате на 3 Па и более, то происходит опрокидывание тяги.

Так, при разрежении воздуха в комнате 10 Па поддымливание начинается при температуре в трубе ниже 100град. А вот при разрежении воздуха в комнате менее 5 Па, поддымливания на этапе догорания углей не наблюдалось ни в одном эксперименте ни на одном камине. Поэтому безопасность работы камина стала контролироваться в Канаде замером разрежения воздуха в помещении - при повышении разрежения воздуха в комнате до уровня 5 Па должна срабатывать тревожная сигнализация. Конечно же, этот простой и дешевый метод все же подразумевает какой-то условный уровень тяги трубы, но это в отчете не обсуждается.

В отчете подробно исследованы высотные распределения температуры газов в трубе. Показано, что температура падает вверх по экспоненциальному закону.
"Характеристическая" длина трубы представляет собой расстояние вдоль трубы, на котором температура падает в е = 2,718 раз. Чем больше линейная скорость горячего газа в трубе /то есть чем больше расход горячего газа/, тем больше "характеристическая" длина, то есть тем медленнее падает температура по тракту. Так, во вложении "экспериментальные данные" при расходе дымовых газов 40-50 л/сек "характеристическая" длина составляла 20-30м /при реальной высоте трубы 3.66м/, а при расходе 25-30 л/сек - всего 10-12м.

Некоторые конструкции исследованных каминов "имели над пламенем наклонные экраны, направляющие дымовые газы в сторону комнаты, прежде чем они попадут в трубу" /фактически, видимо, речь идет о переднем отсосе с применением традиционного прямого нависающего дымового зуба/. Так вот, было отмечено, что во время интенсивного горения имеется тенденция образования вихрей дыма около портала из-за проскакивания дыма за щелевой отсос. Поэтому в этих случаях рекомендуется прикрывать створки портала до тех пор, пока не сформируется достаточно сильная тяга в трубе.

Кроме того отметим, что трубы каминов искусственно продувались вентиляторами для установления зависимости расхода газа от перепада давления на трубе /от тяги/. Во всех случаях расход газа был /в согласии с теорией/ пропорционален корню квадратному от перепада давления.

 

Продолжение.
РЕКОМЕНДАЦИИ ОТЧЕТА /дословный перевод с моими примечаниями/.

Принцип 1. СОЗДАВАЙТЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИМПУЛЬС.
Создавайте и поддерживайте тягу в трубе путем усиленного "энергетического толчка /импульса/" - дайте огню гореть быстро, когда преобладает низкая тяга /при растопке и догорании/ и тем самым возбуждайте трубу и запасайте тепло в ее структуре.
Избегайте сдерживания /регулирования/ скорости горения при розжиге и при догорании. С другой стороны, средняя стадия горения маловероятна для дымления, так что энергозапасающая технология контролируемого горения методом прикрытия воздухоприточных отверстий помещения может осуществляться без опасений выделения дымовых газов в помещение на этой стадии горения. Эффективная /достаточная?/ высота трубы является, видимо, ключом для развития и поддержания тяги по причине увеличения "энергетического импульса" в системе. Чем выше труба, тем лучше, желательно, чтобы она была соответствующе теплоизолирована. Более высокие трубы также представляют собой бОльшую массу /в форме бОльшего количества материала стенок/, вследствие чего запасают больше тепла. Увеличенная масса материала стенок трубы может играть роль, но "эффект массы" сам по себе /самостоятельно, "в одиночку", без должной высоты трубы? без интенсивного горения?/ не может быть ключевым подходом для запасания "энергетического импульса".

Принцип 2. ОБЕСПЕЧИВАЙТЕ ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ В ПОРТАЛЕ.
Убедитесь, что доступная /наличная, действительная/ тяга, создаваемая трубой, передается через все отверстия топки камина сверху донизу. Прикрытые дверцы камина, кажется, являются всем /именно тем?/, что нужно для достижения этого, не считая плотности прикрытия самих дверок. Эквивалентная проходная площадь большинства дверок является много меньшей, чем площадь открытого портала камина.
Для разработки конструкции, надо упорядочить систему газовых потоков в оболочке /тракте?/ "труба-камин-здание". Полная доступная тяга трубы полностью трансформируется в потери давления на трение /в сопротивления трения/ как результат течения воздуха или газов последовательно через все участки проточной газовой системы. Полный перепад давления за счет трения /при течении через все участки газовой системы камина/ всегда равен полной теоретической? тяге. Чем больше падение давления за счет трения на одном участке газовой системы, тем меньше будет падение давления за счет трения на других участках. Целью является минимизация трения трубы и трения оболочки? /здания?/, чтобы максимальное трение /то есть перепад давления между комнатой и основанием трубы, измеряемый как "тяга"/ приходилось бы на дверцы камина и на воздухоприемные /приточные/ отверстия камина /то есть на поддувало с решеткой при их наличии?/, тем самым минимизируя возможность дымления камина в комнату. Если же основные перепады давления за счет трения будут приходиться на трубу и/или на оболочку?, то на портале /"лице"/ камина будет слишком маленький перепад давления /например, в случае открытого портала камина/. При этом открывается возможность формирования зоны нейтрального давления именно в портале /"лице"/ камина, когда воздух из комнаты поступает в топку камина через одну зону портала /нижнюю?/, а дым течет в комнату через другую зону портала /верхнюю?/ - смотри дополнительно Принцип 3.

ПРИМЕЧАНИЕ. Речь идет, видимо, об уровне нулевого перепада давления между комнатой и трубой. Дело в следующем. При наличии тяги в трубе дым вытекает /выталкивается/ через верхний срез трубы - значит вверху трубы давление больше, чем в атмосфере на том же /верхнем/ высотном уровне. А воздух втекает /подсасывается/ через нижний срез трубы - значит внизу трубы давление меньше, чем в атмосфере на том же /нижнем/ высотном уровне. Это значит, что в трубе неминуемо имеется некий высотный уровень /так называемый, нейтральный или нулевой/, на котором давление в трубе равно давлению в атмосфере. На этом нейтральном уровне в трубе можно сделать сквозное отверстие, и камин /или печь/ этого не заметит. Это, в частности, практикуют в газовых отопительных котлах АОГВ: сквозное отверстие в основании "вентиляционной" /дымоотводящей/ трубы, прикрытое свободно качающейся дверцей, служит для отвода в комнату случайных сильных порывов ветра сверху так, чтобы эти порывы ветра не загасили пламя газовой горелки.

Концентрация всей тяги на воздухоприемном отверстии камина /на поддувале?/ и направление тем самым всего входящего воздуха непосредственно в закладку дров создает неконтролируемый эффект "раздуваемого факела" /"blow torch" efffect/. Дверцы со щелями наверху и воздушные отверстия в боковых стенках в верхней части топки могут быть использованы для распределенного ввода воздуха в целях контролируемого горения. Во вложении "подача воздуха на горение" иллюстрируются воздействия различных видов ввода воздуха на на внешний вид пламени.

ПРИМЕЧАНИЕ. Указанный эффект "неконтролируемого разгона пламени" с выбросом пламени "через трубу на крышу" наблюдается и в герметичных металлических отопительных печах /например, типа Буллерьян или Вулкан/ при направлении струи свежего воздуха строго под закладку дров. Поэтому в этих печах в обязательном порядке приваривается уголковый рассекатель воздуха на воздухоподающей трубе.
Продолжение следует.

 

Продолжение.

Принцип 3. ПОДБИРАЙТЕ ФОРМУ ПЛАМЕНИ.
Подгоняйте форму открывающегося отверстия дымовой задвижки вверху камина / далее для краткости - форму горловины / к форме газового потока, всплывающего из горящей закладки дров / далее для краткости - к форме пламени /. Или наоборот.
ПРИ РОЗЖИГЕ, КОГДА ДВЕРЦЫ КАМИНА МОГУТ ОСТАВАТЬСЯ ОТКРЫТЫМИ В ЦЕЛЯХ УСТАНОВЛЕНИЯ БОЛЬШОЙ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ /В УСЛОВИЯХ, КОГДА ТЯГА ТРУБЫ ЕЩЕ МАЛА/, вступает в игру целый ряд факторов - форма камина, форма укладки и месторасположение горящих дров /локализация огня/, конструкция решетки, форма горловины и т.п. Ни один из этих факторов не моделируется /"не симулируется"/ точно в программе WOODSIM /об этой компьютерной программе можно почитать в ссылках на сайте https://mha-net.org/html/software.htm /. В этой модели предполагается, что все эти факторы оптимизированы таким образом, что когда труба вентилируется /выпускает дым/, сколько дымовых газов образуется, столько и удаляется трубой, так что дымление не возникает. В действительности же, плохая конструкция системы вентиляции топки камина может "суметь исхитриться" выпустить продукты сгорания в помещение, не смотря на тот факт, что обычно имеется тяговый поток газа вверх в трубу, вполне достаточный для захвата и вывода всех продуктов сгорания. С плохой конструкцией системы вентиляции топки камина, дымление может возникнуть в тех случаях, когда модель WOODSIM не предсказывает дымления. Пример такого дымления при низкой тяге виден В ОТКРЫТЫХ КИРПИЧНЫХ КАМИНАХ С ШИРОКОЙ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ГОРЛОВИНОЙ. Умеренная тяга в трубе будет тянуть с краев широкой горловины так же хорошо, как и в середине /в центре/. Однако, если струя /столб/ дыма будет иметь цилиндрическую форму / поскольку подъемная сила стремится стянуть пламя и дым по направлению к центру-оси сужающейся струи/, то струя будет сконцентрирована в центральных частях горловины. В краях горловины будет течь /втягиваться/ холодный комнатный воздух. Скорость потока в центральной части горловины тогда не будет достаточной , чтобы захватить всю цилиндрическую дымовую струю /примечание - это не совсем понятно, дым ведь горячий и потому всплывает в струе холодного воздуха?/. Дымление при этом будет наблюдаться в центре верхней части портала /или рядом/, в то время как комнатный воздух течет внутрь трубы по краям горловины /примечание - имеется в виду, видимо, длинная щелевая горловина вдоль всего верха портала камина?/. Кроме того, труба будет при этом частично заполняться холодным комнатным воздухом вместо теплого дыма /примечание - но ведь в каминах это всегда неизбежно?/. Таким образом, установление достаточной тяги будет задержано с соответствующим продлением возможности дымления при низкой тяге.
Круглые горловины, которыми снабжаются камины заводского изготовления, кажется, подходят для эффективного захвата цилиндрических струй при низкой тяге, что позволяет избежать излишнего дымления. КИРПИЧНЫЕ КАМИНЫ /имеются в виду, видимо, дымосборники каминов?/, ПОСТЕПЕННО СУЖАЮЩИЕСЯ К ГОРЛОВИНЕ, ИМЕЮТ ЭФФЕКТ "СПЛЮЩИВАНИЯ" ДЫМОВОЙ СТРУИ /С ПРИОБРЕТЕНИЕМ СТРУЕЙ ФОРМЫ ГОРЛОВИНЫ/, ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ ЗАХВАТЫВАТЬ ПРЯМОУГОЛЬНУЮ СТРУЮ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ГОРЛОВИНОЙ. Такая конструкция признана эффективной для сдерживания дымления.

Как пример того, как вышеприведенные первые три принципа конструирования каминов помогают решить проблему дымления, рассмотрим случаи дымления при розжиге, с которыми столкнулась фирма ORTECH при тестировании каминов. Фиксированная отражательная перегородка вверху топки камина /наклонно нависающий экран как зуб над пламенем/ изменяет форму струи /отклоняемой вперед/, вследствие чего нарушается Принцип№3 и появляется дымление при розжиге камина в условиях низкой тяги. Прикрытие дверок / Принцип№2/ угнетает /"убивает"/ горение, что нарушает Принцип№1. Подбор степени прикрытия дверок /створок/ камина явился тем решением, которое помогло избежать стартовые проблемы дымления.

ПРИМЕЧАНИЕ.Заключительная часть текста /более страницы/ Принципа№3, касающегося особенностей продува "жакета" /конвективного кожуха/ металлического заводского камина с последующей подачей части воздуха в камин на горение, опущена.


Принцип 4. КОНТРОЛИРУЙТЕ ПРИТОК ВОЗДУХА "С УЛИЦЫ В КАМИН"
Обеспечьте камин средствами регулирования подачи воздуха по трубе с улицы в поддувало камина. Повышение подачи воздуха "с улицы в камин" снижает разрежение воздуха в помещении и в то же время обеспечивает некоторый контроль скорости горения. Этот принцип касается в основном каминов заводского изготовления, так как ни один из них не тестировался с потреблением больших количеств воздуха из помещения /когда закрыты створки камина/.

Следует отметить, что ни один из вышеприведенных принципов не является новым. Эти принципы сформулированы здесь как попытка как-то упорядочить ранее широко известные конструкторские подходы и интуитивную практику на базе проведенных лабораторных и модельных изысканий.
Продолжение следует.

 

Продолжение.
ОБСУЖДЕНИЯ ОТЧЕТА И КОММЕНТАРИИ СПЕЦИАЛИСТОВ.

Рассмотренный выше Отчет 1989 года широко обсуждался в Северной Америке, поскольку явился, пожалуй, третьим по значимости экспериментальным исследованием газодинамики каминов после работ Рамфорда /1796г./ и Росина /1936г./ Поэтому приведем краткие выдержки из бесед специалистов.

Семинар Ассоциации печников Северной Америки "Наружный воздух в каминах. Наука, мифы, строительные кодексы", июль 2000 года - https://www.mha-net.org/msb/docs/outsair.htm. Вольный выборочный перевод.

Винер /участник госпрограммы/ - Сенфу /президенту Ассоциации/: В отчете 1989 года все камины дымили на конечной стадии горения /при догорании - "during diedown"/ при разрежении воздуха в комнате 10 Па. Какие камины испытывались? Уплотнялись ли дверцы шнуром-прокладкой /gasketed air tight doors/? Или подгонялись-шлифовались машиной?
И что такое плотные дверки, насколько плотные дверки были плотными?

Сенф - Винеру: Дверцы соответствовали доступной коммерческой технологии того времени. Плотность каминов /герметичность/ определялась плотностью дверок плюс других подобных "железяк" - прочисток, задвижек и т.п. Металлические трубы имели соединения между секциями /примечание - напомню, что в отчете использовались металлические дымовые трубы общей длиной 3,66м из четырех секций, внутренний диаметр трубы 7 дюймов = 179мм с наружной теплоизоляцией 1 дюйм/.
Важно понимать разницу между восприимчивостью /чувствительностью, склонностью/ камина к дымлению и скоростью /темпом, уровнем/ дымления камина. Восприимчивость зависит только от перепада давлений между комнатой и камином /у основания трубы/, а скорость дымления зависит еще и от герметичности камина. Плотные дверки меньше дымят, но не уменьшают восприимчивости к дымлению, поскольку восприимчивость определяется в основном трубой /уровнем тяги?/. Также подача наружного воздуха прямо в герметичный камин, минуя помещение, также не способна снизить восприимчивость к дымлению из-за неизменности тяги той же трубы.

Гулланд /руководитель семинара/ - Винеру: Было испытано пять каминов. BIS - дверки с прокладкой, наружный воздух подается в конвективный кожух, а затем в топку. OPEL - дверки с прокладкой, наружный воздух подается прямо в топку. Oliver-McLeod - кирпичная топка с двухстворчатой дверкой, наружный воздух подается в кожух, а затем в топку. Oliver-McLeod - тот же, но с подачей воздуха прямо в топку. PRESSURIZER - дверки с прокладкой, наружный воздух подается вентилятором в кожух - продвинутая конструкция. Камины испытывались в плотном и не плотном состоянии. Ничего не дало разницы - все пять каминов были прекрасными при разрежении воздуха в комнате 5 Па и все дымили при догорании при разрежении 10 Па.
Я согласен с Сенфом - плотность дверок влияет только на объем выделений /дымлений/, но не на восприимчивость.
В 1990 году в Национальный строительный кодекс /НСК/ Канады был введен пункт 9.22.1.4 "Воздух для горения. Камины, включая камины заводского изготовления, должны иметь снабжение воздухом для горения /подачу воздуха в камеру сгорания/... Целью настоящего пункта является обеспечение работы камина без воздействия на него других приборов и вытяжного оборудования /и наоборот, без воздействия камина на другие приборы/. Для этого камин должен снабжаться воздухом, предназначенным только для него. Подвод наружного воздуха должен осуществляться непосредственно в камин или около него".
В 1993 году с учетом выводов Отчета 1989 года было предложено исключить этот пункт по следующей причине: "Снабжение камина наружным воздухом в целом не эффективно. Это требование уже исключено из Правил конструирования кирпичных труб и каминов CAN/CSA A-405".
В 1995 году пункт 9.22.1.4 уже звучал так: "Воздух для горения. В тех случаях, когда подача воздуха для горения обеспечивается непосредственно в топку камина, включая камины заводского изготовления, установка камина должна соответствовать требованию "Снабжение наружным воздухом" Правил конструирования кирпичных труб и каминов CAN/CSA A-405". Это сейчас единственное упоминание о наружном воздухе для горения каминов.
Следует отметить. что на такое решение повлияли и результаты другого независимого исследования "The Effekts of Glass Doors on Masonry Fireplace Spillage and Surface Temperatures, Virginia Politechnic Institute, 1994", полностью подтвердившие выводы Отчета 1989 года: "Восприимчивость камина к дымлению из-за разрежения в помещении не вызывается /предсказуемым образом/ наличием или отсутствием подачи воздуха в камин снаружи, вне зависимости, подается ли воздух непосредственно в камеру сгорания или косвенно через воздухоподающий канал, расположенный около камина".
Продолжение следует.

 

Продолжение.

В обсуждениях Отчета приняла участие и организация Wood Heat Organization /Американское неправительственное агентство по пропаганде древесины как домашнего топлива/ - .

Подчеркнуто, что рассматриваемый Отчет 1989 года является единственным исчерпывающим исследованием способов ввода наружного воздуха для дровяных каминов с естественной тягой.

Поскольку ввод наружного воздуха проясняет физику каминов, остановимся на этом вопросе подробнее. Работающие камины /особенно открытые кирпичные конструкции/ могут создавать значительные разрежения воздуха в чрезмерно герметичных помещениях. Естественно, это затрудняет розжиг камина и вызывает выход дыма из портала, поскольку помещение находится под отрицательным давлением и поскольку имеется нисходящий поток газов в дымовой трубе. Однако, если на этапе растопки отрицательное давление временно устранить /например, открытием окна в каминном помещении/, то тяга обычно возникает без затруднений. Как только тяга установится на хорошем уровне, камин уже не склонен к дымлению в помещение, пока поддерживается интенсивно горящий огонь.

Единственным случаем затрудненности создания тяги /в отсутствии разрежения воздуха в помещении/ является длительный период холодной погоды, вызывающий особо сильную обратную тягу. Если труба охлаждена существенно ниже комнатной температуры, она может действовать как отверстие, расположенное ниже нейтрального уровня давления в помещении. Поэтому наружные трубы - это основной бич каминов.

При установлении же хорошей тяги трубы, уже нет проблем появления дымления, но при разрежениях воздуха в помещении не более 5 Па. При разрежении же воздуха в помещении более 10 Па, с большой вероятностью возникает дымление из камина ближе к концу горения дров, когда остаются только горящие угли. Это опасная ситуация из-за возможного отравления угарным газом.

Разрежение воздуха в помещении возникает при недостаточно больших площадях проходных сечений приточных отверстий естественной вентиляции помещения. Обычно камин потребляет 20 - 50 литров воздуха в секунду. Разрежение 5 Па возникает при этом при площади приточных отверстий 0,012 - 0,030 м2. Так что обычный диаметр стандартных приточных каналов для кассетных каминов 100мм оказывается явно недостаточным.

Современные "плотные" индивидуальные дома с пластиковыми окнами имеют площадь приточных отверстий как раз на уровне 0,020 - 0,030 м2. Эта величина называется ELA - www.buildingscience.com/glossary/equivalentleakage. ELA - это количественное выражение воздушной герметичности /плотности/ оболочки здания. По стандарту Canadian General Standarts Board: EqLA /Equivalent Leakage Area of a Building/ - это "дырчатость" /leakage/ оболочки как сумма площадей приточных отверстий в м2, измеренная для разрежения 10 Па. По стандарту ASTM / American Society for Testing Materials/: ELA /Effective Leakage Area/ - это то же, но для разрежения 4 Па /см. также ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers/. В России вместо "дырчатости" /площади "дырок"/ нормируется "воздухопроницаемость" /расход воздуха через "дырки"/ строительных конструкций, измеряемая для тех же 10 Па /по СНиП23-02-2003/.

Для улучшения каминов предпринимались попытки предотвратить разрежение воздуха /из-за работающего камина/ и возможность распространения дыма /из портала в комнату/ путем прикрытия портала стеклянными дверками с запиткой камина наружным воздухом.

Во вложении "ввод наружного воздуха" на левом верхнем рисунке показан ввод наружного воздуха с улицы прямо в закрытую топку камина. Ясно, что при низкой тяге трубы, когда давление в камине близко к атмосферному давлению, такой камин не приводит к появлению разрежения воздуха в помещении, но способен дымить через щели в корпусе /например, через неплотности дверок/ при наличии разрежения в комнате. А при высокой тяге, когда в камине большое разрежение, камин не может дымить в помещение, но способен создавать разрежение воздуха в комнате через щели в корпусе.

На правом верхнем рисунке воздух поступает из комнаты в конвективный кожух камина и частично идет в топку на горение дров. Такая схема может работать с закрытыми дверками, но если тяга трубы не способна преодолеть разрежение воздуха в комнате, то дым из камина может проникать в комнату через щели корпуса или через поддувало в кожух и далее в конвективный воздух.

На нижнем левом рисунке наружный воздух поступает с улицы в конвективный кожух для снижения разрежения воздуха в помещении за счет теплого притока, а частично наружный воздух поступает и в топку. На нижнем правом рисунке притоки наружного воздуха в топку и в кожух разделены. В обоих этих случаях при низкой тяге трубы /на этапе догорания углей/ в камине возникает давление, близкое к атмосферному. И если в комнате имеется разрежение воздуха, то возможно и распространение дыма из камина в комнату.

Так или иначе, в настоящее время доказано, что именно при разрежении воздуха в комнате более 5 Па имеется опасность дымления камина в помещение вне зависимости от соотношений площадей портала и трубы.

Поэтому именно этот факт и надо дополнительно учесть при расчете
камина.
Продолжение следует.

 

Продолжение. Часть 11. В этой части речь пойдет о форме местного отсоса камина, работающего без дымления при разрежении в комнате.

Как следует из рассмотренного выше Отчета 1989 года, в основании дымовой трубы камина /на уровне верха портала/ необходимо поддерживать разрежение дымовых газов никак не меньше 5 -10 Па /относительно атмосферного воздуха /. Это предотвращает дымление камина в герметичных помещениях. Расчетные оценки показывают, что тяга 5 - 10 Па достигается в трубе высотой 5 метров уже при температурах в трубе, превышающих температуру воздуха в помещении всего на 20 - 40 град /см. вложение "параметры трубы"/. Казалось бы, никаких проблем с обеспечением необходимого уровня разрежения нет.

Но равно ни разрежение в основании трубы величине тяги в трубе?

Во вложении "объяснение" приведены эпюры распределения разрежений и напоров в трубах разных конструкций. Чисто условно /гипотетически/ считается, что на всех рисунках температура внутри трубы Т более высокая, чем температура снаружи трубы То, но движений газов через срезы трубы нет.

В строчке "а" рассмотрена труба, закрытая снизу. На высотном уровне верхнего среза трубы давления газов внутри и вне трубы равны, то есть разрежение вверху внутри трубы отсутствует. А на высотном уровне "дна" трубы давление газа внутри трубы меньше, чем снаружи, поскольку вес столба горячего газа внутри трубы меньше, чем вес холодного столба газа снаружи трубы. Значит, внутри трубы у "дна" имеется разрежение газа /относительно газа снаружи на том же высотном уровне/. Именно это разрежение изображено на "треугольной" эпюре. Теперь приоткроем в "дне" пробное отверстие "П" и убедимся, что воздух втягивается внутрь. То есть возникает массовый поток, который должен неминуемо выйти через верхний срез трубы. Значит, внутри вверху трубы при открытии пробного отверстия возникает избыток давления /напор/, выталкивающий горячий газ наружу. Это изображено на эпюре "типа восьмерки", общая тяга трубы не изменяется. Этот случай соответствует камину Ортона /с малым дымосборником перед зубом /, изображенному справа совместно со схемой-эскизом вводного узла дымовой трубы.

В строчке "б" рассмотрена труба, закрытая сверху. В этом случае внутри трубы у "потолка" возникает избыточное давление /напор/, что иллюстрируется "перевернутой треугольной" эпюрой. Если в "потолке" приоткрыть пробное отверстие, то газ начнет выходить через это отверстие наружу, а входить через нижний срез трубы. Значит, внизу трубы при открытии пробного отверстия возникает разрежение. Этот случай отвечает "венецианскому" камину с простым сужающимся дымоборником /зонтом/.

Легко видеть, что при одном и том же проходном сечении пробного отверстия
модели каминов "а" и "б" обеспечивают один и тот же расход воздуха через портал при одной и той же тяге, НО ИМЕЮТ РАЗНЫЕ РАЗРЕЖЕНИЯ НА УРОВНЕ ВЕРХА ПОРТАЛА КАМИНА. Если в помещении резко снизить давление /например, резко распахнув дверь/, то из широкого дымосборника камина "б" с легкостью "выплеснутся" клубы дыма, поскольку в этом дымосборнике нет "достаточного запаса разрежения" /то есть давление в дымосборнике мгновенно становится больше давления в комнате/. А вот из трубы камина "а" клубы дыма выйти не смогут, поскольку им нужно не только "пролезть" обратно через узкую горловину, но и преодолеть перепад давления, поскольку давление в трубе всегда сохраняется более низким, чем в помещении. Что касается всплывающих языков горячего воздуха в топке камина, то они чувствительны лишь к потокам воздуха, а не к перепадам давления /напомним, что 10 ПА составляет сотые доли мм рт. ст./.

Аналогично можно рассмотреть и иные схемы, например, "в" и "г". И здесь схема без большого дымосборника "г" более устойчива "к резким распахиваниям дверей", она реализует наиболее распространенный вид каминов с щелевой горловиной. Вместе с тем схемы "а" и "г", устойчивые к дымлению при разрежениях в комнате, склонны дымить при растопке, поскольку при еще недостаточно развившейся тяге, потоки дыма могут " проскакивать" мимо плохо всасывающей горловины прямо через портал в комнату /что также отмечалось в Отчете 1989 года/.

Отметим, что в проточных трубных системах имеется некий нейтральный уровень "О" /см. рис. "г"/, имеющий то же давление, что и помещение на том же высотном уровне. На этом уровне можно сделать даже отверстие /правда недопустимое для каминов по причине возможного дымления из него при разрежении в помещении/. Подобный нейтральный уровень имеют и здания как "коробки" в целом. На этажах ниже нейтрального уровня воздух поступает через форточки внутрь здания, а на этажах выше нейтрального уровня воздух выходит через форточки наружу. Все это также может влиять на работу камина, но относится к чисто вентиляционным вопросам.
Продолжение следует.

 

Продолжение.

Таким образом, при резком снижении давления в комнате /например за счет распахивания дверей/ при наличии тяги дымовой трубы дымосборник без зуба имеет повышенную вероятность дымления, чем тот же дымосборник, но с зубом /точнее, дымосборник с узкой горловиной, образованной зубом/. А вот в отсутствии тяги дымовой трубы /то есть на этапе растопки или догорания/ все наоборот – при распахивании дверей дымосборник без зуба имеет меньшую вероятность дымления, чем тот же дымосборник, но с зубом. Это обусловлено тем, что зуб дает возможность свободному потоку дымовых газов проскочить по инерции мимо вытяжного отверстия сразу непосредственно в портал камина / см. вложение «проскок дыма при отсутствии тяги»/.

Столь сложное поведение камина и обуславливает многочисленные противоречия в печной литературе. Ведь надо отличать режимы с сильной тягой и со слабой тягой, дымление за счет потоков воздуха в помещении /от прохода людей, взмахов рук, сквозняков/ и за счет разрежения в помещении. Дымление от потоков воздуха предотвращается "воздушной занавеской" /определяемой тягой трубы и геометрией отсоса/, а дымление от разрежения в помещении предотвращается разрежением в отсосе.

В каждом конкретном случае надо "рисовать" свою схему газодинамической обстановки в помещении /см. вложение "вытяжная вентиляция в каминной комнате"/ и оценивать механизм дымления исходя из "потоков и разрежений". При этом надо учитывать и специфические характеристики отсосов - так, дымовая труба увеличивает расход газа /производительность/ с ростом перепада давлений /тяги/, а механический вентилятор, наоборот, уменьшает /см. вложение "конкуренция трубы с вентилятором"/. Поэтому, при снижении тяги трубы /при погасании камина/ расход воздуха через камин снижается, а через вентилятор повышается, что и приводит к дымлению камина при его погасании.

В то время, совершенно ясно, что разрежение в отсосе и скорость "воздушной занавески" – это «две стороны одной медали». Эти две величины связаны между собой однозначно законом сохранения энергии и импульса – квадрат скорости воздуха пропорционален величине разрежения. По физической сути, засасываемый воздух приобретает скорость именно за счет разрежения. При этом скачкообразные перепады давления, указанные во вложении "объяснение" /см. предыдущее сообщение/ на практике сглаживаются вдоль траектории, поскольку газ не способен мгновенно ускориться или затормозиться. В камине с зубом область разрежений далеко «выпирает» из портала /см. вложение «ускорение в горловине»/, а в камине без зуба область разрежений «упрятана» вглубь камина /см. вложение «ускорение в зонте»/.
Продолжение следует.

 

Продолжение.

Вследствие наличия трения, направленные потоки воздуха у стенок дымосборника притормаживаются /см. вложение "скорости в зонте"/. Именно из этих застойных зон и вырывается дым из зонта /дымосборника/ камина при распахиваниях дверей в комнате /на рисунке клубы дыма показаны винтовой линией/, поскольку именно эти застойные зоны имеют, соответственно, пониженные разрежения воздуха /то есть более высокие статические давления, чем на оси потока/ - во вложениях "ускорение в зонте" и "ускорение в горловине" предыдущего сообщения цифрами у кривых указаны величины статических давлений.

В предельном случае очень высоких вязкостей /когда невозможно образование пристеночной турбулентности, усредняющей скорости на оси струи и на стенках/ застойная зона распространяется от портала камина до оголовка трубы. Механизм формирования такого рода течений иллюстрируется известными в литературе рисунками формирования пристеночного /пограничного/ ламинарного слоя, где газ из-за трения постепенно перетекает из пристеночных зон в осевые с формированием "параболического" распределения скоростей по радиусу канала /см. вложение "расширение пограничного слоя в трубе"/. Продольные перепады давления в такой "сквозной" застойной зоне будут отсутствовать /весь перепад будет на верхнем срезе дымовой трубы/, как и направленные потоки /газ у стенок мог бы течь и вдоль, и поперек, и вверх, и вниз в зависимости от обстановки, но препятствует трение/. Это случай как-бы "свободного" движения /подъема/ приосевого столба горячего дыма в окружении неподвижной холодной оболочки. Тем не менее тяга будет существовать, а холодный пристеночный слой будет играть роль некой "смазки".

Так или иначе, для предотвращения дымлений /при наличии тяги/ необходимы именно высокие скорости воздуха /в зонах возможного выхода дыма из портала в помещение/ для "дальнобойности отсоса, а не просто некий высокий объемный расход газа через трубу. Так что каминный зуб - есть лишь форма узла отсоса, обеспечивающая заужение входа в трубу. Чем меньше проходное сечение входа в трубу /и именно "входа в трубу или выхода из топки или хайла или отсоса", а не некой "горловины" в глубине дымовой трубы/, тем лучше. Пусть отсос-хайло будет даже намного уже трубы. Но при "зажатом" входе в трубу возрастает газодинамическое сопротивление тракта. Поэтому для сохранения величины расхода газа надо делать трубу повыше и погорячее /для повышения тяги/, а форму отсоса более обтекаемой для предотвращения образования вихрей. Но при отсутствии тяги необходим вход в трубу как можно более широкий, чтоб "заловить" колыхающиеся столбы свободно поднимающегося дыма.

В "идеальном" камине форма хайла-дымосборника должна была бы быть управляемо трансформируемой /как, например, предлагалось в наших ранних сообщениях с вращающимся экраном/. Но в реальных конструкциях классических каменных /кирпичных/ каминов приходится выбирать некий промежуточный компромиссный вариант. Когда есть возможность сделать трубу повыше и прикрыть портал при растопке /или при возможности предварительного прогрева трубы/, делают узкий передний отсос-горловину с минимальным зонтом-дымосборником высотой всего 10-20см /в том числе в виде "фаски" перекрытия портала со стороны топки/ . Когда нет возможности сделать высокую трубу и прикрывать портал при растопке, то делают просторный высокий дымосборник в виде зонта /например, в случае барбекю/, но при этом стараются предотвратить сквозняки и разрежения воздуха в помещении.

О полезной роли высокой скорости воздуха в некой "горловине" /порой расположенной глубоко в дымовой трубе или в глубине дымосборника/ упоминают в той или иной форме все авторы. Чаще всего в литературе отмечают, что заужение в /любой/ "горловине" приводит к увеличению скорости газа в горловине, а значит к разрежению в горловине /согласно Бернулли/, а потому и последующему дополнительному подсосу воздуха в трубу.

В связи с этим напомним, что какое-либо разрежение только в глубине трубы /а не на ее входе/ никак не может повлиять на подсос газа в трубу - нужно разрежение именно на входе, а не где-то в глубине, куда нет доступа из-за герметичности стенок трубы или дымосборника. Во-вторых, уравнение Бернулли описывает движение идеального газа, предоставленного строго самому себе в отсутствии внешних сил, трений и нагревов - где-то газ может ускориться /именно за счет снижения своего давления или снижения высоты так, чтобы сумма кинетической и потенциальной энергий сохранялась неизменной/, а где-то вновь затормозиться до прежних уровней скоростей. При таких ускорениях, расстояния между молекулами газа возрастают /как между автомобилями при увеличении скорости движения/, что и воспринимается как снижение давления /см. верхний рисунок вложения "эжекция"/. Как следствие, молекулы из соседних струек /при наличии возможности, то есть при не герметичности стенок трубки тока/ стремятся заполнить "как-бы образовавшиеся пустоты", повышая поток массы в ускорившейся струйке /эжекция Бернулли/. Это и приводит к неустойчивости течений абстрактного идеального /абсолютно не вязкого/ газа - при малейших возмущениях он взвихривается, и это его нормальное состояние.

В реальных же условиях в уравнение Бернулли необходимо вводить добавочные члены, изменяющие полное давление за счет вязкости /трения/, механических воздействий /вентиляторы/ и нагревов-охлаждений /см. нижний рисунок/. Причем эти члены часто становятся настолько большими, что изменениями собственного статического давления Р и высотного положения "ро-же-аш" можно даже пренебречь - скорости газа начинают определяться фактически только внешними воздействиями. Например, скорость в канале начинает определяться лишь "тягой" вентилятора. Картина течений становится уже совсем не похожей на идеальные течения Бернулли. Так, например, при входе струи /потока/ в полость /в расширение канала/, заполненную таким же газом /так называемая "затопленная струя"/, движущийся газ увлекает в движение за счет вязкости неподвижные газы полости. Образуется сложная картина вязкостной эжекции - сначала масса расширяющейся струи растет, а затем начинает падать, поскольку выйти из полости может только то количество газа, что вошло в полость. При этом вокруг струи возникает встречный пристеночный поток газа /см. средний рисунок/. Фактически, входящая струя играет при этом роль перемешивающего устройства. Такое течение можно создать в дымовой камере между зубом и трубой, но только при наличии тяги /и одновременно для поддержания этой самой тяги за счет смешения горячих и холодных газов/. Ясно, что все эти процессы никак не могут обеспечить дополнительный подсос воздуха в трубу.
Продолжение следует.