27.04.2013

Автор: Ю. М. Хошев

X

Хошев Юрий Михайлович

Родился в 1945 г., окончил МИФИ. Доктор физико-математических наук, специалист в области высокотемпературных процессов и технологий. Выйдя на пенсию, в порядке хобби занялся изучением физических процессов в русских паровых банях и газодинамики бытовых печей. Опубликовал ряд книг и более двух десятков статей в специализированных периодических изданиях по этим темам. Является почетным членом Московской Гильдии Печников.

e-mail: kho45 (а) mail.ru

Газодинамика классического камина

Статья подготовлена по материалам форума http://www.forumhouse.ru/

 

Оглавление:

• Часть 1. Введение.
• Часть 2. Особенности щелевой горловины.
• Часть 3. Появление тяги при растопке камина.
• Часть 4. Течение в дымосборнике камина, экспериментальные данные.
• Часть 5. Расчет дымовой трубы.
• Часть 6. Течение без тяги применительно к дымоходам.
• Часть 7. "Занавеска" холодного воздуха в портале камина.
• Часть 8. Вопросы экологии.
• Часть 9. Камин как местный отсос системы вентиляции здания.
• Часть 10. Экспериментальные данные из частного литературного источника.
• Часть 11. Форма местного отсоса камина, работающего без дымления при разрежении в комнате.
• Часть 12. Тяга дымовой трубы.

 

Часть 1. Введение.

До сих пор в теории каминов нет четких объяснений, нужны ли дымовой зуб /уступ/, заужение /горловина/, дымовая камера. По-существу, дачник не способен осуществить осознанный выбор проекта камина из множества предложений. Ясно только одно - нужен дымосборник /колпак, купол, навес, вытяжной зонт/ и нужна некая "достаточная" производительность дымовой трубы. Дымосборник печник выбирает с учетом пожеланий заказчика интуитивно исходя из конфигурации и размеров костра, а высоту и проходное сечение дымовой трубы выбирает по неким графикам, номограммам, таблицам, предлагаемым /но не разъясняемым/ в литературе.

Классическая работа Росина "Аэродинамика домашних отрытых очагов", Лондон, 1937 год, надолго задавшая стиль мышления печников всего мира, описала весь процесс как засасывание воздуха /через окно-проем портала/ и дымовых газов /дыма/ дымовой трубой "как пылесосом". Процесс был смоделирован Росиным экспериментально и исследован количественно на гидравлической модели течений воды и солевых /тяжелых/ растворов /проливом неких каналов, имитирующих камин/. По сути это была модель принудительного камина с дымососом.

Так или иначе, сейчас различают три режима камина - с недостаточной тягой /с дымлением-переливом через портал/, с нормальной тягой и с избыточной тягой, /когда труба заполняется холодными дымовыми газами, но, тем не менее, обеспечивает тягу!/ - см. вложение "В.Н.Глухих" – рис.1.

В открываемой теме предлагается для обсуждения иная модель каминного процесса, позволяющая понять, когда и зачем нужны заужения, уступы и дымовые камеры. Модель учитывает, что тяга в трубе создается не дымососом, а самими дымовыми газами. Газовые течения без механических воздействий /только за счет нагрева газа/ называются гравитационными /свободными, вольными, естественными/. Отметим для ясности, что так называемые "свободные движения газов" по И.В.Кузнецову имеют совсем иной смысл.

Гравитационное движение газа - это всплывание объема горячего газа в среде более холодного газа /за счет Архимедовых сил/. Гравитационные течения могут быть двух типов - без тяги /только за счет подъемной силы/ и с тягой /за счет разрежения в трубе/.

Например, дым от костра движется без тяги как воздушный шар - если "выдернуть" из дымового столба "кусок" дыма или перегородить дыму путь пластиной 7 /см. вложение "режим с тягой" рис.2/, то костер этого совсем не почувствует. Течение без тяги /ТБТ/ отвечает так называемой внешней задаче газодинамики - всплыванию у горячей стены печи. Такие течения реализуются в русских печах и курных банях, являются аналогами безнапорных водоводных систем - рек, водопадов и прудов.

Если же горячий газ заполняет все сечение трубы, то возникает тяга - каждый объем всплывающих в трубе газов ускоряется не только за счет своей собственной подъемной силы, но и за счет вытягивания более ускоренными вышележащими объемами газа. Если закрыть задвижку 6, то это тотчас почувствуют все газы по всей трубе - остановятся. Течение с тягой /ТСТ/ отвечают так называемой внутренней задаче газодинамики - засасыванию в дымовую трубу. Такие течения реализуются в канальных и канально-полостных печах /голландках, шведках, колпаковых, прямоточных и т.п./, являются аналогами самонапорных водопроводных систем. Без четкого уяснения различий ТБТ и ТСТ понять работу камина невозможно. Дело в том, что течения с тягой по производительности /по расходу газа/ во много раз превышают течения без тяги.

Теперь рассмотрим "нормальный" режим работы камина /вложение "с тягой", рис.2/. Считается, что в вытяжном зонте формируется некий уровень 5 дымовых газов. К этому уровню снизу поступают без тяги дымовые газы 4 / растекаясь по поверхности/. От этого уровня вверх газы удаляются течением с тягой. Если тягу прервать задвижкой 6, то дым тотчас перельется через края зонта /портала/.

Но что характерно - горячие газы Г образуются из холодного воздуха Х1. А холодный поток Х2, выполняющий роль воздушной занавески и отгоняющий задымливающие потоки 9, в этой схеме образоваться принципиально не может, поскольку слой 5 неподвижен и не может засасывать тяжелый холодный воздух. По-существу, в этой схеме через трубу удаляются лишь всплывающие горячие газы. Наличие зубов и камер в этой схеме картину не изменяет. При этом температура трубы должна быть очень высокой, а это как раз и не наблюдается на практике. То есть, можно, конечно, сделать камин с горячей трубой, но такой камин при этом будет неминуемо дымить.

Значит, в реальном недымящем камине /открытом очаге/ создается совсем другая схема! Дымовая труба как пылесос засасывает и холодные Х2, и горячие Г газы /как в принудительном камине!/ - см. вложение "без тяги" рис.3.

А раз в трубе одновременно находится и столб холодного, и столб горячего газа, то тяги в трубе нет. В такой трубе горячий газ просто всплывает в холодном воздухе под действием архимедовой силы - иными словами, очаг горит как обычный костер, и надо делать трубу широкой, чтобы в ней уместились все восходящие дымовые газы.

Чтобы возникла тяга, надо горячие и холодные газы перемешать, и образованным теплым воздухом заполнить все сечение трубы. Только тогда возникнет естественная гравитационная тяга, тотчас рывком повышающая расход газа через трубу /как при прогреве воздуха в холодной трубе горящей газетной бумагой/.

Во вложении "принцип" (см.рис.4) пояснена схема дальнейших рассуждений. Газы Г и Х2 должны быть сближены в горловине, причем всплывающий горячий газ должен пересечь холодный поток, зуб дает завихрение, в дымовой камере все смешивается и в трубу на высоте Н поступает однородно теплый газ. Схемы входного узла могут быть разными, лишь бы смешение произошло как можно быстрее. Например, если нет дымовой камеры над зубом, то и газ будет долго смешиваться по тракту, а значит и действующая высота трубы Н будет меньше. Горловина может быть и больше по площади, чем труба, а может быть и меньше - чем меньше горловина, тем меньше подсос холодного воздуха Х2 и тем более вероятно дымление / на этапе развитого горения!/. Никакие расхожие соображения об ускорениях Бернулли в горловине не существенны, такие ускорения ведь находятся внутри за стенкой и никак не могут ускорять движения газов в портале.

Распределения избыточных давлений в камине приведены справа. Пунктиром показано, как повысится засасывающее разрежение в портале при сокращении длины участка смешения.

Часть 2. В этой части речь пойдет об особенностях щелевой горловины.

В части 1 установлено наличие в камине зон с разным характером гравитационных течений /см. вложение "зонирование" рис.5/ . - при этом возникает вопрос о высоте тягового участка 3 /то есть об эффективной высоте трубы камина/. Переходный участок 2 /а также оголовочный участок 4/ не дает вклада в тягу /вопреки Соснину-Глухих-Афанасьеву/ именно в режиме развитого горения камина, и при прорывах холодного газа тяга может срываться с резким сокращением расхода и выбросом дыма из портала. Участок 2 - это поток засасываемого холодного газа, в котором всплывают /как воздушные шары за счет подъемной силы/ горячие газы. Этот поток можно было бы рассматривать как некий внешне-принудительный /по Росину/, если бы не факт того, что тяга /как поршень/ является не внешней механической /в виде дымососа/, а возникает "сама собой" естественно и только при смешении холодного и горячего газов. Так что принудительная модель "пылесоса" является слишком упрощенной для камина и не может объяснить многие явления.

Так или иначе, засасываемая струя холодного газа 2Х обеспечивает "воздушную занавеску портала", и эта занавеска должна располагаться у верха окна портала /см., например, вложение "В.Н.Глухих-зонт" рис.8/.

Особенно трудно создать такую занавеску в длинном /шириной камина 1 метр и более/ прямоугольном окне портала. Дело в том, что центрально расположенная труба лучше засасывает по оси камина /в середине верха окна камина/, а на правом и левом боках камина скорость засасывания обычно недостаточна для предотвращения выхода дыма в помещение /поэтому зачастую предпочитают арочные окна портала/. Равномерное всасывание в длинную щель горловины можно получить только при равных перепадах давления газа во всех точках щели. Поясним это на примере всем известного душевого рассекателя /см. вложение "душ", рис. 6/.

Из всех дырочек струйки воды вытекают равномерно лишь при большом гидравлическом сопротивлении дырочек и при достаточно большом объеме водной полости, выравнивающей давления на всех дырочках. Так и в камине - длинная щель горловины должна располагаться между двумя большими объемами газа так, чтобы сопротивления путей подвода и отвода газа от щели были много меньшими, чем сопротивления в самой щели. В технике это называется "выравниванием давления" на щели. Поэтому, выбирая проект широкого камина, дачник должен убедиться в том, что щель горловины располагается под достаточно просторной дымовой камерой так, что полки 5 /дно дымовой камеры в виде одного или двух зубов/ обеспечивали бы одинаковый отвод газов от всех точек щели /см. вложение "щель", рис.7/

И снизу щель должна просторно выходить в объем дымосборника. Сама щель должна иметь большое гидравлическое сопротивление /может быть за счет поворотной заслонки/ по сравнению с сопротивлением дымосборника и дымовой камеры. Фактически, длинная щель горловины не может работать без зуба и дымовой камеры, поскольку в кирпичных каминах иные решения, /например, плавно расширяющиеся раструбы/ практически невозможны.

В части 3 будет показано, что при растопке, горении и при догорании камина реализуются совсем разные режимы течений.

Часть 3. В этой части речь пойдет о появлении тяги при растопке камина.

Цикл протопки камина разбивается на три этапа. На первом этапе /на стадии растопки/ отсутствует тяга дымовой трубы, и горячие газы отводятся за счет собственной подъемной силы без тяги. На втором этапе /на стадии активного горения/ все определяется тягой дымовой трубы, причем тягой, возникающей в основном из-за большого количества теплых дымовых газов в относительно холодной дымовой трубе. На третьем этапе /на стадии догорания углей/ все определяется тягой дымовой трубы, причем тягой, возникающей в основном из-за наличия горячих стенок дымовой трубы. Если четко описать явления на каждом этапе, то можно будет численно моделировать режимы математическими методами, а также упорядоченно /осознанно/ исследовать процесс экспериментально.

Наиболее сложны явления на первом этапе, когда еще нет тяги дымовой трубы. На практике этот этап сейчас стараются устранить либо специальным прогревом трубы /например, газетной бумагой или тепловентилятором/, либо сохранением трубы теплой с предыдущей протопки, либо принудительным /механическим/ вентилированием трубы. Но ведь в средние века ни вентиляторов, ни газет для растопки не было. Тем не менее, проблемы решались.

Если объем горячего газа, /например, в виде "воздушного шарика"/ НЕ перекрывает все сечение дымовой трубы /см. вложение "подъемная сила и тяга", левый рисунок 9а/, .то при подъеме горячего газа холодный воздух попросту перемещается в объеме трубы из верхней части над шариком в нижнюю /реализуется, по-существу, явление обтекания/. Подъемная сила есть, но тяги нет. Если же объем горячего газа перекрывает все сечение трубы /средний рисунок 9б/, то при подъеме горячего газа холодный воздух из верхней части над шариком выталкивается "как поршнем" вверх из дымовой трубы, а снизу появляется приток холодного воздуха. То есть появляется тяга. На практике поток горячего газа постепенно расширяется при движении вверх, так что тяга появляется в верхней части трубы / правый рисунок 9в/.

Течение без тяги реализуется в костре / см. вложение "костер" рис.10/. Горячие продукты сгорания ускоряются вверх в виде сужающейся струи /ядра/. Холодный воздух вне струи перемещается совершенно произвольно, даже вниз /и, конечно же, может даже сдувать струю дыма/. Но с увеличением скорости, дым начинает увлекать за собой окружающий холодный воздух /из-за трения и взвихриваний/ в виде расширяющегося турбулентного столба. Из-за такого увлечения-подсасывания /"эжекции"/ холодного воздуха ХЭ, температура струи быстро снижается. На практике струя охлаждается еще быстрее, чем это представлено на теоретической кривой справа, поскольку малейшие дуновения ветра сдувают струю и дополнительно охлаждают. Поэтому в каминах стараются ограничить подсасывания /эжекцию/ окружением костра стенками камина. Обратим внимание, что горячие газы внутри открытого костра поднимаются также без тяги /если пренебречь некими "трубами", образующимися между поленьями в плотном костре/. А это значит, что в костре поступление свежего воздуха ХГ определяется скоростью горения /чем больше дымового газа поднимается вверх, тем больше свежего воздуха ХГ подсасывается/. А в печах /в отличие от открытого костра/ поступление свежего воздуха определяется исключительно производительностью дымовой трубы и не зависит от скорости горения /что вызывает, в частности, появление черного дымления в печах/. В свободной дымовой струе практически нет перепадов давления /то есть нет тяги/, за исключением небольших подъемов давления на оси из-за торможения струи трением о холодный воздух /см. вложение "подъем газа без тяги", сечение А рис.11/.

Дело в том, что подъемная сила тратится целиком на ускорение газа. Если горячий поднимающийся газ остановить, то давление тут же появится в виде "давления торможения". Так, при набегании струи на пластину В, под пластиной появляется избыточное давление Ри, которое вызывает радиальное растекание струи. Если в пластине сделать отверстие, то газ будет проходить через него под напором. Напомним, что скорость в отверстии /"форточке"/ не может превышать скорость набегающего потока /ветра/. Такое же явление наблюдается при набегании струи на зонт /колпак/. Давление в зонте складывается из давления торможения и тяги в зонте. В случае широкой горловины дым поднимается без тяги в трубу, где может перекрыть все сечение трубы и возбудить тягу Н /см. вложение "широкая горловина" рис.12/

Может быть, тяга вообще не возникнет, и производительность трубы останется крайне низкой. Но с увеличением расхода дыма вся дымовая система неминуемо где-то захлебнется, и возникнет тяга. Так, в случае узкой горловины, от дыма захлебнется дымосборник и создаст тягу h /см. вложение "узкая горловина" рисм.13/. . Эта тяга h может быть и достаточной, и не достаточной. Производительность дымосборника пропорциональна произведению сечения горловины на корень квадратный из произведения высоты дымосборника и избытка /перепада вне и внутри/ температуры. При недостаточной тяге камин начнет дымить через портал, то есть при растопке при узкой горловине, при низкой температуре и при малой высоте конуса дымосборника /а также при высоком расположении дымосборника/ разжигать огонь необходимо медленно. Но что характерно, режим переполнения дымосборника с дымлением через портал является устойчивым во времени.

Если дымосборник высокий, то тяга дымосборника будет способна отвести все дымовые газы. Дымление через портал будет невозможным. Казалось бы, что это хорошо. Но посмотрим, что при этом произойдет.

Пусть из заполненного горячим газом дымосборника выйдет некий объем горячего воздуха /см. вложение "исчезновение тяги", рис.14а/, а вместо него войдет и холодный Х, и горячий Г газ /рис.14б /. В ходе естественного перетекания газов образуется некоторое распределение газов /рис.14в/. Повторное проведение этой процедуры приведет к исчезновению тяги в дымосборнике. Если труба короткая, то тяга в системе исчезнет вообще. Дымосборник начнет заполняться только горячим всплывающим газом, а холодный воздух в это время проникать в дымосборник не сможет, так как тяга в дымосборнике /подсос/ отсутствует. Затем заполнившийся дымосборник вновь опустошится из-за возникшей тяги по вышеприведенной схеме. То есть без смесительного узла, тотчас перемешивающего в дымосборнике горячие и холодные газы, или без теплообменного узла, выравнивающего в дымосборнике температуры горячего и холодного газов, устойчивая работа дымосборника /как движущей силы камина/ невозможна.

Но если мы и смешаем как-то в дымосборнике холодные ХТ /"занавесочные" засасываемые тягой трубы /и горячие Г/из пламени/ газы с получением однородных теплых газов, то это не будет означать, что далее всюду по трубе будет реализована тяга, поскольку в случае расширений трубы, полученные теплые газы придется вновь смешивать с некими падающими в трубе холодными газами ХП /см. вложение "дымкамера без тяги" рис.15/. Так что в трубе могут существовать отдельные участки без тяги.

Но может быть в деле смешения газов способен помочь колпак над пламенем? Ведь колпак некоторое время удерживает (аккумулирует) в себе горячие газы. Действительно, при растопке горячие газы Г поднимаются к потолку колпака и выталкивают из колпака холодные /может быть и задымленные/ газы за счет своей подъемной силы /см. вложение "колпак без тяги" рис.16/. Накопившись в колпаке, горячие газы начинают переливаться в трубу тоже за счет своей подъемной силы. При этом горячий воздух начинает течь "по потолку из горячего воздуха в колпаке" в трубу по "каналу", ограниченному пунктирными кривыми. Здесь возникает водоводная модель плотины с переливом, характерная для русских /духовых/ печей /см. вложение "течение Грум-Гржимайло-Есьмана" рис.19/.

Занавесочный поток холодного воздуха ХТ при этом возникнуть сможет лишь при появлении тяги в трубе, то есть при перекрытии горячим воздухом всего сечения трубы. Возникшая "пробка" горячего ускоряющегося газа начинает засасывать в трубу "все что попало", в том числе и холодный воздух ХТ /в случае производительности трубы, превышающей расход горячих газов от пламени/. Тогда в трубе возникнет некий участок смешения /выравнивания температур/, после которого /вверх/ образуется устойчивый сформировавшийся участок трубы с тягой / см. вложение "колпак с тягой", рис.17/.

Колпак можно перегородить некой стенкой с перевалом 6 /см. вложение "очаг с проточным колпаком", рис.18/. Такая конструкция не дает погаснуть /с появлением черного дыма/ верхушке пламени из-за недостатка кислорода, поскольку в опускном канале появляется "тяга вниз", засасывающая холодный воздух ХТ для сопровождения пламени. Однако и в этом случае возникает та же необходимость отвода дымовых газов в трубу и та же дилемма возможностей течения без тяги /в широком дымоходе/ и течения с тягой /в узком дымоходе/.

Часть 4. В этой части речь пойдет об экспериментальных данных по характеру течения в дымосборнике камина.

Английский камин григорианского периода имел дымовую трубу большого поперечного сечения, достаточного для проникновения в него трубочиста /см. левый рисунок во вложении "рамфорд", рис.20/. . На этапе растопки и при порывах ветра такие камины дымили, поскольку дым поднимался в них без тяги и никак не мешал "падающим в трубу" /и задымляющимся в трубе/ потокам холодного воздуха ХП проникать в помещение. В 1796 году граф Рамфорд предложил способ улучшения таких каминов путем заужения входа в трубу /для предотвращения дымления/ и за счет углового расположения боковых стенок-"крыльев" топки /для увеличения лучистого потока/. Техническая суть решения заключалась в том, что, не переделывая трубу камина, на задней стенке топки камина выкладывалась дополнительная стенка из кирпича 2 /см. правый рисунок вложения "рамфорд" рис.20/, а "грудь" камина аэродинамически закруглялась штукатурным способом 3 так, чтобы образовывалась заужение в виде горловины. Тотчас же Томас Данфорт "полностью объяснил" достигнутый положительный эффект тем, что образовавшийся уступ /шельф, порог, зуб/ заворачивает вверх нисходящие потоки холодного воздуха ХП. Такое объяснение многократно "опровергалось", но до сих пор так и не "опровергнуто" и широко используется в литературе. Сам Рамфорд обещал опубликовать свои экспериментальные исследования, но так и не опубликовал /см.www.rumford.com .

Такая конструкция камина в последующие 50 лет оставалась основной в Англии, и слова "рамфорд" и "камин" были по-существу синонимами. В викторианский период с 1850-х годов трубы стали делать значительно более узкими, но на заужение /горловину/ и на зуб никто не смел покушаться, считая, что это неотъемлемая черта настоящего /классического/ английского камина /хотя напомним, что с нашей точки зрения, зуб необходим лишь в широких порталах, а в венецианских "зонтичных" каминах с 1500-х годов зуб совсем не применялся/.

В 1937 году Росин провел гидравлические испытания моделей каминов с зубом и без зуба /см. вложение "Rosin, 1937 "рис.21/. . Было показано, что зуб /уступ, заужение/ делает течение на входе в камин ламинарным, то есть гасит вихри за "грудью" портала /якобы за счет увеличения скорости потока/. По мнению Росина, любые вихри в потоке вредят камину, поскольку "съедают" тягу и могут, к тому же, "вылезать" в помещение. Тем не менее, Росин обнаружил и описал два типа вихрей в камине - взвихривание дымовых газов над зубом /уступом/ и взвихривание "занавесочного" потока холодного воздуха за "грудью". "Беда" этих исследований Росина была в том, что поток воды в модели создавался принудительно, в то время как в каминах тяга создавалась сама-собой самими "взвихривающимися" горячими газами. Ламинарный характер течения газов в дымосборнике впоследствии подтвердился многими исследователями.

Так, Джим Бакли в США на известных полуфабрикатных каминах фирмы "МакНие Брик" установил, что в горловине камина текут ламинарно /не взаимодействуя турбулентно и не перемешиваясь/ поток горячих дымовых газов с температурой 350 град. Цельсия и поток холодного воздуха с температурой 22 град. Цельсия /см. вложение www.rumford.com/, рис.22. Именно этим фактом Бакли объяснил отсутствие дымления мелких каминов фирмы и полное сгорание летучих в контакте с ламинарным вторичным воздухом. Тут же возникает тот же вопрос - где же и как возникает в трубе тяга? И чем определяется температура в трубе?

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.

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 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.

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/?/.

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.

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! - 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.

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.

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.

Сообщение от Андрей Сушков: 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.

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", рис.34/. 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", рис.35/.

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", рис.36/. 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?

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

Во вложении "типы каминов" (см.рис.37) 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", рис.38/. 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", рис.39/.

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 (см. рис. 37). 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", рис.40/. 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.

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", рис.41/. 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", рис.42а/.

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.42а во вложении "обтекание пламени"/, для венецианского камина... А вот для камина с задним отсосом /например, Бакли/ картина несколько меняется. Во-первых, 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. 42б во вложении "обтекание пламени"/.

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 Норберта 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", рис.43/. 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, 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 (рис. 43), 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, Алексей Чернов (www.stovemaster.com) предлагает подачу вторичного воздуха через многочисленные отверстия в стенках кирпичного топливника на разных уровнях /см. рис. 44а 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 некоторые другие 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.

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", рис 45/. 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 6-7 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 30-40 Па при температуре в десятиметровой трубе 80 град Ц /норма Шиделя/, что соответствует ветровому напору "умеренного" /качаются ветки/ и "свежего" /качаются стволы небольших деревьев/. Такая величина тяги тоже очень небольшая, и 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", рис 46/. 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" рис 47/. 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.

Анализ течения газа в местном отсосе производится на основе понятия точечного стока /см. уже рассматривавшийся рис. 48 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 рис. 49. Как мы 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", рис 50 и "сток в конусе", рис 51 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", рис 52/. 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/.

Отметим, что камины порой имеют дымосборники "плавных форм", что способствует ламинарному характеру течений /рис 53, 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. рис 54, 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 55 "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.

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 рис. 56 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 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. рис. 57 "горене в русской печи"/. 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
http://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. рис 58, 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.

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.

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.

На рис. 59 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.

Эти графики построенны мной /со статистическим усреднением/ по единственной экспериментальной таблице, приведенной в канадском отчете. 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/.

Как видно из рис. 59 "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.

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, на рис. 59 "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.

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" effect/. 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. На рис. 60 "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.

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 http://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.

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 - http://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 Effetcs 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".

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.

На рис. 61 "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.

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. рис. 62 "параметры трубы"/. Казалось бы, никаких проблем с обеспечением необходимого уровня разрежения нет.

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

На рис. 63 "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 "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.

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. рис. 64 «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. рис. 65 "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. рис. 66 "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 это же 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 на рис. 63 "объяснение" на практике сглаживаются вдоль траектории, поскольку газ не способен мгновенно ускориться или затормозиться. В камине с зубом область разрежений далеко «выпирает» из портала, рис. 67 «ускорение в горловине», а в камине без зуба область разрежений «упрятана» вглубь камина, см. 68 «ускорение в зонте».

Вследствие наличия трения, направленные потоки воздуха у стенок дымосборника притормаживаются /см. рис. 69 "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/ - на рисунках 68 и 67 "ускорение в зонте" и "ускорение в горловине" 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. рис 70 "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. рис. 71 вверху "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 и вошло в полость. При этом вокруг струи возникает встречный пристеночный поток газа /см. рис. 71 "б"/. 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.

Одним из основных вопросов проектирования каминов с зубом является выбор размера проходного сечения выхода дыма из топки /хайла-отсоса-горловины-сужения/. Ясно, что дымосборник без зуба имеет хайло более широкое, чем дымовая труба. Но для предотвращения дымления при распахивании комнатных дверей /при образовании разрежения воздуха в комнате/ желательно хайло по размеру меньше, чем труба, чтобы на входе в трубу возникло как можно более высокое разрежение. А для воздушной занавески необходим максимальный расход газов через трубу, то есть желательно иметь хайло, не снижающее производительность трубы /то есть размеры трубы и хайло должны быть соизмеримы/.

Посмотрим, что говорят по этому поводу специалисты по каминам.

Ю.П.Соснин, Е.Н.Бухаркин, Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, М.: Стройиздат, 1991г.
"Выдвинутая вперед задняя стенка в верхней части образует сужение в газоходе, глубина которого в узком месте составляет 10 - 20 см. Благодаря такому сужению тяга по ширине топочного отверстия усиливается, что улучшает равномерность распределения газов по периметру топки. Образующийся в узком сечении дымохода карниз /так называемый дымовой зуб/ имеет двойное назначение. В процессе топки он задерживает опускающиеся по задней /более холодной/ стенке охлажденные газы, не пропуская их в топочное пространство, так как это может привести к опрокидыванию тяги. Холодные газы, задержанные карнизом, подхватываются потоком более горячего газа, вытекающего из узкого сечения, образованного передней стенкой камина и кромкой "зуба", и выносятся в вышележащий дымоход. Второе назначение карниза заключается в сборе выпавших сажевых отложений. Заслонка в дымоходе располагается примерно на 20 см выше верхнего края топочного отверстия для того, чтобы оставался достаточно высокий дымовой фартук, препятствующий попаданию дыма в помещение. Заслонки бывают вдвижные и поворотные."
Комментарий. Признано, что зуб непреднамеренно "сам собой" образуется при создании сужения, необходимого для усиления и выравнивания газового потока по ширине портала. Кроме того зуб задерживает нисходящие холодные потоки /см.,например, раннее вложение "дымкамера без тяги" с "падающими" потоками холодного воздуха ХП/, существование которых опротестовывается многими авторами, поскольку при этом должна изчезать тяга. К тому же зуб собирает падающую сажу /зачем?/. Размер сужения-хайла 10 - 20 см может регулироваться задвижкой. Об оптимальном соотношении площадей сечений трубы и сужения ничего не говорится. Отметим полное отсутствие единообразия терминов /конструктивных и технологических/ у разных авторов, что затрудняет восприятие материала.

Ш.К.Афанасьев, Камины. Современный взгляд, М.: Аделант, 2007г.
"Зауженная площадка /между перекрытием и зубом/ вынуждена пропускать смесь нагретых газов и холодного воздуха с повышенной на этом коротком участке скоростью. Выше в дымосборнике, в связи с расширением его объема, скорость потока резко падает, затем уже в трубе вновь увеличивается, где обретает постоянную величину. Кратное увеличение скорости воздуха и резкое ее падение над площадкой создает разрежение /эффект инжекции/, благодаря которому и происходит дополнительный подсос воздуха в портал камина. Оно /разрежение/ увлекает и дым из топливника, что способствует лучшей, устойчивой без дымления работе камина. Речь идет не о повышении тяги в трубе /тяга способствует инжекции/, а об улучшении работы камина на самом важном его участке."
Комментарий. О соотношении площадей сечений трубы и сужения /площадки?/ ничего не говорится.

В.Н.Глухих, Камины, СПб.: Профикс, 2003г.
Соприкасаясь со стенками дымосборника, газ охлаждается и начинает опускаться по стенкам вниз, создавая турбулизацию газового потока. При неинтенсивном горении топлива возможно "зависание" дыма и даже опрокидывание тяги с выбрасыванием дыма в помещение. Исключить это явление можно увеличением скорости движения газов в верхней части топливника, что вызовет подсос воздуха из помещения в верхнюю часть портала. Конструктивно это решается устройством в форме уступа, пережимающего поток газов в верхней части топливника. Наличие уступа обеспечивает некоторое увеличение скорости движения газов и разрежение в верхней части портала и, этим самым, исключает выбрасывание дыма в помещение. В этом - главное назначение уступа. В верхней части портала самая высокая скорость движения воздуха. Поэтому наличие уступа в камине весьма желательно, независимо от его типа и конструкции. В принципе, можно добиться нормальной работы камина и при отсутствии уступа, уменьшая высоту портала до необходимой величины. Это приведет к возрастанию скорости входящего в камин воздуха и предотвращению выбрасывания дыма. Однако при этом уменьшится отдача тепла излучением и снизится КПД камина. В практике строительства каминов часто уступ либо не делают, либо не соблюдают размеры /какие?/, что приводит к нарушению работы камина. Отчасти это происходит потому, что в имеющейся отечественной литературе не делается акцента на его важность в обеспечении нормального функционирования камина. Даже опытные печники не всегда понимают его назначение. Встречающееся в отечественной литературе и бытующее среди отдельных практиков мнение. что уступ служит для задерживания опускающихся по задней стенке дымосборника газов, не пропуская их в топочное пространство, не совсем убедительно. Холодные газы опускаются не только по задней, но и по передней, и по боковым стенкам, где уступов вовсе нет, причем площадь боковых и передних стенок больше, чем задней. Другое утверждение, что назначение уступа заключается в сборе выпавших сажевых отложений, по-видимому, окончательно убеждает начинающего печника в ненужности такого уступа. Единственное назначение уступа - вызвать разрежение в верхней части топливника и обеспечить этим самым подсос воздуха в верхнюю часть портала из помещения, что позволит предотвратить выброс дыма из камина. При проектировании любого камина нужно обязательно предусмотреть сужение топливника в верхней части, после которого должно следовать резкое расширение с переходом в дымовую трубу."
Комментарий. Это наиболее развернутое суждение о зубе и о сужении. Вопросы о разрежении в основании трубы и о "воздушной занавеске" в портале объединены и не детализируются. Соотношение площадей сечений трубы и сужения не обсуждается. В приведенных авторских проектах каминов горловина, как правило, имеет глубину в полкирпича и ширину в полный портал - получающаяся при этом площадь сечения горловины до полутора раз превышает площадь сечения трубы.

И.В.Кузнецов, Камины, печи, печи с каминами, www.stove.ru.
"Сечение горловины с задвижкой должно быть достаточным (?), чтобы обеспечивать прохождение потока горячих газов с допустимой (?) скоростью, или больше. Обычно сечение горловины с задвижкой делается равновеликой с сечением трубы, или больше."

Таким образом, перечисленные авторы удивительно мало внимания уделили зубу и образующемуся при этом сужению /горловине/. Ведь мы процитировали фактически все дословно, что есть по этому поводу в указанных публикациях. Это, видимо, обусловлено сложностью вопроса.

Тем не менее, конкретная рекомендация все же есть и она решает вопрос /но только сугубо практически/ - вставить в горловину регулируемую задвижку и с ее помощью добиваться бездымной работы камина. Речь идет о том, чтобы задвижку в трубе перенести сверху вниз на уровень ступеньки зуба /см. рис. 72 "задвижки"/. Конечно же задвижка в щелевой горловине более сложна конструктивно, чем задвижка в трубе, но зато появляются новые возможности по контролю режима камина. Дело в том, что при малой тяге /что характерно для этапа догорания камина/ вся дымовая камера /да и весь топливник при наличии прикрытых стеклянных дверок портала/ заполнен задымленным газом, который легко "выплескивается" наружу в помещение при возникновениях разрежений в комнате /например, при распахиваниях дверей/. При этом призакрытая нижняя задвижка /на уровне зуба/ позволяет ограничить выход дыма из дымовой камеры наружу значительно более эффективно, чем призакрытая верхняя задвижка на трубе /которая фактически в этом случае бесполезна/. То есть на этапе догорания можно просто несколько прикрыть нижнюю задвижку и временно прикрыть портал экраном - это обеспечит требуемую безопасность при возникновении разрежений воздуха в помещении при включении вытяжек или распахиваниях дверей.

Кроме того, нижняя задвижка может выполняться не только выдвижной, но и вращающейся /на центральной оси или на боковых петлях/, и приподнимающейся. Для этапа догорания форма задвижки не столь уж существенна, поскольку потоки газов в этом случае малы и не испытывают больших газодинамических сопротивлений из-за плохой обтекаемости задвижки. Но для этапа активного горения форма задвижки важна и может оказаться полезной для взвихривания и перемешивания горячего и холодного потоков.

В этом разделе речь идет о дымлении за счет разрежений воздуха в комнате. Этот вид дымления не столь уж актуален для дачных условий /в том числе для каминов в банных комнатах отдыха/, где герметичные окна и двери пока редкость. Не столь уж актуален для этого вида дымления и выбор местоположения хайла спереди или в глубине топки. Поэтому в дачных условиях часто встречаются и самые простые камины с конусным дымосборником без зуба /см. рис. 73 "а", разделение дымосборника/. В таком дымосборнике разрежение мало, а в портале "занавеска воздуха" более-менее равномерна по всему отверстию /окну, проему/. Такой камин может хорошо работать /даже при порывах ветра на улице в трубу при высокой трубе и хорошей тяге/, но в отсутствии дуновений воздуха из комнаты в портал и в отсутствии разрежений воздуха в комнате. Для снижения дымления при указанных дуновениях и разрежениях в комнате такой камин конструктивно "дорабатывают" - дымосборник 1 делят горизонтальной рассечкой 5 на две части /см. рис."б"/ - на верхнюю часть 2 /дымовую камеру/ и на нижнюю часть 3 /обычно ее называют также дымосборником, но маленьким, со стенкой -"фартуком" 4/. При этом от комнаты как-бы отделяют большой объем задымленного газа в образованной дымовой камере. Для регулирования степени гидравлической связи между дымовой камерой и малым дымосборником, в проем у рассечки /в горловине/ устанавливают задвижку 9.

Вот эту рассечку 5 /уступ/ и называют зубом. Он может выполняться обтекаемым с наклоном в сторону горловины так, чтобы горячий газ тек "сам собой" в горловину /см. пунктирный наклонный экран на рис."б"/. Зуб-рассечка может быть задним 5 /"прямым"/, а может быть и передним 6 /"обратным"/. Для предотвращения дымления из-за разрежений в комнате безразлично, какой зуб применить - передний или задний. Но для предотвращения дымления из-за дуновений воздуха в портал желателен задний 5 /"прямой"/ зуб с передним отсосом, поскольку он увеличивает скорость воздушной занавески именно в верхней части окна портала. Кстати, такой зуб /поз. 2,3,4/ применяют и в некоторых печах, связанных с использованием больших, широко распахивающихся дверок топки 1 /например, стеклянных в каминопечах, см. рис. 74 "переднее хайло в печах"/. Все видели клубы дыма, вьющиеся у открытой дверцы дровяной печки - вот эти клубы дыма и отдуваются "воздушной занавеской ХТ", которая образуется при отсосе дыма вверх в трубу "как пылесосом". В случае же высоких каминов более предпочтительна схема с передним 6 /"обратным"/ зубом с задним отсосом. Во всех этих случаях возникает вопрос - нужны ли образованные таким образом дымовые камеры - не лучше ли их вообще удалить, заменив трубами 7? Именно об этом пойдет речь в следующем разделе. Конечно, также как и сейчас будут повторы, но уже на ином уровне понимания.

В заключение упомянем теоретическую модель, предложенную И.В.Кузнецовым для предотвращения дымления из-за разрежении воздуха в комнате www.stove.ru. Рассматривается камин с активным режимом горения, который отсасывает воздух из герметичного помещения и создает тем самым разрежение воздуха в помещении. Рано или поздно, разрежение в комнате становится равным тяге трубы, камин теряет возможность удалять дым через трубу и начинает дымить в комнату /фактически начинает гореть как костер в комнате /. При возникновении такой ситуации необходимо ввести воздух извне в комнату, чтобы устранить возникшее чрезмерное разрежение воздуха в комнате. При закрытых герметично окнах и дверях это можно обеспечить только притоком холодного свежего воздуха с улицы через трубу. То есть свежий воздух должен "пробулькивать" через трубу в комнату точно так же, как вода пробулькивает через горлышко перевернутой бутылки, устраняя разрежение в бутылке. Ясно, что свежий воздух, проходя через задымленную трубу, дойдет до комнаты неминуемо задымленным. Поэтому предлагается устранять разрежение не в комнате, а в дымовой камере, отделенной от комнаты перепадом давления в горловине. В таком случае нисходящий задымленный воздух добирается только до дымовой камеры и не входит в комнату. До этого момента все ясно. Но ведь при этом сохраняется прежнее разрежение воздуха в комнате /и не только относительно улицы, но теперь и относительно дымовой камеры/. Как же при этом устраняется разрежение в комнате? Воздух ведь на горение дров засасывается в камин все же из комнаты, а не из дымовой камеры? Ответ на этот вопрос автор не дает. Ну и самое главное - автор специально подчеркивает, что "процесс выравнивания давления протекает постоянно". Это означает, что в дымовой трубе постоянно и одновременно существует столб горячего и столб холодного газа. В этих условиях тяги принципиально нет! Это значит, что дым в такой трубе поднимается вверх "совершенно свободно" /свободными горячими клубами, независимыми от других клубов дыма/ только за счет своей собственной подъемной силы /как дым от костра в атмосфере/. При этом разрежение в комнате не может возникнуть принципиально, поскольку /даже при полной герметичности помещения/ в трубе действительно одновременно текут дымовые газы вверх и свежий холодный воздух вниз /именно в комнату! или по крайней мере в топку/. Но как избежать при этом задымления свежего воздуха? Кстати, точно такая картина наблюдалась в английских каминах с широкой трубой до Рамфорда, и именно поэтому они дымили при любом порыве ветра в трубу.

Часть 12. В этой части речь пойдет о тяге дымовой трубы.

1. 

   Рис. 75. Печной и каминный тип.

   Дымовые трубы можно условно подразделить на трубы печного типа /когда нижнее отверстие много меньше верхнего/ и на трубы каминного типа /когда нижнее отверстие много больше верхнего/.

   Характерной особенностью труб печного типа является наличие сильного разрежение в основании трубы, то есть в топке /см. эпюру давления "а" на рис. 75 "печной и каминный тип"/. Это разрежение засасывает воздух через решетку поддувала или воздухозаборные отверстия печной дверцы.

   Характерной особенностью труб каминного /очагового/ типа является наличие большого избыточного давления вверху трубы /см. эпюру давления "б"/, поскольку труба, призакрытая сверху, представляет собой как бы слегка проточный вверх колпак.

   В реальных трубах, одновременно открытых и сверху, и снизу, одновременно наблюдается разрежение снизу и избыток сверху. Тип трубы в этом случае определяется преимущественным отличительным признаком /эпюра "в"/. При этом происходит конкуренция положительных и отрицательных факторов.

2. Дымовые трубы печного типа устойчивы к резким изменениям давления в помещении. Действительно, при перепадах давления на колосниковой решетке 10-20 Па изменения давления воздуха 3-5 Па в комнате из-за распахивания дверей не являются сколько-нибудь опасными. В то же время малейшие напоры ветра легко проникают в трубу сверху из атмосферы, что и предотвращается известными специальными требованиями СНиП в части "ветровой тени" на крыше.

3. Дымовые трубы каминного типа устойчивы к резким изменениям давления в атмосфере, но чувствительны к изменениям давления в помещении. К сожалению, в реальных конструкциях такое утверждение является "несколько натянутым", поскольку в стремлении повысить расход воздуха в портале для создания "эффекта шторки" верхний срез трубы чаще не заужают, а даже расширяют. В герметичных помещениях дымовой зуб играет роль заужения /типа воздухозаборного отверстия в дверке печи/, переводящего трубу в печной тип, устойчивый к разрежениям в помещении.

4. В реальных дымовых трубах /особенно периодического прогрева/ температура по тракту быстро снижается /экспоненциально/ из-за охлаждения дымовых газов на холодных стенках. Поэтому основной вклад в тягу и в печах, и в каминах вносит самый горячий нижний участок. В каминах это обстоятельство особо критично, поскольку участок смешения горячих и холодных газов может быть пространственно растянут. Малотеплоемкие трубы в этом плане имеют преимущества /но к сожалению и остывают быстро/. Эпюра давления "г" свидетельствует о крайне легкой задуваемости ветра в холодный верх трубы печного типа. Труба каминного типа /"колпаковая" с заужением наверху/ в этом плане более благоприятна /эпюра "д"/, быстрее прогревается, может иметь нейтральный уровень в самой нижней части непосредственно над камином /как в АОГВ/, но без возникновения "эффекта воздушной шторки".

5. 

   Рис. 76. Колпак проточный
   трубный и беструбный.

   Вообще говоря, для работы печей и каминов могут быть достаточными очень небольшие уровни тяги.Так, в печах Грум-Гржимайло с избыточным давлением для без выхолаживающего открытия загрузочных дверок 2 /рис. 76 "а" "колпак проточный трубный и беструбный"/ тяга создается совсем низеньким высокотемпературным участком "h", а труба 5 подсоединяется "с разрывом струи" / с отверстием-неплотностью на нейтральном уровне с нулевым избыточным давлением/ и служит лишь для отвода отработанных газов /для вентиляции/.

6. Начальный горячий участок дымовой трубы является наиболее ценным. Во многих аппаратах предписывается делать первый метр трубы строго вертикальным, а уж потом хоть горизонтально, ведь образовавшаяся тяга не только засасывает, но и проталкивает газы перед собой вперед. Вместо дымовой трубы для создания тяги можно использовать и саму камеру сгорания, имеющую наивысшую температуру газов. Поэтому противоточные печи типа "биофайер" с высоким до 1,5-2 метров первым "прямоточным" вертикальным трактом "топливник-хлебная камера" могут работать и без тяговых усилий дымовой трубы даже при горизонтальных боровах длиной более двух метров. В этом заключается косвенное преимущество высоких печей противотока перед "двухколпаковыми" печами с низкими противотоками. Тяга при этом возникает за счет горячего участка "h" во вложении "безтрубная тяга". Все эти соображения с известными ограничениями могут быть применимы и для каминов со стеклянными дверками.

7. 

   Рис. 77. Полость вверху и
   внизу.

   Часто печники говорят, что "тяга трубы должна превысить сумму сопротивлений течению газов по тракту печи" - только тогда, мол, возможно возникновение потока газов в печи. На самом же деле сумма сопротивлений всегда строго равна тяге /"по определению"/. Увеличение /возникновение/ тяги автоматически приводит к увеличению /возникновению/ скорости потока. Величина же сопротивления пропорциональна квадрату величины скорости.

Это означает, что если возникло дымление печи /или камина/, то в первую очередь надо проверять, есть ли тяга, а не "считать дымообороты" и выяснять, велико ли сопротивление печи. Многооборотная печь начинает дымить не из-за большого сопротивления каналов, а из-за того, что в длинных и узких многочисленных дымооборотах слишком сильно охлаждаются газы и труба "остается без температуры". То есть излишне высокий КПД может приводить к дымлению. Но это не относится к случаю, когда тяга создается самим топливником.

8. Распределение давлений в реальной трубе влияет на работу коробов /полостей/ в трубе. Если короб расположен низко, то соединение с зоной разрежения печи безболезненно и может активизировать тягу камина за счет прогрева полости и вышележащей трубы горячими газами печи /см. правый нижний рис. 77 "полость вверху и внизу"/. Если же короб расположен высоко, то он может оказаться в зоне избыточных давлений.

Помещаю выборку из серии только что полученных фото (рис. 78-85, нажмите для увеличения) по каминным трубам обычных жилых домов Венеции сегодняшнего дня. То есть, для общего сведения тех, кого это может заинтересовать - так выглядят ВСЕ самые обычные венецианские дымоходы.

Такие выступающие из стен дымоходы можно видеть и на многих старых картинах венецианских живописцев 15-16 веков. И такие камины были "во времена Буратино".

Продолжение следует...

---

Навигация

• Главная
• Кладка печей
• Контакты
• Почитать
  • Статьи
  • Переводы
• Посмотреть
  • Русские
  • Хлебопекарные
  • Отопительные
  • Банные
  • С каминами
  • Трубы
  • Мангалы
  • С плитами
  • Камины
• Библиотека

Поиск по сайту

Читайте также

• Подгородников И. С. - изобретатель и конструктор печей

• Дровяная плита - последовательность кладки

• Русская печь в картинках

• Ремонт кирпичных печей в примерах

• Теплушка Подгородникова в Медвежьих Озерах

• Один день ремесленной мини-пекарни. Выпечка хлеба в хлебопекарной печи

• Русская печь с лежанкой и плитой Теплушка: Россия - Канада

• Теплушка третьего поколения

• Печь для хлеба на дровах

• Кладка и облицовка печи или
  По дороге на Компостеллу

• Хлеб в русской печи

• Испытания отопительного котла КИК-18

© Печное отопление
2011-2024