Полости в печах. Супергидравлическая модель

Влияние структуры печей на движение газов

Уже при жизни Грум-Гржимайло было установлено, что в большинстве реальных печей не наблюдается «свободного движения газов». Это связано с тем, что к конструкции печей относятся не только полости (колпаки), но также дымовые каналы с ограниченными размерами сечений. Обычно такие каналы «захлёбываются», и движение газов в печах в значительной степени определяется работой дымовой трубы.

Расширенная гидравлическая модель

Чтобы лучше понять происходящие процессы и устранить недостаток информации, «расширим» простую гидравлическую модель печей в некую «супергидравлическую модель». Для удобства будем проводить аналогии между движением воды и газов. В частности, легкий горячий газ восходит в более тяжёлой холодной среде так же, как тяжелая вода опускается в легкий воздух. Однако такая аналогия условна — например, вода стекает, уменьшая диаметр струи, в то время как горячий дым поднимается, увеличивая диаметр. Тем не менее, подобная аналогия позволяет предсказать движения лёгких дымовых газов, перевернув знакомые всем водные течения.

Варианты перемещения жидкостей

Рассмотрим различные способы передвижения (транспортировки) жидкостей: ёмкостный, водоводный и водопроводный с естественным напором, а также с механическим.

Рис. 120. Водотранспортные системы: а — перенос ёмкостями; б — водоводы; в — самотечные водопроводы; г — насосные водопроводы. 1 — сливное отверстие с затычкой, 2 — водовод, 3 — переливные ёмкости, 4 — перелив, 5 — напорный бак, 6 — насос.

Структуры газотранспортных систем

Рис. 121. Газотранспортные системы: а — колпак; б — газоводы; в — герметичные газопроводы; г — газопроводы с принудительной конвекцией. 1 — нагреваемое изделие, 2 — транспортируемый колпак, 3 — проточные колпаки.

Емкостные и водоводные системы

Емкостные системы функционируют без потока, используя ёмкости, как вёдра, бочки и так далее. Их аналог в газах — колпак. Идеальный колпак — закрытая ёмкость с одним отверстием, постоянно открытым в атмосферу, что гарантирует равенство давления газа на этом уровне с атмосферным. Если он заполнен горячими газами, то в системе возникает избыточное давление: при любом освободившемся отверстии газ будет выдавливаться наружу.

Принципы гидравлических систем

Водоводные системы представляют собой элементарные проточные сети, хорошо знакомые в форме рек и водопадов. Они могут быть помещены в трубы, однако важно, чтобы вода могла стекать свободно, не заполняя полное сечение труб. Свободные воды сохраняют своё движение даже при значительных перепадах высоты.

Аналогии с газовыми системами

Когда мы переворачиваем водоводы и заменяем воду горячими газами, мы получаем газоводы, которые подчиняются моделям Грум-Гржимайло. Известны свободноконвективные потоки горячих газов, поднимающиеся над огнём и распространяясь по помещениям.

Рис. 123. Примеры свободно конвективных систем: а — чёрная баня, б — русская печь, в — костёр в чуме.

Динамика горячих газов

Горячие газовые потоки могут быть направлены в «поддоны», где они текут свободно, сообщая свой температуру холодным газам. На практике горячие и холодные газы обладают некоторым взаимодействием: например, они обмениваются массами и энергиями, что ведет к их перемешиванию.

Эффект давления в системах

С увеличением расходов газа элементы газовых систем могут менять режим работы. Например, как в водных системах, там, где трубы переполняются, может возникнуть «захлебывание». В газовых системах аналогичные проблемы возникают, когда дымовые трубки начинают задымляться.

Рис. 124. Схемы водных систем: а — система свободно стекающих вод, б — герметичная система сообщающихся сосудов.

Принудительные системы и их применение

Водопроводные системы с механическим напором используют устройства, такие как насосы и вентиляторы, для создания давления. Аналогично в газопроводах, где механическое действие обеспечивает эффективную подачу.-

Источником большого вдохновения служат пеллетные печи, работающие на древесине, способные длительное время функционировать и поддерживать оптимальную температуру.

Источник: health.totalarch.com. Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008