WarmFires.ru

Как мы уже убедились, аэродинамика топок отличается от аэродинамики дымовых каналов, причём не только из-за того, что в топке «горит огонь», но и из-за того, что топки являются не каналами (трубами), а полостями (сосудами, объёмными элементами печи). В этом разделе мы начнем рассматривать особенности подобных полостей в печах (то есть существенных расширений дымовых каналов), движения газа в которых порой заранее не может предсказать даже опытный печник. Одно дело, когда дым движется единым потоком по трубе постоянного малого сечения, когда картина одномерная и знакомая всем «по водопроводному шлангу». Но стоит только этот шланг бросить концом в заполненную водой бочку, то сразу станет ясным, что картина потоков в бочке может быть намного более сложной, чем в шланге.

Сейчас трудно представить себе, что еще во времена Петра Великого никто в мире не знал, что такое воздух и что такое дым. Только при Екатерине Великой люди «догадались», почему дым поднимается вверх - мол существует некая субстанция «флогистон» (огненная материя с отрицательным! весом), якобы содержащаяся во всех горючих веществах. В 1783 году братья Монгольфье впервые наполнили флогистоном воздушный шар (аэростат), и этот воздушный шар действительно оторвался от земли. И хотя толпы людей видели, как флогистон поднял вверх воздушный шар, тем не менее, впоследствии оказалось, что флогистона в природе не существует вообще.

Рис. 118. Схемы печей: а - колпаковая системы ГрумТржимайло, б - печь Подгородникова «двухярусный колпак» (имеющая один переточный канал 26x13 см), в - схема «б», но «двухсторонняя, имеющая охватывающий кольцевой переточный канал, обеспечивающий «свободный» выход дыма из колпака (мелкими пунктирными стрелками показаны потоки холодного воздуха, тонущие в тепловой труб), г - кухонная плита с духовкой, д - печь Кузнецова «усовершенствованный двухярусный колпак», е - печь с противотоком (contraflow). 1 - рёбра кирпичные для увеличения теплоотдачи, 2 - высота перевала топки и высота подвёртки (перетока) на одном уровне, 3 - духовка, термоизолированная сверху слоем глины (с песком и алебастром), 4 - «катализатор» горения (раскалённая шамотная решётка - рассекатель пламени с подачей вторичного воздуха), 5 - «сухой шов» (вертикальная щель шириной 2-3 см для вывода из топки «холодных балластных газов», показанных пунктирной стрелкой), 6 - жаровая камера (огневой канал) из огнеупорной керамики, формирующая топку внутри печи, свободно расширяющаяся при нагреве (при 1000°С на 1% линейный) и продлевающая срок службы печи. Сплошные стрелки - ход газов.

Как же в этих условиях жили и творили печники? Ведь камины в Средние века делали не хуже, чем сейчас. Оказывается, печники с древнейших времён (а порой и поныне) обходятся лишь двумя догмами: огонь горит «на воле» (то есть на свежем воздухе), и дым поднимается «к небу». Поэтому все древние огневые системы (гипокаусты, чёрные и белые русские печи, камины) направляли дым только вверх, но пытаясь иногда задерживать его в неких колпаках (как в воздушных шарах). Так, в конце XIX века русский инженер В.Е. Грум-Гржимайло, наблюдая, как на металлических заводах Урала рабочие разогревают на улице над костром железную болванку (перед ковкой, прокаткой, закалкой), предположил, что болванку лучше помещать в колпак, чтоб собирать в колпаке тепло от костра и не терять его попусту в виде свободно восходящих дымовых газов. Впоследствии в 1913 году на основе подобных наблюдений была предложена так называемая гидравлическая модель (аналогия) течения газов в печах, причем основанная именно на теории «вольного (свободного) движения газов» (В.Е. Грум-Гржи-майло, Пламенные печи, Л.: УТИ КУБУЧ, 1932 г.). Указанная теория предписывала прокладывать каналы и полости в печах в тех направлениях, куда как бы «свободно» (сами-собой) текут дымовые газы. Причём траектории движения газов не обязательно должны быть направлены только вверх: ведь охладившиеся газы могут идти вниз относительно исходных горячих. Так, в знаменитых колпаковых (струйных, фонтанных) дровяных печах Грум-Гржимайло (круглых в футляре с контрофорсами, патент № 1219 от 14.03.1917 г.) горячие дымовые газы поднимались сначала вверх в высокий колпак (образуя там «мешок» горячих газов), где, постепенно остывая, «стекали» по стенкам колпака вниз (образуя там «мешок» холодных газов), а затем «свободно утекали» в дымовую трубу (рис. 118а). При этом молчаливо (и безосновательно) подразумевалось, что дымовая труба, мол, в аэродинамике колпака не участвует, а только «отсасывает» холодные газы из колпака - ведь дымовые газы поднимаются вверх по системе колпаков как бы строго сами по себе («вольно»), без участия дымовой трубы. Поэтому любой элемент печи в форме колпака якобы не имеет газодинамического сопротивления, что обеспечивает сильную тягу в печной системе. Кроме того, предполагалось, что колпак (а не его свод) якобы по своей природе обладает выдающимися теплообменными свойствами. Ведь горячие газы, мол, не охладившись, не спустятся «сами по себе» вниз, а чтобы они ещё лучше отдавали тепло, то потолок и стены колпака предлагалось делать оребрёнными.