Порожнини в печах
Порожнина в печах. Гідравлічна модель
Як ми вже переконалися, аеродинаміка топок відрізняється від аеродинаміки димових каналів, причому не тільки через те, що в топці «горить вогонь», а й через те, що топки є не каналами (трубами), а порожнинами (судинами, об'ємними елементами печі). У цьому розділі ми почнемо розглядати особливості подібних порожнин у печах (тобто суттєвих розширень димових каналів), рух газу в яких часом заздалегідь не може передбачити навіть досвідчений пічник. Одна річ, коли дим рухається єдиним потоком по трубі постійного малого перерізу, коли картина одномірна і знайома всім «водопровідним шлангом». Але варто тільки цей шланг кинути кінцем у заповнену водою бочку, то відразу стане зрозумілим, що картина потоків у бочці може бути набагато складнішою, ніж у шлангу.
Зараз важко уявити собі, що ще за часів Петра Великого ніхто на світі не знав, що таке повітря і що таке дим. Тільки за Катерини Великої люди «здогадалися», чому дим піднімається вгору — мовляв, існує якась субстанція «флогістон» (вогненна матерія з негативною! вагою), яка нібито міститься у всіх горючих речовинах. У 1783 році брати Монгольф'є вперше наповнили флогістоном повітряну кулю (аеростат), і ця повітряна куля справді відірвалася від землі. І хоча натовпи людей бачили, як флогістон підняв вгору повітряну кулю, проте згодом виявилося, що флогістону в природі не існує взагалі.
Найбільш привабливим фактом для пічників ставало те, що геометрична форма ковпака нібито ніяк не впливає на його принципові властивості вловлювати тепло. Адже гарячим газам все одно, в яку форму ковпака вони входять. При цьому чим більше ковпак, тим довше там знаходяться гарячі.гази і краще вони там охолоджуються. Так що при кладці печей, мовляв, можна «за місцем» влаштовувати будь-які за формою закутки вгору, і ці закутки ефективно відбиратимуть тепло з газу.
Такі ж помилкові висновки робляться і щодо топкових процесів. Так, різний характер руху гарячих і холодних газів нібито підказує, що паливник у формі ковпака неминуче відіграє роль сепаратора, що виділяє найбільш гарячу частину димових газів: адже язики полум'я відразу спрямовуються вгору всередину ковпака і не дають підніматися туди холоднішим газам. Це зумовлює підвищену температуру стелі ковпакового паливника і дає, здавалося б, підставу вважати, що ковпак є ефективним спалюванням летючих. (Насправді ж ясно, якщо на полум'я багаття опускати перевернуте відро, то багаття аж ніяк не розгоряється, а тухне, причому з появою великої кількості диму). Ще більш несподіваним для пічників є твердження гідравлічної моделі про те, що в каналах будь-яких печей одночасно течуть і холодні, і гарячі потоки газів, причому не взаємодіючи між собою (рис. 119а,б).
При реальному проектуванні печей гідравлічна модель ніколи не використовувалася ні якісно, ні кількісно (і ніколи не могла використовуватися, в тому числі через повну відсутність будь-яких розрахункових методик і чисельних критеріїв). Справді, прогрес ковпакових (а точніше порожнинних) печей не був пов'язаний з нестримним збільшенням розмірів ковпаків. Навпаки, розміри ковпаків дедалі більше скорочувалися — зараз у печах часом важко відрізнити так званий ковпак від каналу (І.С. Підгородніков, Конструкції опалювальних печей та пов'язаний з ними тепловий режим приміщення, дисертація канд. техн. наук, 1950 р.). Так, з метоюзниження перегріву високого ковпакового верху печі (не настільки вже корисного споживачеві) та зменшення виділень сажі в ковпаку були запропоновані двоковпакові (або багатоковпакові) печі на двох (або декількох) ярусах (рис. 118,б). Фактично перекриття топки стало нижнім «ковпаком», перегрів склепіння якого корисний для обігріву приміщення через його невелику висоту над рівнем підлоги приміщення (І.С. Підгородник, Печі домашнього побуту, М.: ВРНГ, 1929). В цілому, схема нижнього ярусу стала близька до конструкцій звичайних кухонних плит з духовкою (П.І.Воропай, Довідник пічника, М.: Стройиздат, 1985), хіба що рівень перевалу топки часом опускається до рівня (але не нижче) підгортки ковпака 2. З 1990-х років І.В.Кузнєцов видозмінює печі типу «двоярусний ковпак Підгородникова» в частині введення «сухого шва» (вертикального щілинного розрізу жарової камери паливника), «каталізатора горіння» (шамотної розсікаючої решітки) повітря) тощо. (рис. 118, д), спираючись виключно на умоглядні уявлення (www. stove.ru).
Усі схеми печей малюнку 118 досить складні для аналізу (у плані оцінки ефективності) і є предметом професійних обговорень. Усі печі конструктивно швидше відрізняються один від одного, ніж схожі, але знайти характерні відмінності та подібності важко. Більше того, всі схеми на малюнку 118 можна трактувати формально як завгодно – і як ковпакові, і як протиточні, і як канальні – хто як з якого боку погляне. Гідравлічна теорія не дає жодних розрахунково-конструкторських критеріїв «ковпаковості».
Зазначимо, однак, одна вкрай не суттєва, з першого погляду, відмітна ознака, на якій ми, проте, змушені зупинитися. Печі Підгороднікова і Кузнєцова (і тільки вони) маютьвластивістю «вільного пропуску холодних газів» через усю піч в обох напрямках (але лише за умови досить великих прохідних перерізів переточних каналів!). Дійсно, якщо при охолодженні печі (в умовах незначності швидкостей підйому теплих газів) важке атмосферне повітря почне «провалюватися» в легке тепле повітря труби, що остигає (як у витяжних парасольках і в трубах камінів), то він, пройшовши по поду (дну) потім «провалиться» в нижній ковпак (рис. 118, в). Він може навіть проникнути в топку печі і далі в приміщення (при відкритих дверцятах топки) або, нагрівшись, піти знову в трубу, зациклившись, як у системі вентиляції льохів.
Як ми побачимо нижче, подібне явище є характерним саме для випадку «вільного руху газів». Наслідком «вільного пропуску холодних газів» є ефект «автоматичної газової хрустки»: холодне повітря, випадково проникаючи через нещільність дверцят у топку, піднімається вгору, не «залазячи» в гарячі ковпаки навіть при відкритій трубній заслінці (яка й називається юшкою). Тому вважають, що печі, що володіють властивістю «хурделя», погано вихолоджуються навіть в умовах відкритої хмури і довго обігрівають приміщення (І.С. Підгородніков, Як скласти піч, М.: Нова хвиля, 1998). Всі інші пічні системи на Мал. 118 зазначеними властивостями не мають. Повітря, що проникає зверху через трубу, не може проникнути до топки через «гідрозатвор» (перевалу), а повітря, що проникає знизу через топку, може піднятися всередину гарячих ковпаків.
Джерело:Данні лазні та печі. Принципи конструювання. Хошев Ю.М. 2008