Проточные полости

К сожалению, серьёзных экспериментальных исследований газодинамики печных колпаков до сих пор нет. Отчасти это объясняется отсутствием практического интереса к «свободным» беспроточным колпакам: ведь даже самые рьяные поклонники систем «свободного движения газов» почему-то стараются (порой неосознанно, интуитивно) «загнать» дым в колпак (верхний) отнюдь не «свободно» («самотёком»под действием сил гравитационного всплывания), а именно за счёт высокой скорости дымовых газов — в фонтане за заужением (рис.118,а). То есть, во-первых, принудительно за счёт напора в печной системе (за счёт разряжения в печной трубе), а во-вторых, именно вертикально снизу вверх (по ходу дыма в вертикальном переточном дымоходе), а не горизонтально (когда «вольные» движения всплытия проявились бы на фоне «принудительных» движений вдоль тракта печи). Принудительный ввод горячего газа в колпак (тем более секционированный) полностью перечёркивает при этом заявляемую возможность сепарации в колпаке горячих и холодных струй. При этом сами «колпаковые» системы теряют образ истинных колпаков (перевёрнутых стаканов с одним отверстием) и приобретают вид замкнутых сосудов с двумя (в том числе несимметричными) отверстиями: входным и выходным (рис. 126 г, д, е).

Как мы уже отмечали, любая трубная печная система (даже «бесканальная» колпаковая по ГОСТ 2127-47) представляет собой последовательность каналов и расширений каналов (полостей). Через эту последовательность каналов и полостей течёт сквозной (транзитный) поток газов под действием тяги (разряжения) дымовой трубы. Как и любой газовый поток, сквозной поток является замкнутым (циркуляционным), но замыкается он вне печи в объёме атмосферы: он входит в поддувало, проходит каким-то образом через печь, выходит из дымовой трубы в атмосферу, там перемешивается с воздухом атмосферы (как в очень большой полости) и затем вновь входит в поддувало. Анализ этой замкнутой траектории бывает очень полезным при выявлении особенностей тяги дымовых труб, дымлений печи, опрокидывания тяги в сырую или жаркую погоду и т. д.

Каналы печей представляют собой наиболее узкие коммуникации печей. Поток в них считается однонаправленным и по существу совпадающим по смыслу с понятием сквозного потока. Каналы могут разветвляться на некие параллельные каналы (или комбинации параллельно-последовательных каналов), в которых течения считаются также однонаправленными. Каналы могут и расширяться, образуя проточные полости. Если в проточной полости нарушается однонаправленность потока (например, за счёт циркуляции), то такие расширения будем считать полостями с застойными зонами (в том числе, вихревыми).

Нарушение однонаправленности означает появление взаимно контактирующих встречных течений. Поэтому чем горячей газы, тем выше их вязкость, и тем сложнее возникают встречные течения. Аналогично, чем более энергичны течения в объёме, тем более вероятны встречные течения, поскольку кинетические энергии (скорости) встречных газовых потоков могут преодолевать «слипающие» воздействия вязкости. Поэтому появление встречных течений следует в первую очередь ожидать в крупных полостях при значительных скоростях вдува (или при наличии высоких скоростей свободноконвективных потоков из-за больших перепадов температур).

Сквозные потоки выступают как принудительные по отношению к самой проточной полости, поскольку обусловлены внешним воздействием тяги дымовой трубы. Внутренние же встречные (циркуляционные) потоки, замыкающиеся в круговое движение в пределах самой полости, являются как бы «свободными» в том смысле, что они существуют независимо от сквозного (принудительного) потока. Эти «свободные» движения газов обычно отождествляют в печах со свободноконвективными потоками, возникающими от нагрева газов горячими поверхностями (стенками топливника, углями), пламенами, тепловыми излучениями, но они могут возникать и по иным причинам (например, из-за наличия в полостях механических вентиляторов). Естественно, сквозные («принудительные») и внутренние циркуляционные («свободные») потоки могут механически взаимодействовать, формируя некоторое добавочное газодинамическое сопротивление сквозному потоку. Ясно, например, что если сквозной поток, входя в колпак, взвихривается (переводя свою кинетическую энергию поступательного движения в кинетическую энергию вихрей), то это воспринимается как торможение потока, как некое местное газодинамическое сопротивление.

Проточные полости печей газопроводного типа являются замкнутыми (находящимися под давлением или под разрежением) ёмкостями (сосудами) с двумя (или несколькими) отверстиями. В отличие от беспроточных полостей проточные полости не могут иметь только одно отверстие (как идеальный колпак — перевёрнутый стакан).

Рис. 128. Перечень схем напорных полостей — замкнутых проточных сосудов с двумя отверстиями (входным и выходным).
Рис. 128. Перечень схем напорных полостей — замкнутых проточных сосудов с двумя отверстиями (входным и выходным).

Анализируя аэродинамическую обстановку в полостях, печники в первом приближении «рисуют» (скорее интуитивно) некие траектории транзитного (сквозного) протока газов через полость (на основе личного опыта наблюдений за водными потоками), руководствуясь тем, что газ стремится идти по кратчайшему пути (рис. 128). Затем «нарисованные» тем или иным образом простейшие «стрелочные» траектории уточняются печником с учетом инерции газовых потоков (струй), мысленно дополняются завихрениями, в том числе и при эжекции (подсосе) газов в затопленную струю (см. ниже) и при взаимодействии встречных течений, а также всплытиями в случае высокой температуры входящего газа и погружениями газов, охлаждающихся на холодных стенках. Большую методическую помощь при анализе схем могут оказать изыскания С.М. Миркиса «Указатель проектов печей и каминов, опубликованных в России за последние 100 лет», СПб., 2006г.

Часто при интуитивном конструировании проточных полостей печники стремятся в первую очередь мысленно заполнить всю полость горячими газами или увеличить длину траектории горячих газов. В действительности же, более целесообразно попытаться направлять сквозной поток горячего газа через полость так, чтобы он омывал все необходимые поверхности (даже в закоулках), набегал на все целевые теплосъёмные элементы (варочные плиты, духовки, каменки, баки с водой и т. д.). Так, даже в каминах необходимо омывать горячими газами именно заднюю стенку, чтоб она максимально разогревалась и максимально затем излучала (а не «отражала лучи огня», как часто утверждают в литературе, поскольку кирпич в ИК-спектре теплового излучения не обладает отражательными свойствами). Поэтому в каминах заднюю стенку делают нависающей, причем хорошо обтекаемой (гладкой без каких-либо углублений, способных стать плохонагревающимися застойными зонами) и ничем не загораживаемой.

В отопительных печах наиболее важен равномерный нагрев всех стенок печи. Этого добиваются, в частности, с помощью различного рода рассечек (рассекателей, столбиков, стенок), по существу превращая полости в многооборотные дымоходы (см. правый столбец рис. 128), в которых скорости всплытия горячих газов уже пренебрежимо малы по сравнению со скоростями транзитного потока и не играют никакой роли. Отметим, что транзитные горячие газы, стремясь идти по кратчайшему пути, наиболее сильно нагревают края преград (огибаемые перевалы и подвертки), в том числе и входы в каналы. Действительно, если подвесить в порядке эксперимента кирпич плашмя над газовой горелкой кухонной плиты, то легко убедиться, что края (ребра) кирпича, обтекаемые с большой скоростью горячим газом, нагреваются сильней (докрасна), чем центр низа кирпича, расположенный непосредственно над пламенем, но в зоне низких скоростей обдува. Поэтому зоны перевалов, подверток и заужений во избежание локальных перегревов и термических растрескиваний следует футеровать с термокомпенсационными разрезами и повышенным теплоотводом в массив печи и, кроме того, при необходимости скруглять ребра для повышения теплоотвода с одновременным снижением газодинамического сопротивления.

Равномерность нагрева может достигаться и интенсивным перемешиванием газов в полости за счет большой величины линейной скорости входа газа в полость. Часто отмечают, что колпаковые полости (но не топливники) с энергичным вводом горячего газа разогреваются (вопреки гидравлической модели) на удивление однородно даже тогда, когда в отсутствии рассечек входное и выходное отверстия (патрубки) находятся вблизи друг от друга на одной стороне полости. При этом необходимо учитывать, что при температурах стенок свыше 200-300°С теплообмен внутри полости является преимущественно радиационным. Поэтому, если одна из стенок полости загорожена каким-либо экраном, например, стенкой газоотводящего (переливного) канала, то она может быть холоднее других, хотя может и находиться в потоке горячего газа. Вследствие этого каналы (ввода и вывода газов) желательно не монтировать на тепловоспринимающих стенках полостей, а располагать в глубине в осевых зонах печи.

Особой разновидностью проточных полостей с хорошо обдуваемыми стенками является цилиндрические полости с центробежной (тангенциальной) круткой газа вокруг оси полости. При этом горячий лёгкий газ «всплывает» (центруется) на ось полости в виде шнура, отделённого от стенок. Это ухудшает теплообмен, но бывает полезным для устранения перегревов наиболее энергонапряжённых узлов (топок). Широко известны центробежные топки для сжигания мусора, веток, опилок, щепы, соломы. Из таких топок не вылетает «ни одной искры», поэтому подобные изделия могут использоваться даже для подогрева палаток (печь «Циклон») и для искроулавливающих экономайзеров (дополнительных теплообменников) на дымовых трубах (Л.А. Семёнов, Печное отопление, М.: Стройиздат, 1968 г.).

Наиболее распространённой в России печной теплосъёмной полостью остаётся «колпак Подгородникова» (второй ярус), который выполняется печниками в громадном разнообразии вариантов (рис. 118,б). Обязательным условием успешной работоспособности такого «колпака» (а фактически замкнутого проточного объёма с двумя отверстиями) считается подача горячих дымовых газов в колпак строго снизу вверх дальнобойной струей (за счет разгона сквозного потока естественной тягой дымовой трубы). Ясно, что печник при этом должен решить, что он хочет в колпаке нагревать — то ли преимущественно некий локальный целевой элемент, размещенный в колпаке (например, духовку), то ли равномерно все стенки колпака. От этого и будет зависеть конструкция колпака.

Рис. 129. Возможные особенности газовых течений в полости типа «колпак Подгородникова»
Рис. 129. Возможные особенности газовых течений в полости типа «колпак Подгородникова» (рис. 118,б): 1 — медленный ввод горячего газа, 2 — быстрый ввод горячего газа, 3 — пространственное распределение (эпюра) скоростей дымовых газов, 4 — траектории (направления) дымовых потоков, 5 — горизонтальные рассечки, 6 — вертикальная рассечка, переводящая колпак в «режим противотока», 7 — вертикальные рассечки, 8 — дымовая труба, 9 — нисходящий канал.

При большом отверстии, малой тяге и соответственно малом расходе дыма (например, при растопке печи или догорании углей) дым 1 лениво поднимается вверх 3, заполняя верх колпака, затем где-то там охлаждается (с нагревом преимущественно потолка) и уходит в дымовую трубу 8 (рис. 129,а). Это соответствует представлениям Подгородникова и отвечает, как мы установили, скоростям газов в колпаке менее 0,1 м/сек.

С разгоранием печи скорость поступления и температура дыма возрастают 2 (рис. 129,б). Здесь уже можно выделить две взаимодополняющих тенденции: ведущая роль температурного фактора и ведущая роль скоростного (расходного) фактора. Поясним это на простом житейском примере. Представьте себе, что вы приехали зимой на дачу и включили в комнате масляный обогреватель. Горячий воздух поднимается вверх и, не охладившись там, не спустится вниз. При массивности потолка и/или при его плохом утеплении вам, может быть, так и не удастся нагреть комнату, во всяком случае внизу в зоне обитания (пребывания). Попробуем изменить характеристики обогревателя, но с сохранением мощности нагрева. Это можно сделать двумя путями: увеличив температуру нагреваемого воздуха при одновременном снижении расхода (скорости подачи) воздуха, или уменьшив температуру нагрева воздуха при одновременном повышении расхода воздуха. Так, заменяя масляный обогреватель на электроплитку той же мощности (с открытой электрической спиралью или с ТЭНом), мы получим повышение температуры воздуха, поднимающегося над плиткой с одновременным сниженим массового расхода воздуха ввиду малости размера плитки. При этом мы получаем ещё более мощный нагрев потолка как по причине большей удельной теплоотдачи (ввиду более высокой температуры поднимающегося воздуха), так и по причине малой скорости циркуляции газов в помещении. Такой режим характерен для саун и соответствует перегреву потолка, в том числе перегреву перекрытия (перекрыши, свода) колпака. С другой стороны, масляный обогреватель можно дополнить электровентилятором с тем, чтобы температура струи горячего воздуха понизилась, а расход воздуха в струе повысился, но чтобы тепловая мощность струи нагретого воздуха вверх осталась бы на прежнем уровне. В этом режиме весь воздух в помещении перемешается, и температура во всём помещении станет практически одинаковой (но пониженной по сравнению с температурой потолка в других рассмотенных режимах), а это значит, что и в колпаке при больших расходах газа температура стенок будет одинаковой (перегрев свода отсутствует). Это реализуется, в частности, при использовании тепловых завес и тепловых пушек.

Таким образом, малая линейная скорость ввода горячего газа в колпак приводит к преимущественному нагреву перекрытия. С увеличением линейной скорости ввода, а также с увеличением объемного расхода газа равномерность нагрева стенок полости повышается. Но в случае большой дальнобойности горячей струи 6d, где d — диаметр (калибр) отверстия, возможен преимущественный нагрев пятна контакта горячей струи с преградой (например, противоположной стенкой). Поэтому газ в полость предпочтительней вводить через несколько мелких «душирующих» отверстий (при возможности), что уже соответствует приближению к вытеснительной схеме «вентиляции» полости.

Для ориентировки сопоставим время пребывания дыма в колпаке с временем остывания дыма в колпаке. За основу возьмём проектные данные Подгородникова: размер колпака 0,75x0,75x0,70 м (итого объём 400 литров) при паспортной теплоотдаче печи 4000 ккал/час (4,5 кВт) при двух топках в сутки. Это соответствует средней мощности пламени в топке порядка 30-40 кВт при среднем расходе воздуха порядка 100 м³/час (в расчёте на нормальные условия воздуха 20°С и 1 атм). В реальности это значит, что расход воздуха в ходе топки (и растопки) может «плавать» в пределах условно от нуля до 200 м³/час, что соответствует временам пребывания дыма в колпаке при 400°С порядка 6 сек.

Если переточный канал 1 выполнить сечением 0, 25 м² (то есть в половину поперечного сечения колпака, что было бы вполне разумно в рамках гидравлической модели), то средняя линейная скорость (сквозная) газов в колпаке составляла бы 0,1-0,2 м/сек и обеспечила бы (в среднем) удовлетворительную теплоотдачу в холодные стенки колпака. Однако в самих же колпаках на этапе растопки (при холодном ещё колпаке) скорости свободного всплывания горячих газов (дыма) могут достигать 0,5 м/сек, что вызывает неоднородность поля скоростей во входящей струе 1. Кроме того, на этапе интенсивного горения линейные сквозные скорости газов могут достигнуть тех же 0,5 м/сек, что сделает теплосъём колпака малоэффективным.

Если же переточный канал 1 выполнить с зауженным поперечным сечением 0,03 м² (0,12x0,25 м), то это увеличит сопротивление печного газового тракта, но зато увеличит линейную скорость ввода газов в колпак до 2-4 м/сек. А каковы линейные скорости ввода газа, таковы и скорости циркуляции газа (крутки) в аппаратах (хотя времена пребывания газа в колпаке не изменяются, поскольку определяются не линейными скоростями ввода газа, а объёмным расходом газа). Столь значительные скорости газа заметно изменяют значение коэффициента теплопередачи α=(10+6V). Необходимые для эффективного теплосъёма времена пребывания снижаются с 10 сек до 3 сек (примерно), и колпак уже становится работоспособным на этапе интенсивного горения. Для типичных дачных печей с теплоотдачей порядка 2 кВт оптимальный размер колпаков составляет 0,25x0,50x0,75 м с вводом газов вдоль длинной оси через отверстие 0,25x0,13 м.

Рассечки в полостях могут играть роль газонаправляющих (распределяющих) элементов, в том числе и рассекающих направленные газовые потоки, а также выполнять теплосъёмные функции (если способны аккумулировать тепло или передавать тепло, в том числе в лучистом виде, в целевые зоны энергопотребления). Все разработчики колпаковых печей охотно заполняют верхние колпаки столбиками, углублениями-закутками, превращая их по сути в проточные секционированные теплообменники, видимо, сомневаясь (интуитивно) в выдающихся теплосъёмных свойствах самого «колпака Подгородникова». Реже всего используются горизонтальные рассечки, хотя именно они обеспечивают наибольшую «колпаковость» колпака (за счёт подавления крутки) и обладают наилучшими теплосъёмными свойствами (рис. 129 в, г). Во многом это обусловлено и чисто конструктивными причинами, поскольку только вертикальные столбики способны держать перекрытие колпака.

Вообще говоря, применяя колпак, печники чаще всего в глубине души признают его достоинства прежде всего в его перекрытии (своде). Именно к перекрытиям (сводам) всегда прижимаются горячие газы и в колпаках (рис. 129,в), и в горизонтальных каналах. Именно перекрытия нагреваются зачастую лучше и быстрее всего, но нагреваются подчас неоднородно и местами чрезмерно, что приводит порой к опасному растрескиванию печей. Горизонтальные же рассечки можно делать «плавающими», скользящими по кронштейнам в стенах (в том числе и на металлических уголках-«полозьях»), не воздействующими при тепловом расширении механически на несущие стены печи. Другой недостаток горизонтальных каналов состоит в быстром засорении их дна сажей и пеплом (в том числе и через скапливание конденсата). Особенно плохую репутацию приобрели горизонтальные каналы в металлических дымоходах, эксплуатируемых зимой вне отапливаемого здания. Вместе с тем, с точки зрения экологии любой фильтр-улавливатель печного аэрозоля (сажи, пепла) является полезным.

Так или иначе, горизонтальные рассечки являются защитой свода колпака от горячих восходящих струй дыма (рис. 129,г). Как при малых (рис. 129,в), так и при больших (129,г) расходах горячих газов, поведение колпака является неоднозначным, как в зависимости от режимных параметров, так и от особенностей конструкции. Если колпак является холодным (на этапе растопки печи), то газы идут в колпаке верхом (рис. 129,в). Но если колпак уже горячий (на этапе догорания углей), то газы идут в колпаке преимущественно низом (прямотоком). На этапе интенсивного горения дров при максимальном расходе дымовых газов, газы в колпаке с горизонтальными рассечками идут значительно ниже, чем в отсутствие рассечек: во-первых, потому, что направленные потоки при этом отражаются вниз, а во-вторых, горячим вязким газам идти с большой скоростью по более длинному верхнему пути в «узилище» между горизонтальными рассечками просто газодинамически не выгодно.

Полное заполнение колпака горячими газами при любом расходе может быть обеспечено за счёт нижней вертикальной рассечки 6 с перевалом (рис. 129 д-з). Такая рассечка характерна тем, что устраняет эжекцию газа со дна колпака во входящую струю (см. ниже). Иногда такую схему называют противоточной, но чаще всего вертикальной многооборотной. Колпак как полость превращается в систему вертикальных каналов (во всяком случае приближается к ней). Дополнительные вертикальные рассечки 7, не касающиеся ни дна, ни перекрытия колпака, ещё в большей степени рассеивают потоки и фактически воссоздают многооборотную схему с параллельными нисходящими дымоходами (рис. 129 ж, з).

Таким образом, известные многоканальные схемы рождаются путём введения в колпаки (и в любые полости) газонаправляющих элементов (стенок, рассечек) для обеспечения более равномерного («размазанного») распределения газовых потоков.

Нисходящие (опускные) каналы 9 (и одинарные на рис. 129,д и параллельные на рис. 129,ж) издавна считались (наряду со сводами) наиболее ценными теплосъёмными элементами печей. Считалось, что именно нисходящие каналы (даже большого поперечного сечения, то есть фактически полости) обеспечивают равномерный нагрев стенок и строгую однородность движения горячих газов (отсутствие «проскока» горячего газа через один из каналов). Предполагалось, что если в какой-нибудь точке нисходящего канала (или в одном из параллельных нисходящих каналов) скорость движения горячего газа вниз вдруг случайно возрастала, то это приводило к уменьшению (?) скорости охлаждения газа, газ сохранялся бы более горячим и начинал как бы всплывать, восстанавливая (снижая) поступательную скорость своего движения вниз и обеспечивая саморегулирование скоростей (И.И. Свиязов, Теоретические основания печного дела, 1867 г.). Видимо абстрактно считалось, что чем дольше газ находится в нисходящем канале, тем лучше он остывает.

К сожалению, это распространенное и крайне упрощённое объяснение не является сколько-нибудь корректным. Оно отражает лишь простейшую мысль о том, что «горячий газ всегда стремится вверх» (даже навстречу потоку), и описывает свободную конвекцию. В действительности же, горячий газ в каналах движется за счёт тяги дымовой трубы со значительной скоростью 2-4 м/сек и на него не могут существенно повлиять слабые свободноконвективные потоки со скоростями 0,1-0,5 м/сек. Однако, если опускной канал очень широкий (или опускных каналов много) и линейная скорость движения газов очень мала (например, на этапе растопки), то свободноконвентивные явления уже подлежат учету. При этом надо исходить из того, что горячий газ в нисходящем канале движется в окружении холодных стенок. Охлаждаясь именно у стенки, газ начинает «проваливаться» вниз, ускоряясь и увеличивая (за счет скорости обтекания стенок) теплотдачу, что приводит к ещё более сильному охлаждению и увеличению скорости «проваливания», в том числе и из-за снижения вязкости газа при снижении температуры (рис. 130,в). Так что поток горячего газа в холодном нисходящем канале неустойчив так же, как поток горячего газа в холодном восходящем канале (рис. 130,а). Вопросы устойчивости (пульсаций и проскоков) течений в параллельных каналах очень актуальны во многих областях техники. Они решаются в первую очередь увеличением и выравниванием величин перепадов давления на всех каналах, для чего до и после параллельных каналов обустраиваются демпфирующие полости большого (по сравнению с каналами) объема (ресиверы). Иногда в печах по результатам испытаний приходится делать разновысотные вертикальные разделки нисходящих параллельных дымоходов (рис. 129,з).

Рис. 130. Пространственные распределения (эпюры) скоростей газовых потоков
Рис. 130. Пространственные распределения (эпюры) скоростей газовых потоков: а-е — распределения по радиусу цилиндрических каналов (труб); а — горячий газ в холодных стенках снизу вверх; б — холодный газ в горячих стенках снизу вверх; в — горячий газ в холодных стенках сверху вниз; г — холодный газ в горячих стенках сверху вниз; д — распределение температуры горячего газа в холодной горизонтальной трубе; е — распределение скорости горячего газа в холодной горизонтальной трубе; ж — схема образования турбулентного течения у поверхности. 1 — «язык» горячего газа вверх (например, пламя), 2 — проседание охладившегося газа вниз, 3 — стрелки показывают направление движения газа, 5 — поверхность с углом, у которой начинает развиваться пограничный слой, 6 — типичное распределение скоростей в трубах (параболическое) в изотермическом ламинарном потоке, у — координата, перпендикулярная поверхности (устанавливающая удаление трубок тока газа от поверхности), Т — температура, V — линейная скорость, δ₁ — увеличивающаяся толщина ламинарного пограничного слоя, δ₂ — уменьшающаяся толщина ламинарного пограничного слоя, δ₃ — увеличивающаяся толщина турбулентного пограничного слоя.

Чем меньше вязкость газа (то есть, чем холодней газ), тем больше вероятность возникновения разнонаправленности потоков (в том числе и турбулентностей). Для качественной оценки ситуации в канале необходимо сопоставить импульс газа (инерцию) ρV² с силой противодействия встречному движению (то есть с силами вязкости) μdV/dx=pvV/L, где L — поперечный размер канала. Полученное отношение Re=VL/v называется числом Рейнольдса. Оно, образно говоря, показывает время (продолжительность), за которое встречные потоки станут спутными, то есть как быстро силы вязкости подавят встречные движения газов. Малое число Рейнольдса означает, что встречные потоки погасят сами себя быстро и превратятся в спутные. То есть малые числа Рейнольдса отвечают не просто ламинарным потокам, но и обязательно спутным (при наличии непосредственного контакта потоков). Отсюда следует, что при фиксированной линейной скорости V малым диаметрам каналов отвечает однонаправленное движение, а большим диаметрам полостей отвечает возможность разнонаправленных движений газа. Однако, если мы выразим число Рейнольдса Re=G/Lv через объёмный расход газа G=VL² (сохраняющий свою величину при переходе газа из канала в полость), то получим обратный (и очень удивительный) результат: в последовательно соединённых каналах и полостях (G = const) встречные потоки (турбулентности) будут гасится дольше в каналах (с малым L), чем в полостях (с большим L). То есть газ, подвергнутый (может быть, и однократно) механическому возмущению в какой-либо точке, «успокаивается» быстрее в полости, чем в канале. В соответствии с этим и турбулентность, появляющаяся при Re =1000-3000, возникает при разгорании печи вначале в каналах, и лишь потом в расширениях, а в крупных полостях может не возникнуть вовсе. Это уже совсем необъяснимый вывод — ведь раньше мы считали, что именно в каналах газ движется всегда в одну сторону.

Противоречие снимается тем, что мы рассмотрели чисто изотермическую инерционную модель последовательных каналов и полостей, когда температура газа (дыма) строго равна температуре стенок. Действительно, в таких системах пульсации газа в трубах затухают медленнее, чем в сосудах (ресиверах). Это известно в быту на примере автомобильных глушителей, где труба хорошо передает рёв выхлопа двигателя, а расширения трубы (в том числе тупиковые ответвления — резонаторы) гасят его. Поэтому, запомнив для последующего анализа, что инерционные турбулентности возникают вначале именно в каналах, мы должны рассмотреть и случай крупномасштабных турбулентностей (свободноконвективных циркуляции), обусловленных тем, что температура дыма выше температуры стенок (в противном случае дым не будет ни всплывать, ни охлаждаться).

Сопоставим силу Архимеда (всплытия) (ρx-ρг)gH=ρgHΔT/T с силами вязкости ρvV/L, где ΔТ — разница абсолютных (в градусах Кельвина) температур газа и стенок, Н — высота полости (колпака), L — размер проходного сечения потока газа. Полученное отношение Gr=gHLΔT/vVT=gHL³ΔT/vGT называется числом Грасгофа и показывает, насколько активно могут развиваться свободно-конвективные потоки. Большие значения Сr отвечают «активному» и «свободному» колпаку, в котором всё бурлит от «свободного движения всплывающих газов», малые значения Сr отвечают «мёртвому» колпаку, «свободные» (то есть нетранзитные) движения газа в котором можно поддерживать лишь за счёт внешних воздействий, например, вдуваний в него дыма под напором дымовой трубы или перемешиваний мешалкой (газодувкой).

Видно, что при равенстве температур газа и стенок ΔТ=0 колпак «мёртвый». С увеличением высоты колпака Н и особенно с ростом поперечного проходного размера L свободная конвекция усиливается. При общем увеличении уровня абсолютных (в градусах Кельвина) температур газа и стенок Т=(Тх+Тг)/2 активность колпака снижается. И наконец, чем выше вязкость газа (то есть, чем выше температура газа), тем большее сопротивление встречают свободно-конвективные потоки.

Рассматривая случай последовательного подключения канала и полости (колпака), соответствующий случаю G=const, видим, что свободно-конвективная активность очень быстро растёт с объёмом колпака и с проходным сечением. Поэтому даже при расширениях всего в 2-3 раза канал многократно повышает свою «колпаковость». Это значит, что в широких нисходящих и восходящих вертикальных каналах могут существовать встречные потоки, особенно при малых расходах дыма (больших Сr). Так, при подъёме горячих газов вверх по холодной трубе возникают встречные нисходящие потоки охлаждающихся у стенок газов, известные на примере каминов (рис. 130,а). При подъёме же холодных газов вверх по горячей трубе могут возникать встречные нисходящие (противоточные) потоки по оси, фактически «тонущие» в активно нагревающихся у стенок газах (рис. 130,б). В горизонтальных каналах горячий газ прижимается к «потолку» (рис. 130,д). Поскольку горячий дым имеет высокую вязкость, то обычное параболическое распределение скорости дыма 6 может видоизмениться в сторону преимущественного течения в нижней части канала (рис. 130,е). Этим, видимо, можно объяснить феномен, когда рукой чувствуешь горячий дым в канале только у «потолка», но тем не менее, расчищая дно канала от завалов пепла и сажистых спёков, вдруг неожиданно для себя получаешь многократное усиление тяги, причём без заметных изменений состояния горячего газа у «потолка» канала. При увеличении расхода дыма число Грасгофа уменьшается, и течения дыма приобретают «обычный» вид однонаправленных и более-менее однородных по сечению канала потоков, особенно при развитии турбулентности.

Турбулентность течений проявляется в увеличении теплопередачи в каналах с одновременным увеличением сопротивлений трения. Что касается полостей, то обычная пристеночная турбулентность в них развивается при значительно более высоких расходах дыма (чем в каналах), но зато появляется ещё один вид неустойчивостей — турбулентность за счёт возникновения затопленных струй. Поэтому рассмотрим три вида турбулентностей: турбулентность потока у поверхности (возникающую вначале на стенках каналов и создающую сопротивление трения), турбулентность при поворотах потоков (создающую местное газодинамическое сопротивление канала) и турбулентность затопленной струи (возникающую при резком переходе газ из узкого канала в широкую полость и создающую местное газодинамическое сопротивление полости).

Напомним, что газовый поток, входя в контакт с поверхностью, начинает замедляться у поверхности за счёт вязкостных сил, создавая ламинарный пограничный слой δ₁ (рис. 130,ж). По мере увеличения толщины ламинарного пограничного слоя увеличивается и толщина теплового пограничного слоя, в котором наблюдаются изменения (перепады) температур газа у поверхности (неизотермический случай). В результате постепенно снижается и коэффициент трения (из формулы Δρ=/ξ•рV₀²/2) и теплопередача. Коэффициент диффузии (молекул воздуха — азота и кислорода) в воздухе D=0,19 см²/сек очень близок к коэффициенту вязкости воздуха v=0,23 см²/сек и к коэффициенту температуропроводности воздуха а=0,31 см²/сек, что указывает на одинаковую природу процессов массопереноса (диффузии), вязкости и теплопроводности. Поэтому и толщины пограничных слоев для диффузии, вязкости и теплопроводности можно считать близкими. Близкими они остаются, видимо, и при развитии турбулентности.

Турбулентность возникает на границе ламинарного слоя и распространяется как к поверхности, так и от поверхности (рис. 130,ж). Поэтому толщина ламинарного слоя δ₂ уменьшается, толщина турбулентного слоя δ₃ увеличивается. Для ориентировки укажем, что в ламинарном режиме сопротивление потоку изменяется пропорционально x⁻⁰'⁵V₀¹'⁵ (см. соответствующее соотношение V = (Δρ)⁰'⁶⁶), а коэффициент теплоотдачи пропорционально x⁻⁰'⁵ V₀⁰'⁵. В турбулентном режиме указанные зависимости приобретают вид x⁻⁰'⁵ V₀1,8 и х⁻⁰'² V₀0,8 соответственно. Это значит, что при увеличении расхода воздуха сопротивление печи возрастает намного быстрее, чем теплоотдача от дыма в стенки каналов.

Особую важность имеет шероховатость поверхности канала 4 (рис. 130,е). Если выступы шероховатости не вылезают за пределы ламинарного слоя δ₂, то основной вклад в процесс торможения вносит именно ламинарный вязкий слой, дающий малое сопротивление и работающий как «смазка». Если же выступы шероховатости вылезают в турбулентный слой δ₃, то сопротивление движению резко увеличивается (эффект Никурадзе) так, что коэффициент сопротивления трения перестаёт зависеть от V₀, то есть перестает падать с увеличением значений линейной скорости потока V₀. Соответственно, наблюдавшееся при ламинарном режиме снижение коэффициента теплопередачи (вдоль оси х) заменяется на резкое возрастание. Например, шероховатость кирпичной кладки официально принимается равной 0,8-6 мм, так что на практике турбулентность всегда достигает выступов шероховатости, и, как правило, сопротивление каналов турбулентному потоку велико. Шероховатость металлических труб принимается на уровне 0,02-0,07 мм (новые) и 0,2-0,5 мм (после эксплуатации), поэтому их сопротивление существенно меньше (до ста раз по формуле Никурадзе). Но при этом снизится и теплопередача. Отметим попутно, что для повышения теплопередачи часто используется оребрение поверхности. При этом максимальная эффективность оребрения достигается при высоте рёбер h=0,3а, где а — расстояние между гранями соседних рёбер (СНиП 23-02-2003), причём расстояние между рёбрами составляет 1-10 см. При большой высоте рёбер теплоотдача уменьшается из-за застоя газа в зазорах (как в полостях стеклопакетов окон).

Рассматривавшаяся турбулентность развивается на стенках прямых каналов печей или во всяком случае со сглаженными (скруглёнными) поворотами (рис. 131,б). Но реальные каналы могут иметь резкие повороты, возникающие, например, из-за технологических особенностей изготовления печей (сварка металлических листов, кладка прямоугольного кирпича и т. п.). Ясно, что схема на рис. 131,а получается из схемы на рис. 131,б, если заменить скругления дымоходов коробами 1. При этом возникают застойные зоны, в которых возникают турбулентности иного типа, нежели развивающиеся на поверхности (рис. 130,ж). В местах резких поворотов газ взвихривается, поступательная скорость движения газа преобразуется в скорость крутки газов в хаотических вихрях, поэтому скорость потока в канале снижается, что и воспринимается нами как сопротивление потоку. Такое сопротивление и называется местным газодинамическим сопротивлением. Вихри срываются с кромок поворотов и увлекаются потоком, усиливая турбулентность не только в месте поворота, но и на некотором расстоянии вниз по потоку. Так что местное газодинамическое сопротивление «размыто» по каналу вслед за поворотом.

Рис. 131. Модели металлических печей с дымооборотами
Рис. 131. Модели металлических печей с дымооборотами (A.M. Андреев, Садовая баня и её загадки, М.: Эксмо, 2007 г.): а — с расширительными полостями («колпаковая» схема); б — без расширительных полостей (канальная многооборотная схема). 1 — достраиваемая конфигурация полостей, 2 — зоны турбулентностей, возникающих после достраивания колпаков.

Отметим, что в застойных вихревых зонах тепловые нагрузки на стенки, как правило, малы, что используется, например, для уменьшения короблений углов и ребер металлических печей. Вихревые же явления в потоках (турбулентности) повышают тепловые нагрузки на стенки каналов. Так что печь на рис.131,б  обладает большей теплоотдачей и меньшим сопротивлением, чем печь на рис. 131,а.

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

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер