Все современные печи (даже колпаковые) являются канальными и состоят из двух обязательных элементов: каналов (вертикальных и горизонтальных) и полостей. Подобное разделение условно: полости (сосуды) являются просто более широкими каналами и могут быть отождествлены лишь как места расширений каналов (отверстий) в более широкие каналы (полости). Во всяком случае ясно, что у печи всегда есть топливник (полость) и дымовая труба (канал).

Полости бывают беспроточными (тупиковыми) и проточными (транзитными), могут располагаться вверх, вниз и вбок от каналов. Разделение полостей на проточные и беспроточные тоже весьма условно, поскольку увеличение скорости ввода газа (дыма) может превратить беспроточную полость в проточную и наоборот. Кроме того, проточные полости могут иметь беспроточные участки (узлы, секции). Ведь наличие сквозняка в комнате вовсе не означает, что в комнате не могут существовать беспроточные застойные зоны, на которые не распространяются влияния сквозняка. Поэтому понятие беспроточной полости является очень важным для печей.

Рис. 126. Колпаковые системы: а — колпак над горизонтальным дымоходом; б — то же с оребрением; в — горизонтальные дымообороты (колпак, открытый наверху); г — колпак Подгородникова; д — замкнутый проточный сосуд с двумя отверстиями; е — колпак с подачей горячего воздуха на потолок (так называемая схема противотока). 1 — горизонтальный канал-дымоход; 2 — транзитный (сквозной) поток дыма, в том числе и относительно холодная составляющая, не способная подниматься в колпаки; 3 — потоки дыма, подвержанные влиянию колпаков, 4 — колпак вертикальный (тупиковый отросток вверх, расширение канала вверх); 5 — восходящий горячий поток дыма; 6 — циркуляционный поток (застойная зона, «мешок горячих газов»); 7 — нисходящий охлаждённый поток дыма; 8 — колпак с развитой теплообменной поверхностью; 9 — оребрение; 10 — горизонтальные дымообороты (ответвление дымохода вверх, проточное с отверстиями наверху, оребрённое с горизонтальными рассечками — рассекателями); 11 — дымовая труба.

Так, со времён Грум-Гржимайло не прекращаются попытки оснащения дымовых каналов 1 некими произвольными «закутками» (очень удобными при кладке «фигуристых» печей) вверх 4, в которые по идее должны были бы «свободно» и как бы «сами собой» устремляться горячие газы 5 (рис. 126,а). «Свободно покрутившись» в «закутке» 4 и охладившись там, дымовые газы «должны» возвратиться 7 в канал 1 (поскольку деваться им больше некуда). Считается, что такие «закутки» являются, якобы, эффективными теплосъёмными элементами, поскольку в таких застойных зонах горячие дымовые газы могут долго пребывать, чтобы долго отдавать своё тепло в стенки печи.

Несмотря на кажущуюся вескость, вышеприведённые соображения оказываются глубоко ошибочными. Прежде всего не факт, что в колпак «свободно» и «сами по себе» входят и выходят значительные количества горячих газов. Ведь с повышением температуры колпака подъёмная сила резко снижается, и движущиеся горячие газы из-за инерции попросту «не успевают» входить в колпак (и проходят мимо него по горизонтальному каналу). Значит, придётся «вдувать» горячий газ не горизонтально, а снизу вверх, причём со значительной скоростью, способной «пробить» колпак до потолка (за время прохождения газа в колпаке). Поэтому колпак неминуемо окажет влияние на газодинамику всей печи. С другой стороны, предполагая, что горячие газы 5, поднимаясь вверх в колпак 4, долго находятся там 6, отдавая своё тепло, мы молчаливо признаём, что на протяжении всего этого длительного периода времени новые порции горячего газа 2 не могут войти в колпак и будут вынуждены проходить мимо колпака по каналу 1 прямо в дымовую трубу (рис. 126,а). Чем меньше горячих газов 5 входит в тупиковый колпак 4 и чем дольше они там «крутятся», тем меньше теплосъём в печи. Все эти факты давно известны. Пещера древнего человека спасала от порывов холодного ветра, и чем длиннее была пещера, тем «теплее» она была (например, при наличии в ней костра). И точно также, глубокая расщелина способна защитить от «потока огня», поскольку «огонь» (горячая струя) «не идёт» в щель.

Ну и наконец, оказывается, что движущийся горячий (или холодный) газ значительно лучше передаёт своё тепло (холод) обдуваемой поверхности, чем неподвижный горячий (или холодный) газ, например, в застойной зоне. Если бы это было не так, то люди в банях парились вовсе не вениками (а помещали бы себя в некие колпаки), а дамы на балах не обмахивались бы веерами. Математически это отражается формулой для теплового потока q (Вт/м²) от воздуха к поверхности q = (10+6V)ΔT, где V — скорость движения газа в м/сек, а ΔТ — разность температур в градусах Цельсия. Именно поэтому в кухонных плитах делают так, чтобы дымовые газы обтекали варочную поверхность с большой скоростью. Все это в свое время подорвало не только газодинамические, но и теплофизические устои гидравлической модели.

Предложенная взамен гидравлической модели так называемая «общая теория печей» отвергла мнение о том, что чем больше время контакта горячего газа с поверхностью (чем больше время пребывания дыма в печи), тем больше теплоотдача. Наоборот, именно высокие скорости обтекания (а значит, и малые времена контакта) обеспечивают максимальные тепловые нагрузки (H.H. Доброхотов, Критика гидравлической теории печей, журнал «Уральский техник», № 11/12, 3-21, 1927 г.; М.А. Глинков, Основы общей теории тепловой работы печей, М.: Металлургиздат, 1959 г.; М.А. Глинков, Г.М. Глинков, Общая теория печей, М.: Металлургия, 1978 г.). Общая теория рекомендует направлять дымовые газы не туда, куда они «хотят» идти, а так, чтобы они передавали побольше тепла единице поверхности теплосъемного элемента. Общую теорию интересует не то, по каким объемам (полостям и каналам) текут дымовые газы, а то, как эти дымовые газы обтекают и нагревают теплосъемные поверхности в этих полостях и каналах.

Ранее в разделе 3 уже отмечалась высокая роль вязкости газа в продуваемости узких зазоров. Это означает, что разделение колпака на множество глубоких узких колпаков рассечками 9 ухудшает теплосъемные возможности всего колпака в целом. Действительно, многочисленные рассечки можно рассматривать как теплоизоляцию (как «мех кошки»), не пропускающую тепло и не впускающую в себя потоки воздуха (ни горячие, ни холодные) именно из-за малости скорости перемещения газов в промежутках между рассечками. Чем медленней и трудней проникают горячие газы в зазоры между рёбрами 9, тем медленней и труднее и выходят оттуда обратные (встречные) охлаждённые газы из зазоров. Для упорядочения этих газовых потоков целесообразно было бы выводить охлаждённые газы не по тому пути, по которому входят горячие газы, а именно через отверстия вверху колпака 8 в дымовую трубу (в дымовой канал — дымооборот) по типу, например, горизонтальных дымооборотов 10 (рис. 126,в). Причём эта целесообразность возрастает с усилением оребрённости колпака 8. При этом сразу становится очевидным, что и непроточный, и проточный колпаки всё же (несмотря на «свободное движение газа» в нём) имеют некое газодинамическое сопротивление. Действительно, зачем газам идти в лабиринты 10, если они имеют возможность пройти по короткому прямому пути 11? Аналогично, зачем горячим газам из канала 1 «залезать» в колпак 4 и долго «крутиться» там в условиях вязкости, если он может беспрепятственно и сразу пройти мимо колпака 4 по каналу 1? Иными словами, падение давления в струе (траектории) газов в колпаке может оказаться более высоким, чем падение давления Ар в потоке газов в основном канале 1. При этом естественно, газ из основного канала будет вынужден пойти навстречу потоку 7, замедляя вход горячих газов 5 в колпак, тем самым «запирая» его.

Оценим, с какой же скоростью горячий газ 5 способен «свободно» поступать (всплывать) в беспроточный тупик — колпак 4. Во-первых, ясно, что температура газов в колпаке 4 (а значит и температура стенок колпака 4) должна быть заметно ниже температуры горячих газов 5 в канале 1: в противном случае газ из канала 1 попросту не будет «всплывать» в колпак 4. Ведь часто забывают, что появление свободно восходящих конвективных потоков возможно лишь именно в том случае, когда газ не только горячий, но и обязательно находится в непосредственном контакте с холодным газом (например, в объёме холодного газа). Так, говорят иногда, что в нисходящем канале печи горячий газ, двигаясь вниз, «пытается» всплыть, тормозя тем самым газовый поток. Но ведь в нисходящем канале (с температурой стенок, равной температуре газа) нет холодных газов, и горячему газу попросту не в чем всплывать. Поэтому в этом случае надо рассматривать комбинацию восходящего (предыдущего) канала и нисходящего (последующего). Поскольку в последующем канале температура газа ниже, чем в предыдущем (предшествующем), то газ в нисходящем канале вовсе не «всплывает», а наоборот, «тонет», ускоряя тем самым газовый поток. Но это присуще только и именно каналам (шлангам): в широких каналах (полостях) ситуация может быть разной, но всё равно, горячий газ всплывает и тут не «сам по себе», а только в контакте с холодным газом.

Во-вторых, для того, чтобы горячие газы 5 (при наличии возможности) входили в колпак 4, надо, чтобы ранее присутствовавшие газы 7 могли бы выходить из колпака. Иными словами, газы 7 должны успеть остыть в колпаке и составить с газами 5 два колена газооборота (сообщающиеся сосуды-каналы) с разной температурой, обеспечив тем самым возникновение циркуляционного «свободного движения газов» в колпаке. В противном случае горячие газы 5, всплыв к потолку колпака, образуют там «мешок неподвижных горячих газов» (застойную зону), не остывающий, и не опускающийся, и не впускающий новые порции свежего горячего воздуха.

Процесс первичного «свободного» всплывания горячего газа в холодном газе за счёт архимедовых сил описывается формулой «для дымовой трубы» V²=2gh(Tг-Tx)/Tг. При температуре Тг=700°К и холодного газа Тх=400°К скорость горячего газа по мере свободного разгона вверх может достичь величин порядка V =3 м/сек уже на высоте h=1 метр. Однако реальные скорости газов в дымовых трубах не столь уж значительны из-за сопротивлений (эти скорости легко оцениваются при наблюдении истечения дыма в атмосферу из трубы на крыше). В колпаках скорости газов ещё ниже, поскольку газы не просто остывают по пути, смешиваются и взвихриваются, но и тормозятся, сталкиваясь с потолком колпака (разворачиваясь). По экспериментальным оценкам скорости самостоятельного свободного подъёма горячего дыма в нижние «топочные колпаки» (а по существу не колпаки, а проточные дымоходы-дымообороты, см. далее) составляют 0,5-1,0 м/сек, а в верхние «дымоходные колпаки» 0,1-0,5 м/сек (при скоростях в самих дымоходах до 4 м/сек).

Скорость горячего газа, «вольно» огибающего (обтекающего) внутренние стенки колпака и успевающего при этом охладиться, расчитывается из формулы теплообмена V₀=α(2Н+а)Срρв, где а=10 Вт/м²•град — коэффициент теплопередачи, Н — высота колпака, а — ширина колпака, в — глубина колпака, Ср и ρ — теплоёмкость массовая и плотность горячего газа. При кубической форме колпака а=в=Н скорость V₀, при которой горячий газ успевает остыть в колпаке, составляет 0,1 м/сек. Именно при таких столь низких скоростях газа (обеспечивающих времена пребывания практически неподвижного газа в колпаке порядка 10 сек) свободный непроточный колпак становится проточным (способным пропустить через себя весь поступающий горячий газ за счёт «свободного движения газов») и начинает работать так, как считал Грум-Гржимайло (дым сигареты «вольно» поступающий в перевёрнутый стакан, вьётся у потолка, охлаждается и «вольно» покидает стакан «переливаясь» через его края). При более высоких скоростях горячий газ ведёт себя также, как струя фена, попадая в стакан и не успевая охладиться.

Оценить особенности «вольного» и «напорного» ввода можно очень легко: достаточно установить на оголовке дымящей дымовой трубы жестяной короб и проследить явления при вертикальном и горизонтальном вводе дыма. Или же взять металлическую бочку (кастрюлю) или даже пустую картонную коробку (из-под телевизора, холодильника и т. п.), сделать внизу два отверстия (например, на противоположных стенках внизу бочки или коробки) и направлять в одно из отверстий разные струи горячего газа. Так, например, в случае струи горячего фена (с расходом воздуха 30-70 м³/час, обычно близким к расходу воздуха в печах), и коробка, и бочка будут нагреваться сильней у выходного отверстия, чем на потолке. А если в бочку направить струю от газовой горелки кухонной плиты (имеющую ту же тепловую мощность, что и фен, но повышенную температуру и соответственно пониженный расход), то нагреваться будет преимущественно потолок бочки.

Рис. 127. Газодинамика безнапорных колпаков: а, б, в — транзитный газовый поток под холодным колпаком, а — холодный поток, б — тёплый поток, в — горячий поток, г, д, е — горячий газовый поток под колпаком с разной скоростью циркуляции газа внутри колпака, г - низкая естественная циркуляция за счёт электронагревателя малой мощности, д — средняя циркуляция от электронагревателя средней мощности, е — сильная циркуляция от электронагревателя большой мощности. 1 — циркуляционный поток, 2 — сквозной транзитный поток в дымоходе, 3 — электронагреватель, создающий свободную конвекцию (циркуляцию газа) внутри колпака (число линий характеризует мощность тепловыделения), 4 — возможный рассекатель - перегородка, 5 — встречный поток в дымоходе.

Поясним работу идеальной схемы колпака (застойной зоны) в проточной сети (рис. 127). Если поток газов 2 холодный и проходит под столь же холодным колпаком, то поток газа 2 не всплывает, но может, газодинамически расширяясь, сталкиваться с задней стенкой колпака, отражаясь назад, образуя в колпаке слабую циркуляцию (крупномасштабную турбулентность) «против часовой стрелки» (рис. 127,а). Если же поток газов 2 тёплый, то он не только расширяется, но и всплывает, сталкивается с задней стенкой также с образованием вихря «против часовой стрелки» (рис. 127,б). Эти режимы соответствуют турбулентной смесительной вентиляции колпака (см. рис. 51,б). Если поток газов 2 очень медленный и очень горячий, то он энергично всплывает, образуя огибающий весь колпак циркуляционный поток «по часовой стрелке» (рис. 127,в). Этот режим соответствует вытеснительной вентиляционной схеме и даже сквозняку (рис. 51,а), и именно его имеют в виду ученики Грум-Гржимайло, говоря о колпаках и «вольных» движениях газов. При этом необходимо учитывать, что вязкость газов растёт с температурой, что препятствует развитию турбулентности (рис. 69).

Аналогичные рассуждения справедливы и при анализе влияния величины скорости горячего воздуха в канале 2. При большой скорости горячие газы попросту не успевают войти в колпак (рис. 127,а) и проскакивают мимо. А вот при очень низкой скорости горячие газы имеют возможность беспрепятственно и полностью поглотиться колпаком (рис. 127,в). Поэтому считают, что общая теория печей Доброхотова относится к энергичным печам с большими скоростями движения газов, а гидравлическая теория печей Грум-Гржимайло относится к слабомощным печам (режимам тления дров) с малыми скоростями газов.

Наиболее наглядно работа ламинарного «свободного» безнапорного колпака иллюстрируется в схемах с возрастающей скоростью циркуляции (рис. 127 г, д, е). Здесь интенсивность потоков обозначена числом линий со стрелками 1 и 2: «однострелочный» поток является самым слабым, «двухстрелочный» — умеренным (средним), «трехстрелочный» — сильным. Если собственная внутренняя циркуляция в колпаке развита слабо («однострелочная» траектория 1), например, за счёт слабого электроконвектора 3, то циркуляционный (круговой) поток 1 «зануляет» лишь часть транзитного потока 2 так, что внизу колпака в проточном канале остаётся лишь одна стрелка (рис. 127,г). Если объёмную скорость циркуляции увеличить до «двухстрелочного» уровня, то весь транзитный поток 2 переходит в циркуляционный поток 1 (с полной компенсацией встречных потоков внизу колпака), что отвечает чисто вентиляционному режиму (рис. 53) при полном отсутствии транзитного потока в канале под колпаком (рис. 127,д). Если объёмная скорость циркуляции увеличится до «трёхстрелочного» уровня и превзойдёт скорость транзитного потока, то в канале может появиться встречное течение, то есть внутренний вихрь «вылезет» в канал и будет работать как противоточный насос (рис. 127,е).

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