Дровяные печи. Процессы и явления - Хошев Ю.М.

1.1.3. Химический состав древесины
Рис. 8
1.1.7. Дровяная печь как газогенератор
Рис. 18
1.2.3. Треск воспламенившейся древесины
Рис. 24
1.2.4. Распространение зоны воспламенения
1.3. Пламенное горение древесины
Рис. 26
1.3.2. Горение неперемешанных газов
Рис. 35
Рис. 36
1.3.3. Строение ламинарного диффузионного пламени
Рис. 39
1.3.4. Форма ламинарного диффузионного пламени
Рис. 44
1.3.5. Дымление горящих дров
Рис. 51
Рис. 52
1.3.6. Оптическое излучение пламени
Рис. 66
1.3.7. Особенности пламеного горения древесины
1.5. Свойства воздуха как окислителя
Рис. 81
2.2. Гидравлическое приближение
Рис. 88
Рис. 89
2.4. Гидродинамика невязкой жидкости
Рис. 95
2.4.2. Истечение жидкости из отверстия
Рис. 99
2.4.3. Свободное падение струи жидкости
Рис. 100
2.4.4. Напор жидкости как аналогия печной тяги
Рис. 101
2.4.5. Течение жидкости “рекой”
Рис. 104
Рис. 105
2.4.6. Перелив жидкости через незатопленную плотину
Рис. 109
2.4.7. Понятие “разрыва напора”
Рис. 110
2.4.8. Понятие точечного стока
Рис. 114
Рис. 115
2.4.9. Инерционные явления
Рис. 117
Рис. 118
2.4.10. Турбулентности, вихри, циклоны.
Рис. 121
Рис. 122
2.5. Гидродинамика вязкой жидкости
Рис. 126
2.5.3. Уравнение Бернулли для вязкой жидкости
Рис. 135
2.5.4. Гидрогазодинамические потери давления
Рис. 139
2.5.5. Свободная затопленная струя вязкой жидкости
Рис. 147
Рис. 148
2.5.6. Стесненная затопленная струя вязкой жидкости
Рис. 153
Рис. 154
3.2.Природа течений горячего газа
Рис. 162
3.3. Гравитационная конвекция
Рис. 163
Рис. 164
3.4. Пространственный контур конвекции
Рис. 166
3.6. Конвекция в частично ограниченном пространстве
Рис. 171
3.6.2. Конвекция в горизонтальных трубах
Рис. 175
3.6.3. Конвекция в проточных полостях и в наклонных трубах
Рис. 177
Рис. 178
3.6.4. Конвекция в системах параллельных вертикальных труб
Рис. 181
Рис. 182
3.6.5. Транзитная конвекция в полостях
Рис. 185
3.7. Неизотермичность горячих газов
Рис. 187
3.7.2. Модель “вольного” движения
Рис. 189
4.1.2. Водоводные схемы транспорта
Рис. 196
4.1.3. Водопроводные самонапорные схемы транспорта
Рис. 199
4.1.4. Водопроводные насосные схемы транспорта
4.1.5. Комбинированные схемы транспорта
Рис. 201
4.2. Тяга в водопроводной системе
Рис. 203
4.3. Классификация печей по геометрии каналов внутри печи
Рис. 205
4.4. Анализ конвективных систем с помощью эпюр давления
Рис. 206
4.4.2. Эпюра давлений при наличии протока газов
4.4.3. Эпюра давления в допустимом “коридоре” значений
4.4.4. Эпюра давления в многооборотной печи
4.4.5. Эпюра давления в двухярусной печи
4.5. Особенности течений в полостях и каналах
4.5.3. Течения остывающих газов в каналах
Рис. 218
Рис. 219
4.5.4. Течения остывающих газов в полостях
Рис. 225
5.3. Системы подачи воздуха
Рис. 239
Рис. 240
5.3.2. Поступление воздуха в топливник
Рис. 243
5.3.3. Подача вторичного воздуха
Рис. 246
5.4. Вывод дымовых газов
Рис. 249
Рис. 250
5.6. Переменные факторы огневого процесса
Рис. 260
5.7. Дрова как топливо и как горючее
Рис. 261
5.8.2. Форма пламен в микротопках
Рис. 271
5.8.3. Обугливание поленьев в микротопках
Рис. 276
5.8.4. Тепловая нагрузка на древесину
Рис. 278
5.8.5. Свойства обугленного слоя
Рис. 282
5.8.6. Влияние влажности древесины.
Рис. 284
Рис. 285
5.8.7. Пульсации горения дров
Рис. 287
Рис. 288
5.8.8. Горение углей на решетке
Рис. 290
5.9. Сжигание летучих над дровами
Рис. 297
5.9.1.2. Дожигание пламени стеснением в отверстии
Рис. 302
5.9.1.3. Дожигание пламен в ансамбле стесняющих отверстий
Рис. 305
5.9.1.4. Дожигание пламен “смешением” с воздухом
Рис. 308
5.9.1.5. Дожигание пламен ускорением потока
Рис. 311
5.9.1.6. Дожигание пламен закруткой
Рис. 313
5.9.1.7. Дожигание пламен под раскаленными сводами
Рис. 316
5.9.1.8. Выделенные камеры дожигания
Рис. 318
5.9.2.2. Дожигание белого дыма в объеме топливника
Рис. 322
5.9.4. Каталитическое окисление горючих газов
Рис. 330
5.11. Пламена воздуха в горючем газе
Рис. 335
6.4. Дымовая труба как дымоотвод
Рис. 351
Рис. 352
6.5. Принцип горячего трубного стояка
Рис. 356
6.6.2. Влияние высоты расположения хайла
Рис. 361
6.6.3. Поддержание тяги при горении печи
Рис. 363
6.7. Технологическое ограничение трубной тяги
Рис. 368
7. Теплофизика печных устройств
Рис. 371
7.3. Кондуктивная теплопередача
Рис. 379
7.4. Конвективная теплопередача
Рис. 380
7.4.2. Теплопередача при принудительной конвекции
Рис. 386
Рис. 387
7.5. Стационарная теплопередача
Рис. 390
Рис. 391
7.7. Нестационарная теплопередача
Рис. 396
7.8. Теплообмен в зернистом слое
Рис. 397
7.9. Преобразование тепловых потоков
Рис. 402
7.10. Коэффициент полезного действия
Рис. 404
7.11. Термическое разрушение кирпичных печей
Рис. 410
7.11.3. Термические расширения керамических материалов
Рис. 415
7.11.4. Терморазрушение керамических изделий
Рис. 416
7.11.5. Терморазрушение монолитных конструкций
Рис. 422
Рис. 423
7.11.6. Терморазрушение сборных конструкций
Рис. 426
Рис. 427
7.11.7. Термокомпенсирующие зазоры
Рис. 430
7.12. Термическое разрушение металлических печей
Рис. 432
Author: Хошев Ю.М.
Tags: санитарно-техническое оборудование зданий и его монтаж технология строительного производства бытовые печи теплообмен
Year: 2014
Similar
Дачные бани и печи. Принципы конструирования
Дровяные печи
Как самому сложить бытовую печь
Печи и камины. Описание, руководство по сооружению, рабочие чертежи
Text
                    Ю.М.ХОШЕВ
ДРОВЯНЫЕ
ПЕЧИ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
Москва
Издательство
2014
УДК 696/697
ББК 38.625
Х87
Фото на обложке: http://www.kirpichiki.pro (Ю.В.Воднев и А.Ф.Бацулин)
Фото на последней странице обложки:
Ю.М.Хошев (автор текстов) и Л.Н.Павлова (редактор оригинал-макетов)
ПРОЕКТ ОРИГИНАЛ - МАКЕТА 2014 года
Хошев Ю.М.
X 87 Дровяные печи. Процессы и явления. -
М.: Издательство, 2014.
- 392 страниц, 442 иллюстраций.
ISBN..................
В книге рассмотрены физические явления и технические процессы в кирпичных и
металлических дровяных печах бытового назначения. Описан механизм горения древе-
сины, особенности горения дров в поленьях, характер горения газов гомогенными и гете-
рогенными пламенами, обсуждены причины образования дымов и способы их дожига-
ния. Систематизированы особенности движения дымовых газов и теплообмена в полостях
и каналах, обсуждены условия возбуждения тяги в дымовых печах, проанализированы
топочные процессы, обсуждены конструктивные особенности топливников и конвективных
систем применительно к вопросам проектирования, изготовления и эксплуатации.
Книга является научно-популярным изданием общеметодического теоретического
характера. Рекомендуется в качестве инженерно-технического пособия для проектиров-
щиков бытовых печных устройств, для квалифицированных печников и технически под-
готовленных индивидуальных застройщиков.
УДК 696/697
ББК 38.625
ISBN................
©Ю.М.Хошев, 2014
Многие знают, как делать нельзя.
Но никто не знает, как сделать правильно.
Самая правильная печь
всё еще ждет своего изобретателя.
Введение
Каждый печник, создавая печь, невольно прикидывает, как будут
гореть дрова, как будут двигаться газы в печи и как будут греться стен-
ки каналов дымовой системы. Собственно, этим печник и отличается
от обычного строителя, каменщика или сварщика.
Вместе с тем, представления бытовых печников о процессах в печах
зачастую основаны больше на житейской интуиции, нежели на “школь-
ных” знаниях. Тем более, что даже самые уважаемые со времен СССР
учебники старались избегать “излишних” пояснений, полагая, видимо,
что рабочим специальностям незачем углубляться в суть явлений.
Однако, ныне бытовой печник, будь то опытный профессионал или
начинающий дилетант-любитель, чаще является не просто ’’мастеро-
вым” /не бездумным рабочим-печекладом/, а именно “мастером” свое-
го дела /автором личного творческого замысла/. Печнику сейчас прихо-
дится зачастую единолично выбирать тип и конструкцию печного изде-
лия, разрабатывать индивидуальный, подчас уникальный проект, обду-
мывать монтажные и компоновочные схемы, определять рабочие режи-
мы на основе собственных теоретических представлений.
И эта книга о природе и сути печей призвана помочь печнику в раз-
думьях и решениях, подтолкнуть его к творчеству и поиску нового.
Автор книги признателен А.В.Антропову, Ш. К. Афанасьеву, А.Ф.Бацулину,
В.И.Башмакову, К.В.Белому, К.Е.Бессонову, А.Г.Богаченкову, А.Вавилову, С.Н.Валигуре,
И. В. Васильеву, В.Г.Веремьеву, В. В.Жирнову, Р.К.Залялетдинову, О.П.Иваненко,
А.И.Ищенко, О.В.Катаеву, С.В.Кириллову, Е.В.Колчину, В.Н.Копаневу, И.В.Кузнецову,
С.Ф.Курину, М.М.Куткину, В. С. Куценко, Ю.С.Левчуку, М.М.Лукину, В. Н.Ляхову,
В. С.Ляхову, В. В.Маслову, Н.Н.Матвиенко, А. Н. Мерзлякову, С.М.Миркису, С.И.Несову,
С. П. Оленину, Н.Н.Петрову, А.3. Петрушову, А.В.Пономареву, В.М.Пчелкину,
А.Н.Решенину, В.В.Селивану, С.И.Серегину, О.Ю.Сотникову, А.П.Ферингеру,
М.К.Хайрову, В.В.Шевякову, Alex Chernov /Канада/, Ramunas Rackauskas /Литва/ за
полезные обсуждения вопросов по печной тематике.
4
Дровяные печи
1.	Горение древесины
Рукотворный костер появился вжилищах древних людей более мил-
лиона лет назад. Но сам Homo sapiens /человек разумный/ появился
лишь 50-100 тысяч лет назад. Это означает, что освоение огня нача-
лось “диким образом” фактически “обезьяночеловеками” задолго до
появления “разума” и древнейших цивилизаций.
Сейчас огонь уже перестал быть явлением непостижимого таинства.
Горение в печи уже давно понимается современными людьми как впол-
не обыденное, понятное и знакомое явление. Чаще всего воспринима-
ется даже как образ уюта и тепла в доме.
Но до сих пор печники почему-то не особо стремятся вникать в меха-
низмы горения дров. Не любят писать об этом и в книжках. Раз горят
дрова в топке, ну и пусть, мол, горят. Вместе с тем, печники охотно
обсуждают, хорошо или плохо разгораются и сгорают те или иные
дрова в той или иной печи, имея в виду лишь скорости процессов.
Но какую внутреннюю смысловую нагрузку содержат расхожие
выражения - “дрова хорошо разгораются” или “легко сгорают”? На этот
до наивности простой вопрос даже опытные печники порой не дают
вразумительного ответа. Потому, что типовая фраза о “хорошем сгора-
нии” зачастую выступает скорее как эмоциональный термин /типа
“дружного горения”/, а не как строгое техническое понятие.
1.1.	Химия процесса
Горение дров и образ огня мы связываем в первую очередь с язы-
ками пламён над поленьями. А языки пламени, как мы знаем с детства,
бывают от горящих газов. Но ведь дрова в поленице не выделяют ника-
ких горючих газов. Дрова - это лишь топливо /’’сырье”/, из которого еще
предстоит получить “горючее”, которое можно сжечь.
Горючие газы /в виде паров горючих жидкостей/ выделяются из дре-
весины, раскаленной “в огне”. Так что первейшей задачей истопника
является обеспечение разогрева древесины до появления горючих
газов. А потом уже достаточно просто “чиркнуть спичкой”.
Горение древесины
5
1.1.1.	Газификация и горение
Технологический принцип “сначала нагреть - потом поджечь” широко
известен для многих видов жидких и твердых топлив.
Так, например, обычный осветительный керосин марки ОК-25/цифра
указывает высоту некоптящего пламени/ невозможно поджечь спичкой
при низких температурах [1]. Лишь при нагреве керосина до (40-49)°С
мы сможем увидеть при поджиге кратковременную вспышку огня над
поверхностью жидкости /рис.1/.
Отсутствие вспышки при низких температурах объясняется тем, что
воспламенение и горение керосина в виде пламени возникает отнюдь не
в жидкости, а именно в парах жидкости, точнее, в смеси горючих паров
с воздухом. Пламя может развиться лишь при содержаниях/парциаль-
ных давлениях/ горючих паров в воздухе, превышающих некое мини-
мальное значение концентрации горючих паров в воздухе [2]. Это мини-
мально необходимое содержание называется нижним концентрацион-
ным пределом распространения пламени НКПРП, равным, в частно-
сти, 0,9% об. для керосина ОК-25. Отметим для ясности, что ранее
НКПРП назывался НКПВ - “нижним концентрационным пределом вос-
пламенения” горючих газов или паров /а еще раньше “пределом вос-
пламеняемости”, а еще раньше “пределом взрываемости”/.
Так что при низких температурах керосин не вспыхивает из-за того,
что над жидкостью нет достаточного количества горючих паров кероси-
4

40°С
49°С
57°С
Рис.1. Пояснение понятий вспышки и воспламенения горючих жидкостей: а - налитый
в баночку 1 керосин 2 может кратковременно вспыхнуть от внешнего источника зажига-
ния 3 /спички, горелки, искры/ лишь при температуре жидкости выше 40°С и лишь при
наличии крышки 4 /’’вспышка в закрытом тигле”/, б - при температуре жидкости выше
49°С керосин может кратковременно вспыхнуть и без крышки 4 /’’вспышка в открытом
тигле”/, в - при температуре жидкости выше 57°С керосин после вспышки продолжает
гореть пламенем /’’воспламенение керосина”/.
6
Дровяные печи
на. При нагреве же жидкости, равновесное давление паров керосина
быстро повышается, и при достижении НКПРП горючие пары при под-
жиге могут вспыхнуть пламенем.
В любом случае под вспышкой мы будем понимать явление именно
кратковременного воспламенения от внешнего источника зажигания,
поскольку при указанных температурах жидкого керосина (40-49)°С,
пламя вспышки, достигнув поверхности жидкости, самопроизвольно гас-
нет. Самозатухание пламени происходит из-за того, что все присут-
ствующие пары сгорают, а новые порции паров не успевают поступить
в воздух с необходимой для непрерывного горения скоростью /из-за
недостаточной скорости испарения керосина/. И только при температу-
ре жидкого керосина выше 57°С /называемой температурой воспламе-
нения керосина/ можно добиться в результате вспышки устойчивого
самостоятельного горения керосина “в плошке”.
Так что керосин - это топливо. А горючим /реагентом/ являются пары
керосина, причем не любые пары, а пары определенной плотности.
Подобные свойства горючих жидкостей использованы для категориро-
вания пожарной опасности веществ и материалов по ГОСТ 12.1.044-89.
Вышеописанные явления воспламенения происходят при наличии
достаточно горячего и мощного внешнего источника воспламенения-
зажигания-поджига /искры, спички, пламени/. При отсутствии внешнего
источника воспламенения керосин благополучно закипает на воздухе
при 189°С без воспламенения. Но если пары керосина /или паровоз-
душную смесь/дополнительно искусственно нагреть до 236°С, то пламя
возникнет самопроизвольно и при отсутствии внешнего источника вос-
пламенения. Такое явление самопроизвольного воспламенения назы-
вается самовоспламенением. Так, бензиновые двигатели внутреннего
Рис.2. Устройства для сжигания жидких и
твердых веществ с местным нагревом
горючего вещества за счет тепла пламени: а
- керосиновая /масляная/ лампа /лампада/, б
- стеариновая /парафиновая, восковая/
свеча. 1 - баночка с горючей жидкостью, 2 -
металлическая трубка, направляющая и
вертикально удерживающая фитиль и пред-
отвращающая проскок пламени к поверхно-
сти горючей жидкости, 3 - тканый хлопчато-
бумажный фитиль, 4 - коптящее пламя, 5 -
стеарин /парафин, воск/, 6 - хлопчатобумаж-
ная фитиль-нитка, 7- расплав стеарина, 8 -
некоптящее пламя.
Горение древесины
7
сгорания работают от воспламенения горючей смеси /от “принудитель-
ного поджига искрой”/, а дизельные двигатели на керосине /“солярке”/
работают от самовоспламенения горючей смеси при ее быстром само-
разогреве от механического сжатия в цилиндре двигателя.
В приборах освещения и в аппаратах отопления в целях безопасно-
сти используют местный нагрев керосина до температур воспламенения,
например, с помощью фитиля в керосиновых лампах /рис.2/. При этом
основной запас керосина сохраняется в относительно “безопасном”
холодном состоянии. Аналогичные явления происходят и в стеариновых
/или парафиновых/ свечах освещения, и в церковных лампадах на олив-
ковом /“деревянном”/ масле. Во всех этих случаях разогрев новых пор-
ций горючих жидкостей в фитиле до температуры воспламенения осу-
ществляется за счет тепла от пламени.
Таким образом, мы видим, какие сложные закономерности прихо-
дится учитывать при, казалось бы, простейших случаях воспламенения
керосина на открытом воздухе. А при воспламенении древесины эти
особенности еще более сложные. Поскольку горючих жидкостей, кото-
рые способны испаряться в виде паров, в исходных дровах нет - они
образуются лишь при нагреве поленьев.
1.1.2.	Строение и свойства древесины
Химический состав древесины различен в коре /лубе/, в сердцевине
/ядре/ и в промежуточных слоях /заболони/, причем в каждой зоне дре-
весина состоит из множества различных веществ [3]. Так, кора березы
содержит много смолистых веществ и считается сильнодымящей /из
нее раньше вырабатывали смазывающее вещество - деготь/. А забо-
лонь березы содержит мало смолистых веществ и считается слабоды-
мящей /из нее, в частности, изготавливают малозольные высокопори-
стые древесные угли для противогазов/.
Все деревья прирастают от камбия - тонкой зоны между заболонью
и лубом, где в период вегетации /весна - осень/ рождаются новые рас-
тительные клетки древесины, образуя годичные слои, видные на спиле
ствола. Эти растительные клетки имеют сильно удлиненную вдоль ство-
ла волоконноподобную форму /длиной 1-6 мм и диаметром в сто раз
меньшим/ и заполнены жидкой водосодержащей цитоплазмой /рис. 3/.
Между рядами клеток могут находиться разного рода включения, в том
числе смоляные ходы [4].
По мере взросления клетки “умирают” из-за возникновения боль-
шого количества “перфораций” - отверстий-дырочек в стенках клеток. В
8
Дровяные печи
Весна Лето Осень Весна
Рис.З. Упрощенное схема пористой структу-
ры древесины: 1 - клетки /в заболони - мертвые,
лишенные цитоплазмы поры/, 2 - микропори-
стые стенки /оболочки/ клеток, 3 - перфорации
/отверстия/ в микропористых стенках клеток, 4 -
ход влаги в трахеидах, 5 - рождающиеся в кам-
бии клетки.
результате в стволе образуются верти-
кальные сквозные каналы, так называе-
мые трахеиды /сосуды/, способные
подавать водные растворы от корня
дерева к листьям. При сушке древесины
вода из трахеид испаряется, и возни-
кают трубчатые пустоты /поры/, разде-
ленные материалом клеточных стенок.
Клеточные стенки состоят из проч-
ного на разрыв древесинного вещества,
формируемого целлюлозными фибри-
лами - пучками волокон из длинных
полимерных молекул целлюлозы.
Пространства между фибрилами заполнены гемицеллюлозой /корот-
кими цепями целлюлозы/, аморфным полимером-лигнином и влагой.
При сушке стенок клеток влага между фибрилами удаляется с образо-
ванием микроскопических пустот /микропор-микрокапилляров, как у
“промокашки”/. При этом древесина уменьшается в размерах /’’стяги-
вается”/, как говорят, ’’усушивается” /“дает усадку”/ преимущественно в
поперечном направлении [6].
В результате высушенная древесина приобретает воздушно-пори-
стую структуру типа “трубок с пористыми стенками”. Поэтому газопрони-
цаемость /и паропроницаемость/ высушенной древесины вдоль волокон
/вдоль ствола/ является намного более высокой, чем поперек волокон,
например, для сосны соответственно 0,32 и 0,06 мг/м.час.Па. Общая
пустотность /пористость/ сухой древесины может достигать 50 - 70%об.
Кажущаяся плотность абсолютно сухой сосны /отношение массы поле-
на на его объем во внешних габаритах/ составляет 300 - 700 кг/мЗ /в
среднем 500 кг/мЗ/, а березы 500 - 700 кг/мЗ /в среднем 630 кг/мЗ/.
Истинная же плотность /пикнометрическая/ материала абсолютно сухо-
го древесинного вещества клеточных стенок практически одинакова для
всех пород древесины 1540 кг/мЗ [5].
Горение древесины
9
Микропоры /микрокапилляры/ древесинного вещества клеточных
стенок способны конденсировать пары воды непосредственно из воз-
духа /из-за повышенной температуры кипения воды в микрокапилля-
рах/. Такое свойство “высасывать” влагу из воздуха называется гигроско-
пичностью. В результате, если при сушке поверхность непористого
материала /например, стали или мрамора/ становится совершенно
сухой, то “высушенная” гигроскопическая древесина может сохранить
некоторую конкретную равновесную влажность [6]. При снижении отно-
сительной влажности воздуха или при повышении температуры равно-
весная /то есть рано или поздно устанавливающаяся/ влажность дре-
весины снижается /рис. 4-6/.
Гигроскопическая влажность древесины полностью обратима и
изменяется /пусть и медленно/ с изменением относительной влажно-
сти воздуха в соответствии с вышеприведенными кривыми равновес-
ной влажности. Так, высушенная на улице древесина будет дополни-
тельно высыхать при перемещении в отапливаемое помещение/с усуш-
кой - уменьшением размеров/ и, наоборот, высушенная в помещении
древесина будет увлажняться при перемещении на улицу/с разбухани-
ем/. Отметим, что пропарка в чистом водяном паре/при 100°С и 100%-
ной влажности воздуха/ приводит к сушке сырой древесины до относи-
тельной влажности около 20%.
Под относительной влажностью древесины w будем понимать отношение массы
влаги в древесине к массе абсолютно сухой древесины /подчеркиваем потому, что в лите-
ратуре имеется также и другое определение относительной влажности древесины W как
отношение массы влаги в древесине к общей массе сырой древесины/.
Под относительной влажностью воздуха будем понимать отношение парциального
давления водяных паров в воздухе к давлению насыщенных паров воды при заданной
Рис.4. Равновесная влажность древеси-
ны. Графики показывают температурную
зависимость относительной влажности воз-
духа в условиях равновесия воздуха с дре-
весиной определенной влажности. Цифры
на кривых - численные значения равновес-
ной относительной влажности древесины.
Пунктирная кривая соответствует банному
хомотермальному климату с абсолютной
влажностью воздуха 50 г/м^ /то есть точкой
росы воздуха 40°С/.
10
Дровяные печи
Рис.5. Равновесная влажность древе-
сины. Графики показывают, как изме-
няется равновесная относительная
влажность древесины при изменении
относительной влажности воздуха при
различных температурах. Цифры на кри-
вых - численные значения температуры
воздуха, равной температуре дров.
температуре /рис.7/. Величина относи-
тельной влажности воздуха удобна тем,
что легко измеряется простыми прибора-
ми с гигроскопической нитью, удлиняю-
щейся при увлажнении.
Древесина с водой, размещенной
только в клеточных стенках, называется
влажной /хотя на вид она может казаться
сухой/. Такая древесина является гигро-
скопической. Вода внутри клеточных сте-
нок называется “влагой”. Полное насыще-
ние влагой микрокапилляров клеточных
стенок достигается при относительной влажности древесины около 30%.
Древесина с наличием воды внутри клеток/трахеид/ называется сырой. А сама вода
в клетках /в трахеидах/ условно называется “сыростью”.
Древесина же с полностью насыщенными водой внутренними порами и с наличием
воды на своей поверхности называется мокрой. Соответственно, вода на поверхности
древесины условно называется “мокротой”.
Для ориентировки напомним, что относительная влажность свеже-
срубленной древесины составляет 50-100%. Древесина, высушенная
“на улице”, имеет равновесную относительную влажность 15-30%
/атмосферно-сухая товарная древесина/. При сушке в жилом помещении
древесина приобретает относительную влажность 8-15% /комнатно-
сухая строительная древесина/, а при сушке в термокамере 4-8%
/мебельно сухая древесина/. Мебельно-сухая древесина может стать
атмосферно-сухой при перемещении на улицу/и наоборот/.
В то же время, древесина, выдержанная долгое время в воде, набу-
хает до влажности 260% и более /топляк/, приобретает со временем
особые необратимые свойства /мореная древесина/, частности, высокую
твердость из-за модификации смол. А прогретая водяным паром до 200-
240°С /паростабилизированная/ или вываренная под давлением
Горение древесины
11
Рис.6. Равновесная влажность древесины.
Графики показывают, как изменяется равно-
весная относительная влажность древесины
при изменении температуры при различных
относительных влажностях воздуха. Цифры
на кривых - численные значения относитель-
ных влажностей воздуха.
/например, в креозоте/ древесина
становится “неживой”, то есть
необратимо превращается в некую
“пластмассу” /сохраняющую струк-
туру полисахарида/, обладающую
низкой гигроскопичностью, не под-
верженную, в частности, биологиче-
скому гниению /видимо, из-за разру-
шения гемицеллюлоз/.
Отметим, что численные значе-
ния теплофизических свойств дре-
весины сильно разнятся в различ-
Температура, °C
ных литературных источниках ввиду натуральности материала и могут
отклоняться от стандартизованных величин по СП 23-101-2000
“Проектирование тепловой защиты зданий”. Удельная теплоемкость
древесины не зависит от породы деревьев и при 20°С составляет 1,8-
2,0 кДж/кг.град для сухой и 2,6 - 3,0 кДж/кг.град для свежесрубленной
древесины. Теплопроводность
древесины зависит от породы
деревьев и увеличивается с повы-
шением кажущейся плотности дре-
весины. Для сосны при 20°С теп-
лопроводность поперек волокон
составляет 0,15 - 0,19 Вт/м.град
для сухой древесины и 0,28 - 0,33
Вт/м.град для свежесрубленной
древесины, 0,29 Вт/м.град для
сухой древесины вдоль волокон.
Рис.7. Давление насыщенных паров
воды при различных температурах.
12
Дровяные печи
Относительная Влажность древесины, %
Рис.8. Снижение теплотворной спо-
собности /’’калорийности”/ древесины
при повышении ее относительной влаж-
ности w /понимаемой как отношение
массы влаги в древесине к массе абсо-
лютно сухой древесины/. Пунктирными
горизонтальными прямыми указаны стан-
дартизованные значения теплотворной
способности дров по ГОСТ 12.1.044-89
“Пожароопасность веществ и материа-
лов” /отвечающие влажности дров 30%/
и ГОСТ 9817-95 “Аппараты бытовые,
работающие на твердом топливе” /отве-
чающие влажности дров 70%/.
Коэффициент линейного термического расширения абсолютно
сухой древесины вдоль волокон составляет (2,5 - 5,4)10"6 град-1, а
поперек волокон на порядок выше [5].
Теплотворная способность при сгорании в воздухе абсолютно сухой
древесины различных пород практически одинакова 4500 ккал/кг =
18900 кДж/кг = 5,2 кВт.час/кг /при отсутствии конденсации водяных
паров/ и 4800 ккал/кг = 20160 кДж/кг = 5,6 кВт.час/кг /при конденсации
водяных паров/. Теплотворная способность древесного топлива сильно
зависит от относительной влажности конкретных дров /рис. 8/.
1.1.3.	Химический состав древесины
Элементный массовый состав абсолютно сухой древесины /абсо-
лютно сухого древесинного вещества оболочек клеток/ всех пород дре-
весины примерно одинаков: углерод 49-50%, кислород 42-44%, водород
6-7%, неорганическая часть 0.1-2% /зола, состоящая из окислов калия,
кальция, натрия, магния, кремния и т.п./. Древесина содержит также 0,1
-1% связанного азота - именно такой “древесинный” азот может обра-
зовывать вредные выбросы окислов азота при газификации и горении
древесины /атмосферный азот во взаимодействие с кислородом при
печных температурах не вступает/.
Перечисленные химические элементы создают в древесине три
основные группы химических соединений типа натуральных полиме-
ров: целлюлозу 39-58%, гемицеллюлозу 15-38% и лигнин 17-34% /и
до нескольких процентов восков, смол, таннинов, жиров, эфирных
масел, которые не оказывают заметного влияния на печные явления/.
Горение древесины 13
Целлюлозные вещества являются волоконнообразующим материа-
лом клеток, придают гибкость древесине и прочность на разрыв.
Напомним, что хлопок представляет собой фактически чистую целлю-
лозу. Целлюлозы представляют собой линейные полимеры-полисаха-
риды с гибкой цепной структурой. Полисахариды относятся к углево-
дам, то есть формально их состав можно описать суммой углерода С и
воды Н2О /рис. 9/. Так, формальная формула целлюлозы имеет вид
[Сб(Н2О)б]т при длине цепи порядка т = 10000.
Формальная формула гемицеллюлозы складывается из звеньев
“пентозной” и “гексозной” составляющих полимера [С5(Н2О)4]П +
[Сб(Н2О)б]к  Длины цепей гемицеллюлоз пик достигают 200.
Плотности целлюлоз и гемицеллюлоз порядка 1500-1600 кг/мЗ.
Лигнин - аморфный полимер ароматической природы, волокон не
образует. Плотность лигнина 1250-1450 кг/мЗ. Лигнин образуется в обо-
лочках клеток позднее /через несколько дней после образования и отде-
ления клетки от камбия/ и придает растительной ткани наземной флоры
свойства твердости, упругости и фиксации формы /явления одревесне-
ния/. Так, если молодую ветку намотать на палку и вынудить ее расти в
таком состоянии, то ствол ветки постепенно затвердеет и зафиксиру-
ется лигнином в форме спирали навсегда. Водоросли же, мхи и грибы
лигнина не содержат.
Считается, что термолиз древесины начинается с разрушения геми-
целлюлоз /из-за высокой дефектности коротких полимерных цепей/, а
именно с пентозных частей гемицеллюлоз /рис. 9/. При этом древесина
начинает буреть уже при 160-180°С. Поэтому специальное удаление
химически нестойких гемицеллюлоз может заметно повышать огне-
стойкость древесины.
Целлюлоза же начинает разлагаться /буреет/ при 220-240°С, поэто-
му утюги для целлюлозных хлопчатобумажных тканей и регулируют на
Рис.9. Химическая структура основных компонентов древесины.
14
Дровяные печи
эти температуры. При 275°С целлюлоза начинает саморазогреваться за
счет экзотермического распада и в больших массах может самовос-
пламениться. При 400-450°С образуется целлюлозный уголь.
Лигнин, обладая ароматическим строением, более устойчив к тер-
молизу, чем целлюлоза и начинает разлагаться лишь при 350-450°С.
Продукты термолиза лигнина содержат большое количество смол.
Выделяющиеся газы состоят из СО (до 50%), из метана (до 38%) и из
СО2 (около 10%). Лигнин образует в полтора раза больше углей и в два
раза больше смол, чем целлюлоза [5].
1.1.4.	Термическое разложение древесины
При нагреве без доступа воздуха происходит термическое разруше-
ние древесины /термолиз, пиролиз/ с выходом разнообразных паров и
газов /так называемых “летучих”/. Такой процесс в лесохимических про-
изводствах называется “сухой перегонкой”.
Сухая перегонка древесины осуществляется в обогреваемых ретор-
тах/рис. 10/. Сначала при 100-150°С из древесины испаряется свобод-
ная /из объема клеток/, а затем и гигроскопическая /из стенок клеток/
вода. Затем при 150-275°С постепенно начинается разложение древе-
сины с потреблением тепла и выделением водных растворов органи-
ческих кислот, спиртов, ацетона, а также газов двуокиси углерода С©2
/углекислого газа/ и окиси углерода СО /угарного газа/ в соотношении
примерно 2 : 1.
При температурах 275-450°С происходят главные реакции распада
веществ древесины, причем с бурным выделением теплоты /с самора-
зогревом древесины/. При этом содержания СО2 и СО снижаются,
появляются водород и углеводороды в виде фенолов, смол и масел и
т.п. Наконец, при температурах 450-500°С происходит последняя стадия
термолиза с выделением газообразных углеводородов и водорода, тре-
бующая подвода тепла извне и заканчивающаяся образованием дре-
весного угля [7].
Выход газов, жижки и углей на производстве обычно составляет
соответственно по массе 15%, 52%, 33% для березы и 18%, 44%,
38% для сосны [7].
Жижка разделяется на верхний “водный слой” /растворы уксусной
кислоты, метилового спирта, ацетона и др./ и нижний “смоляной слой”,
из которого производят, в частности, деготь - смазочное вещество, крео-
зот - антисептик для железнодорожных шпал, а также компоненты угле-
водородных топлив и растворители, грубо говоря, типа скипидара.
Горение древесины
15
Рис.10. Прибор для изучения сухой пере-
гонки /термолиза/ древесины: 1 - образец
измельченной древесины, 2 - реторта /про-
бирка/, 3- газовая горелка, 4 - штатив, 5 -
держатель реторты, 6 - трубка для отвода
паров и газов, 7 - пробирка-холодильник для
сбора конденсата, 8 - хладоагент /вода со
льдом/, 9 - отвод газов на химанализ.
8
Приведем для сведения состав химиче-
ских веществ, получаемых при сухой пере-
гонке абсолютно сухой древесины и ее компонентов в % масс:
Продукты сухой перегонки	Береза	Сосна	Целлюлоза	Лигнин
	сухая	сухая	сосны	сосны
Уголь древесный	34,6	41,1	36,9	50,6
Газы:	СО2	10,8	11,0	12,8	1,70
с2н4	0,21	0,25	0,21	0,40
СО	3,61	4,07	3,40	9,40
сн4	0,59	0,64	0,27	6,90
Метиловый спирт	1,74	0,96	следы	0,90
Ацетон	0,21	0,20	0,08	0,20
Метилацетат	0,02	0,01	следы	следы
Уксусная кислота	7,70	3,80	2,18	1,10
Смола /деготь/	8,62	12,8	4,85	13,0
Прочие органические вещества	8,86	8,72	4,22	-
Вода	21,5	15,5	34,1	15,8
Взятая для этих опытов древесина содержала 7-9% влаги [8]. Поэтому для таблицы
был произведен соответствующий арифметический пересчет на абсолютно сухую дре-
весину в предположении отсутствия реакций компонентов древесины с водяными пара-
ми при температурах ниже 200°С /хотя это и не совсем корректно/. Тем не менее, в
результате сухой перегонки выделилось до 22% воды. Так что даже абсолютно сухая
древесина образует при термолизе воду в ходе химических реакций разложения древе-
сины. А вода, в свою очередь, способствует перегонке органических веществ. Отметим,
что целлюлоза и лигнин выделялись из древесины сосны химически, так что могли отли-
чаться по составу от натуральных компонентов в древесине [9].
По другим данным, неконденсирующиеся газы содержат в среднем за процесс 43 -
46% СО2, 29 - 33% СО, 1,9 - 2,3% водорода, 2,2 - 3,7% непредельных углеводородов,
17 - 22% метановых углеводородов [4].
16
Дровяные печи
Фракционный состав продуктов сухой перегонки сосновой древесины [10]:
Фракция 150-200°С 200-280ОС 280-380ОС 380-500ОС 500-700ОС 700-900ОС
Содержание
углерода в
угле, % масс	60	68	81	84	84	91
Газы: С©2	68	66,5	35,5	31,5	12,2	0,4
СО	30,5	30	20,5	12,3	24,5	9,6
Н2	0	0,3	5,5	7,5	42,7	80,7
CkHn	2	3,3	36,5	48,7	20,4	8,7
Конденсат	вода	вода	спирты	масла	смолы	мало
/условно/		уксус	масла	смолы	парафины	
Калорийность						
газа, кДж/мЗ	4,61	5,07	16,42	20,03	15,21	13,24
При сухой перегонке всегда образуются древесные угли в количе-
стве до 35-45% от массы абсолютно сухой древесины. Поэтому процесс
сухой перегонки иногда называют “углежжением” /’’углевыжиганием’7.
Уголь, образующийся при сухой перегонке до 500°С содержит до
25% примесей кислорода, водорода и азота, так что при дополнительном
прокаливании можно выделить из такого “угля” еще до 35-40% летучих
от массы угля. При ведении процесса углежжения при более высоких
температурах можно существенно снизить примеси в углях. Так, при
сухой перегонке в окислительной среде при 600°С в печах или засы-
панных тлеющих кострах / по-существу, в газогенераторах, см. далее/
количество летучих в углях можно снизить до 5-10%, но за счет умень-
шения выхода углей до 30%, а при применении подачи влаги до 20%.
Рис.11. Аппарат для сухой перегонки древе-
сины /углежжения/: 1 - закладка древесины /в
виде дров по ГОСТ 3243-88 из пород древесины
для углежжения по ГОСТ 24260-80, дровяных
отходов по ГОСТ 23827-79 или горбыля-тонко-
мера по ГОСТ 18288-87/, 2 - корпус реактора
стальной /бочка/, 3 - герметично закрывающаяся
крышка, 4 - отвод горючих газов и паров, 5 -
трубчатая газовая горелка для сжигания горю-
чих газов и паров в целях нагрева корпуса реак-
тора, 6 - ножки реактора. Запуск аппарата осу-
ществляется первичным прогревом реактора
снизу факелом или костром.
Горение древесины
17
Напомним, что в соответствии с ГОСТ 6382-2001 “Топливо твердое
минеральное. Методы определения выхода летучих веществ” (ISO 562)
твердые топлива проверяются на выход летучих при прокаливании
образца до 900°С в муфельных печах. При такой методике выход лету-
чих из древесины составляет порядка 85% от массы абсолютно сухого
образца, а выход твердого остатка в виде древесных углей соответ-
ственно порядка 15%, включая золу. Древесная зола /пепел/ не летуча,
имеет температуру плавления 1200-1400°С.
В ряде случаев /например, при использовании в газогенераторных
автомобилях/ важную роль играет прочность образующегося древесно-
го угля /чтобы он не крошился при тряске автомобиля/. Наиболее твер-
дый древесный уголь дают твердые породы деревьев /береза, бук, граб,
ясень, клен, лиственница/. Относительная прочность древесного угля
от мягких пород деревьев заметно более низкая - например, от березы
1,00, сосны 0,58, осины 0,46, ели 0,43, пихты 0,39. Низкопрочный дре-
весный уголь крошится при шуровке и повышает газодинамическое
сопротивление колосниковой решетки топки.
1.1.5.	Газификация древесины и углей
Вышеописанный процесс “сухой перегонки” осуществляется в нагре-
ваемых беспроточных реакторах-ретортах типа перегонного куба /баках
с водоохлаждаемым конденсатором-холодильником/, в том числе с
целью углежжения с использованием нагрева от сжигания горючих газов
термолиза /рис. 11/. В лесохимии практикуют и другие виды перегонки
древесины, например, в условиях протока газов через реторту - в окис-
лительной среде воздуха или в восстановительной среде углеводородов.
При этом состав продуктов перегонки, естественно, изменяется [8].
Для печников практический интерес представляет перегонка древе-
сины при непрерывной подаче в реторту воздуха. Дело в том, что при
температурах выше 275-450°С начинается интенсивный саморазогрев
древесины за счет разложения целлюлозы. При наличии кислорода про-
дукты термолиза древесины могут воспламеняться.
Напомним, что воспламенение - это не просто быстрое окисление.
Воспламенение - это скачкообразный “разгон” скорости окисления за
счет резкого саморазогрева окисляемой древесины с температур 275-
450°С до температур горения /см. далее разделы 1.2 и 1.3/.
Воспламенение создает условия для горения - для процесса сверхбы-
строго протекания реакций окисления с большой мощностью выделе-
ния тепла, что обеспечивает самоподдерживаемое термическое раз-
18
Дровяные печи
Рис.12. Результат термодинамиче-
ского расчета состава продуктов реак-
ции С+СС>2=2СО над углеродом.
Сплошная кривая - по исходным дан-
ным [14], черные точки [8], крестики
[15], наклонные крестики [16]. Здесь и
далее р(СО) и р(СС>2) - парциальные
давления компонентов смеси СО и
СО2 соответственно.
ложение древесины. Фактически
мы имеем процесс термолиза в
реторте за счет тепла от сжигания
отходящих газов /рис. 11/, но при
сжигании газов внутри самой реторты.
Такие термолизные аппараты с протоком воздуха называются газо-
генераторами. Главной потребительской особенностью газогенерато-
ров является то, что можно реализовать режимы полной газификации
древесины с переводом всего углерода в горючие газы [11]. Это дости-
гается тем, что наряду с реакцией полного окисления углерода в дву-
окись углерода С + 02 = СО2 + 393 кДж/моль идет реакция неполного
окисления углерода С + 0,5 О2 = СО + 114 кДж/моль с получением так
называемого “суховоздушного газа” /смеси окиси и двуокиси углерода с
азотом/. Здесь и далее теплоты реакций приводим по стандарту [14].
Вообще говоря, эксперименты по окислению графита /кристалличе-
ского углерода/ в вакууме показали, что первичным продуктом окисле-
ния углерода является твердый углеродно-кислородный комплекс СхОу,
который затем распадается на окись углерода СО и двуокись углерода
СО2 по реакции ЗС + 202 = 2СО + СО2 [12]. Но на практике объемное
соотношение СО/СО2, равное 2,
практически никогда не реализу-
ется, во-первых, из-за окисления
окиси углерода СО + 0,5 02 =
СО2 + 279 кДж/моль, а во-вторых,
из-за восстановления двуокиси
Рис.13. Темп восстановления двуоки-
си углерода СО2 над углем в ходе реак-
ции С+СО2=2СО при различных темпе-
ратурах при общем давлении газовой
фазы р(СО)+р(СО2)=1атм [8].
Горение древесины
19
Рис. 14. Результат термодинамического
расчета состава продуктов реакции угле-
рода с водяными парами по исходным
данным [14]. Без учета образования СО2-
углерода свободным углеродом С
+ СО2 = 2СО -165 кДж/моль.
Для оценки топочных явлений
часто руководствуются термодина-
мическим расчетом состава сме-
сей СО и СО2 над углеродом
/рис. 12/. Получающийся равновес-
ный состав бескислородной среды
СО+СО2 над углеродом отвечает бесконечно долгому контакту реаген-
тов [13-16]. Расчет различных авторов показывает, что реакция восста-
новления двуокиси углерода углеродом может начинаться термодина-
мически уже при 500°С. При 900°С и выше весь окисленный углерод/в
бескислородной среде над углеродом при атмосферном давлении/
находится в виде окиси углерода /рис. 12/. В реальных топливных про-
цессах сумма парциальных давлений СО2 и СО всегда существенно
меньше единицы. Поэтому относительный выход СО следует ожидать
еще более высоким, поскольку детальное термодинамическое равно-
весие p(CO2)=Ki(T)p2(CO) при снижении парциальных давлений ком-
понентов сдвигается в сторону образования СО /здесь Ki (Т) - табличное
значение константы термодинамического равновесия реакции/.
При этом следует иметь в виду,
над углем не велика /рис. 13/.
Сама же молекула СО при низких
температурах вполне устойчива
химически. Так, реакция окисле-
ния окиси углерода СО + О2 даже
при 700°С идет только в присут-
ствии катализатора или хотя бы
следовых количеств влаги.
Рис. 15. Результат термодинамического
расчета состава продуктов реакции угле-
рода с водяными парами по исходным
данным [14]. С учетом образования СО2-
что скорость конверсии СО2 в СО
20
Дровяные печи
Рис. 16. Схема газогенератора с прямым про-
цессом газификации [8] : 1 - корпус-бункер, 2 -
подача воздуха вентилятором /компрессором/
розжига, 3 - зольник, 4 - решетка колосниковая,
5 - вывод генераторного газа потребителю, 6 -
зона горения, 7 - зона восстановления, 8 - зона
сухой перегонки, 9 - зона подсушки, 10 - герме-
тично закрывающаяся крышка. Аппарат рабо-
тает на кусковом древесном угле или на дре-
весных чурках, изображенных на рисунке раз-
ного размера для наглядности условного раз-
деления всей топливной закладки на техноло-
гические зоны горения, перегонки и подсушки.
Часто зону горения и зону восстановления
условно объединяют в единую, так называе-
мую “активную зону”, формирующую состав
окислов углерода.
Огромную роль в процессах газифи-
кации углей играет реакция восстанов-
ления воды над углем с образованим
так называемого “водяного газа” /син-
тез-газа/ по формуле С + Н2О = СО +
Н2 - 125 кДж/моль. Эта реакция также
требует затрат тепла, но зато может
преобразовывать пассивную воду в горючий газ [17]. Расчет показыва-
ет, что образование окиси углерода СО термодинамически может начи-
наться уже при 400°С, то есть на 100°С ниже, чем при реакции угля с
СО2 /рис. 14/. При реальных парциальных давлениях водяных паров
/много меньших одной атмосферы/ степень конверсии воды в окись
углерода еще выше /как и в случае реакции С + СО2/, поскольку
р(Н2О)=К2(Т)р2(СО). Тем не менее, и эта реакция идет также значи-
тельно медленнее, чем реакции окисления.
Параллельно идет реакция окисления окиси углерода водой СО +
Н2О = СО2 + Н2 + 40 кДж/моль. С учетом этой реакции концентрация
водорода Н2 существенно повышается /рис. 15/.
1.1.6.	Газогенерация
Процессы окислительной газификации древесины ранее широко
использовались в промышленности для получения горючих газов в
металлургии, химии и даже на автомобильном транспорте.
Горение древесины
21
Схема простейшего газогенератора /с “прямым процессом газифи-
кации”/ приведена на рис.16. На решетку 4 цилиндрического аппарата 1
насыпают древесный уголь и поджигают его древесной растопкой /на
решетке 4 или снизу из зольной камеры 3/ или факелом снаружи, или
пламенем газовой горелки под решеткой. На хорошо разгоревшийся
уголь через люк 10 загружают слой древесного угля 7, а затем закла-
дывают до верха аппарата деревянные чурки длиной 40-70 мм, толщи-
ной и шириной 30-60 мм по ГОСТ 2720-44 “Топливо древесное для газо-
генераторных автомашин и тракторов”. Крышку аппарата 10 плотно
закрывают и нагнетают в аппарат воздух 2 вентилятором /или впослед-
ствии после выхода генератора на режим высасывают газы 5 потреби-
телем - газогенераторным автодвигателем внутреннего сгорания/. В
токе воздуха /”в дутье”/ развивается зона горения 6 толщиной 30-50 мм,
где образуется смесь СО+СО2- Температуры в этой зоне горения дости-
гают 1300-1700°С. Выше в обуглившемся слое 7 происходит восста-
новление СО2 до СО. В зоне восстановления реакции идут с поглоще-
нием тепла, поэтому температура в зоне восстановления понижается
до 700-900°С. Выше зоны восстановления 7 располагаются зона сухой
перегонки 8 и зона подсушки древесины 9, которые обогреваются теплом
газов из обугленной зоны восстановления 7. Температура в зоне сухой
перегонки составляет 450-150°С, в зоне подсушки 150-100°С [8].
Наиболее ценный генераторный газ образуется в зоне восстановле-
ния. В этот газ подмешиваются влага и летучие продукты /включая
смолы/ из верхних зон. В результате, из такого генераторного газа в газо-
проводах и всасывающей системе двигателя может выделяться смоли-
стый водный конденсат, нарушающий работу двигательной установки.
Поэтому такую схему газогенератора / с “прямой газификацией”/ исполь-
зуют только для газификации малосмолистых каменных углей.
А при газификации древесины для двигателей внутреннего сгорания
используют газогенераторы с “обращенным процессом газификации”
/рис. 17/. На решетку 1 насыпают слой древесного угля 7, на котором
растопкой формируют зону горения 6, после чего аппарат заполняют
доверху деревянными чурками. Крышку аппарата плотно закрывают, и
через штуцеры 5 подают воздух /’’дутье”/ вентилятором розжига.
Сначала из газогенератора через штуцер 2 выходит “суховоздушный”
генераторный газ CO+CO2+N2, образующийся от горения древесного
угля в зоне 6 и от восстановления в зоне 7. Затем по мере прогрева
аппарата начинается сухая перегонка древесины в зоне 8 и подсушка
древесины в зоне 9. Продукты сухой перегонки и водяной пар от под-
сушки древесины проходят под собственным избыточным давлением
22
Дровяные печи
Рис.17. Схема газогенератора с обращен-
ным процессом газификации [8]: 1 - корпус-
бункер, 2 - вывод газогенераторного газа
потребителю, 3 - зольник, 4 - решетка колос-
никовая, 5 - подача воздуха вентилятором
/компрессором/ розжига, 6 - зона горения, 7 -
зона восстановления, 8 - зона сухой перегон-
ки, 9 - зона подсушки, 10 - герметично закры-
вающаяся крышка.
через зону горения 6, где пары масел и
смол подвергаются вторичному термо-
лизу - разрушению на углерод /сажу/ и
водород, а водяной пар газифицирует
древесные угли и сажу по химической
реакции типа С+Н2О=СО+СО2+Н2-
Поскольку летучие продукты термо-
лиза древесины и влага топлива в
таком “обращенном” аппарате не могут
выйти из газогенератора, минуя актив-
ную зону горения, поступающий потре-
бителю генераторный газ 2, как прави-
ло, не содержит значительного количе-
ства смол и влаги. Такой генераторный
газ из деревянных чурок влажностью 20% имеет следующий пример-
ный состав /в % по объему/: водород 16,1%, двуокись углерода 9,2%,
окись углерода 20,9%, метан 2,3%, непредельные углеводороды /без
смол/0,2%, кислород 1,6%, азот 49,7%. При этом на 1 м3 генераторно-
го газа приходится влаги 97 г, пыли 3,5 г, смол 0,5 г [8].
Отметим, однако, что состав генераторного газа сильно /и порой
неожиданно/ зависит от множества параметров /типа аппарата, вида
топлива, режима дутья и температуры в активной зоне и т.д./ и может
существенно изменяться во времени даже на одном и том же аппарате.
Так, например, при увеличении скорости дутья, как правило, повыша-
ется теплотворная способность генераторного газа из-за увеличения
выхода окиси углерода СО при повышении температуры в зоне горения
/за счет известного в быту “раздувания огня потоком воздуха”/. Такой
процесс происходит и между горящими поленьями в дровяных печах.
Для описания процесса газогенерации вместо понятия “скорости
дутья” иногда вводится понятие “интенсивности газификации” или
“напряженности горения” как скорости выгорания /газификации/древе-
Горение древесины
23
сины на единице площади поперечного сечения газогенератора. По
сути, напряженность горения пропорциональна скорости подачи /рас-
ходу/ воздуха - интенсивности дутья. Чем больше напряженность горе-
ния - тем выше температура, тем больше выход СО, тем меньше кон-
центрация азота в генераторном газе и тем выше его теплотворная спо-
собность/рис. 18/, но до известного предела /рис. 19/.
В качестве иллюстрации процессов, происходящих в активной зоне
/в зонах горения и восстановления/ газогенераторов прямой газифика-
ции приведем распределение концентраций компонентов генераторно-
го газа по высоте слоя на решетке /рис.20/. Вначале, непосредственно
у решетки, наблюдается преимущественное накопление двуокиси угле-
рода СО2, которая затем постепенно по мере продвижения вверх вос-
станавливается углем до окиси углерода СО. Процесс восстановления
двуокиси углерода углем при температурах ниже 900°С практически
прекращается. Свободный водород появляется лишь в верхних слоях
активной зоны при уже пониженных температурах, что может свиде-
тельствовать о низкой скорости реакции газификации угля парами воды.
1.1.7.	Дровяная печь как газогенератор
Мы уделили столь большое вни-
мание процессам в газогенерато-
рах потому, что такие же процессы
происходят и в обычных бытовых
дровяных печах. Ведь пламена в
печах - это по-существу горящие
струи генераторных газов, истекаю-
щих из горящих дров /рис.21/.
Если в газогенераторе с прямым
процессом газификации поджечь
генераторные газы над деревянны-
ми чурками при открытой крышке
Рис. 18. Изменение состава генератор-
ного газа и его теплотворной способности в
зависимости от интенсивности газифика-
ции антрацита с подачей водяного пара в
количестве 40% от расхода топлива при
работе газогенератора с прямым процес-
сом газификации [8].
Напряженность еорения, ка/м^час
24
Дровяные печи
Рис.19. Изменение состава генератор-
ного газа, получаемого при прямом про-
цессе газификации древесного угля в
газогенераторе с малой длиной активной
зоны 225 мм в зависимости от скорости
дутья [8].
10, то получим фактически топ-
ливник печи, работающий на при-
нудительном дутье воздуха через
зольник 3 и решетку 1 /рис. 16/.
При этом воздух, нагнетаемый в
газогенератор под решетку, можно
называть первичным /основным/,
а воздух, подаваемый для сжига-
ния генераторного газа над чурка-
ми, можно называть вторичным
/дополнительным/.
Точно также, и в бытовой дро-
вяной печи будем называть воз-
дух под решетку первичным воз-
духом ПВ. А воздух, направляемый на сжигание газов над дровами,
будем называть вторичным воздухом ВВ1 или ВВ2/рис.21/.
Основное отличие печи от газогенератора заключается в том, что в
бытовых печах в качестве нагнетателя воздуха используется не венти-
лятор с высоким напором 500-2000 Па /50 -200 мм вод.ст./, а дымовая
труба с тягой всего 10-30 Па /1 -3 мм вод.ст./. Расходы же воздуха при-
мерно одинаковы 50-300 мЗ/час. Поэтому вместо высоких загрузочных
слоев углей и древесных чурок, имеющих высокое газодинамическое
сопротивление, используются тонкие слои 100 - 500 мм крупных по раз-
меру дров /и углей/ с малым газодинамическим сопротивлением.
В этих условиях возникает значительный “проскок” первичного воз-
духа через слой горящих дров. Кислород воздуха просто не успевает
полностью прореагировать внутри закладки горящих дров. При этом
генераторный газ выходит из закладки дров в виде струй, горящих в
остаточном кислороде воздуха /то есть в виде языков пламени над дро-
вами/. В этих условиях вторичный воздух может оказаться излишним.
Аналогично, можно превратить в бытовую дровяную печь и газоге-
нератор с обращенным процессом газификации /рис. 17/. В частности
это реализуется в бытовых металлических котлах/для нагрева оборот-
Горение древесины
25
ной воды систем отопления зданий/ так называемого пиролизного типа
/рис.22/. Сначала разжигают растопку на решетке 2 при открытой двер-
це 3 и при открытой задвижке прямого хода 5, затем загружают дрова 4,
включают электровентиляторы 6, закрывают дверку бункера 3 и задвиж-
ку 5. Разгорающиеся /в токе первичного воздуха ПВ/ угли на решетке 2
нагревают дрова 4 и газифицируют их. Горючие газы проходят через
слой раскаленных углей на решетке 2 и сгорают в нижней камере в виде
пламени 8 в токе вторичного воздуха ВВ.
Для этой схемы тяги трубы обычно не хватает, поэтому приходится
использовать вентиляторы для нагнетания воздуха в бункер и нижнюю
камеру сгорания. Поэтому эта схема для обычных “дачно-деревенских”
печей “без электричества” подходит мало, хотя и может быть доработана
в определенных условиях.
В дровяных печах /также как и в газогенераторах/ большую роль
может играть проход летучих продуктов термолиза древесины через
пламя или слои раскаленных углей
молиза продуктов первичной гази-
фикации. Действительно, при
горении дров в топке печи продук-
ты термической газификации дре-
весины фильтруются из глубины
поленьев наружу через слой рас-
каленного угля и разлагаются
сначала в восстановительной
среде углерода, а затем дополни-
тельно разрушаются в окислитель-
ной среде пламени при выходе из
обугленного слоя древесины. Тем
самым, в частности, существенно
снижается дымление при горении
дров /см. далее в разделе 1.3.6/.
Рис.20. Состав газа и температура в
активной зоне /в зонах горения и восста-
новления/ стационарного газогенератора
с прямым процессом газификации на
влажном антраците [8]. Вертикальная
стрелка указывает примерный момент
прекращения восстановления двуокиси
углерода СО2 углеродом углей.
с осуществлением вторичного тер-
1200
Расстояние от решетки, мм
26
Дровяные печи
1.2.	Воспламенение древесины
Для древесины, также как и для керосина, справедлив принцин
“сначала нагреть - потом поджечь”. Действительно, прежде, чем вос-
пламениться, полено в печи должно разогреться за счет “растопки” -
первичной закладки лучины и/или за счет углей и пламени предыдущей
закладки дров и/или за счет теплового излучения стенок топки.
На практике нагрев поленьев в топке происходит как бы автомати-
чески без участия печника. Поэтому печники редко интересуются меха-
низмами воспламенения древесины при розжиге дров. Не загорелось от
растопки - значит надо вновь заложить еще одну растопку, теперь уже
с большим количеством лучины. Только и всего.
Тем не менее обсуждение вопросов воспламенения чрезвычайно
важно, поскольку само горение дров является по-существу процессом
воспламенения все новых и новых зон поленьев или других поленьев.
1.2.1.	Температурный фактор
Для первичной оценки необходимых условий для воспламенения
древесины, возьмем образец древесины 4 и станем нагревать его лучи-
стым теплом 3 от мощной радиационной панели - лампы накаливания
1 с рефлектором 2 /рис. 23/. Непосредственно около древесины /но не
нагревая ее/ установим
постоянно горящую газовую горелку 6.
Отодвигая или приближая радиационную
панель от образца древесины, найдем теп-
ловой поток, при котором от газовой горел-
ки начинают воспламеняться летучие про-
дукты термолиза древесины 5. В соответ-
ствии с такими замерами по ГОСТ 30402-96
“Материалы строительные. Метод испыта-
ний на воспламеняемость” (ISO 5657), вос-
пламенение летучих происходит при удель-
Рис.21. Пламя в печи как горение струй горючих
газов - летучих продуктов прямого процесса гази-
фикации древесины. ПВ - первичный воздух, посту-
пающий через колосниковую решетку для горения
углей. BB1 и BB2 - вторичный воздух, подаваемый
разными способами для горения горючих газов,
выделяющихся из древесины, нагреваемой углями.
Горение древесины
27
Рис.22. Пламя под решеткой пиролизной топки как
горение струй горючих газов - летучих продуктов
обращенного процесса газификации древесины. ПВ
- первичный воздух для горения и газификации дре-
весины. ВВ - вторичный воздух для горения горючих
газов. 1 - бункер для загрузки дров, 2 - решетка
колосниковая, 3 - плотно закрывающаяся дверка, 4 -
дрова, 5 - задвижка “прямого хода” для первичного
розжига дров, 6 - электровентиляторы подачи воз-
духа, 7 - дымовая труба с тягой, 8 - струя горящих
продуктов газификации в виде голубого пламени,
сгорающая во вторичном воздухе /при нехватке про-
скока первичного воздуха/, 9 - дымовые газы, 10 -
металлическое дно бункера, нагреваемое пламе-
нем, 11 - зола.
ном тепловом потоке на древесину порядка
14 кВт/м2. Такой тепловой поток соответ-
ствует мощности излучения абсолютно черного тела при температуре
440°С. Конечно, полученные таким образом цифры весьма условны и
могут сильно отличаться для разных образцов древесины. Тем не менее
ясно, что если углей в печи много и они раскалены /до 1000°С и выше/,
то воспламенение сухой древесины неизбежно. И если стенки топки
раскалены до температур порядка 500°С и выше, то можно также ожи-
дать “автоматического” воспламенения дров /см.раздел 5.8.4/.
При таком обследовании остается неизвестной роль температуры
поверхности древесины в момент воспламенения. Для выяснения
вопроса будем последовательно помещать образец древесины в тер-
мостат /или муфельную печь/ с заданной температурой. Разогрев
поверхности древесины при этом будет происходить как лучистым теп-
лом от стенок термостата, так и конвективным теплом от горячего воз-
духа. Температуру поверхности образца древесины будем измерять
термопарой. При сравнительно невысоких температурах образец дре-
весины, постепенно нагреваясь, достигает температуры термостата Тд,
а при выключении термостата охлаждается в соответствии с кривой 1
/рис.24/. При достижении некоторой температуры Т2 образец древеси-
ны уже начнет саморазогреваться за счет экзотермического разруше-
ния целлюлозы и, возможно, за счет окисления. При этом температура
образца превысит температуру термостата Т2- И наконец, при некоторой
температуре Тз происходит внезапный спонтанный самогрев древеси-
ны до температур, значительно превышающих температуру термостата,
с возникновением визуально видимого горения [10].
28
Дровяные печи
Рис.23. Принципиальная схема установки
для испытаний строительных материалов на
воспламеняемость по ГОСТ 30402-96: 1 -
излучательный элемент радиационной панели,
2 - отражатель зеркальный, 3 - лучистый поток
тепла, 4 - образец древесины, 5 - летучие про-
дукты термолиза, 6 - подвижная газовая горел-
ка, выполняющая роль системы зажигания
/поджига/.
Возникшее горение может про-
явиться либо тлением, либо пламе-
нем. Случай самопроизвольного
появления тления называется само-
возгоранием. А случай самопроиз-
вольного появления пламенного горения летучих над древесиной назы-
вается самовоспламенением.
При медленных нагревах доминируют процессы самовозгорания
обуглившейся древесины. Так что пламенное самовоспламенение дре-
весины происходит, как правило, на значительно обуглившихся образцах
и чаще происходит не от самовоспламенения летучих, а от воспламе-
нения летучих от возгоревшихся или самовозгоревшихся углей.
При быстрых нагревах создаются высокие концентрации летучих/не
успевающих “разлететься” в стороны/, поэтому доминируют процессы
самовоспламенения. Разброс температур самовозгораний-самовос-
пламенений древесины /фактически от Т2 до Т3/ может оказаться
значительным: от обычных температур самовоспламенения на уровне
400°С до случаев возгорания древесных опилок непосредственно у
труб водяного отопления даже при 80°С. В случае же газов температу-
ры Т2 и Т3 практически совпадают. Это объясняется значительной теп-
лоемкостью древесины и разными способностями аккумуляции тепла
саморазогрева опилок и газов, в том числе, тепла от биологического
гниения и тепла от химических окислений, например, окислений про-
масленной ветоши, в которой постепенно накапливаются самовоспла-
меняющиеся перекисные соединения.
Если бы мы в термостате оборудовали постоянно действующий источник зажигания
летучих над древесиной /пламенную горелку или электрическую искру/, то мы бы имели
случай принудительного воспламенения, и появление горения наблюдалось бы при значи-
тельно более низких температурах, при которых у поверхности древесины создавалась бы
концентрация горючих газов выше НКПРП. Таким образом первичная вспышка древеси-
Горение древесины
29
ны от источника зажигания всегда происходит в предварительно перемешанной горючей
газовой смеси, то есть в кинетическом режиме с голубым пламенем /см. далее раздел
1.3.1 и рис.57/.
Источник зажигания при этом, естественно, должен иметь температуру, превышаю-
щую температуру самовоспламенения летучих, но при этом не должен разогревать дре-
весину. То есть речь шла бы о самостоятельном процессе в плане выделения и накоп-
ления летучих в воздухе, но не о самостоятельном в плане запуска цепных реакций само-
разогрева-самовоспламенения. При этом может наблюдаться кратковременная вспышка
накопившихся летучих от внешнего источника зажигания, переходящая либо в устойчи-
вое тление /возгорание/, либо в устойчивое пламенное горение /воспламенение/.
Температуры воспламенения древесины обычно составляют 250-300°С, температу-
ры самовозгорания тлением 260-320°С, температуры самовоспламенения 360-500°С [1]:
Тип древесины	Сосна	Ель	Дуб	Груша	Бук
Температура воспламенения, °C	250	240	230	300	300
Температура самовоспламенения, °C	390	380	370	500	490
1.2.2. Размерный фактор
Выше мы определили уровень температур воспламенения. Но до
указанных температур мелкие образцы древесины /как менее тепло-
емкие/ нагреваются быстрее, чем крупные, и вспыхивают первыми.
Иногда даже говорят, что мелкие образцы древесины имеют меньший
период индукции воспламенения /возгорания/, чем крупные.
Поэтому может возникнуть ощущение, что для воспламенения важен
скорее размер поленьев, чем температура. Ведь лучина вспыхивает
“сразу”, а крупное полено много поздней. Все это является следствием
значительных величин объемной теплоемкости 1000-1400 кДж/мЗ.град
и теплопроводности 0,1-0,3 Вт/м.град сухой древесины, сравнимых с
величинами объемной теплоемкости 1760 кДж/мЗ.град и теплопровод-
ности 0,15 Вт/м.град керосина. В случае же горючих газов /или горючих
паров жидкостей/ сложностей в зажигании больших объемов газа не
выявляется, ввиду очень низкой объемной удельной теплоемкости
газов 1,2-1,6 кДж/мЗ.град и низкой теплопроводности 0,02-0,03 Вт/м.град
по сравнению с твердыми и жидкими веществами.
Как и в случае керосина, легче возбудить горение малого количе-
ства древесины. Поэтому используют мелко колотую /лучину/ или силь-
но ворсистую древесину. Так, бросая на угли костра 2 деревянную
дощечку 1 и периодически переворачивая ее для осмотра, мы видим, что
сначала обугливаются и начинают тлеть именно заусенцы 3 /ворсинки/
30
Дровяные печи
Рис.24. Разогрев образца древесины в тер-
мостате, нагретом до разных температур Т1,
Т2 и ТЗ: 1 - до наступления саморазогрева, 2 -
при наличии саморазогрева, 3 - при воспла-
менении из-за саморазогрева.
на поверхности дощечки /рис.25/.
Значит, для снижения пожароопасно-
сти следует удалять ворсистость
деревянных досок /строганием, шли-
фованием, обжигом/. А для облегче-
ния загорания дров на поленьях
полезно делать топором засечки
/насечки, заусенцы, заструги/.
Продолжая нагревать дощечку на
раскаленных углях, мы замечаем,
что поверхность нижней горячей сто-
роны дощечки начинает постепенно
буреть, а затем и чернеть /обугливаться/. Однако, при перевертывании
дощечки ни тления, ни устойчивого пламени на горячей стороне пока
нет. Лишь местами можно увидеть ленивые голубые прозрачные вспо-
лохи. Это указывает на то, что из древесины начинают выделяться
горючие газы, видимо, вначале простейшие/спирты, альдегиды, кетоны/
в незначительном количестве.
При дальнейшем прогреве дощечки обуглившийся слой на нижней
части дощечки начинает тлеть /см. далее раздел 1.4/. При этом из тор-
цов дощечки появляются белые /бурые/ дымления. Это струи конден-
сирующихся /в форме тумана/ паров продуктов термолиза древесины,
выходящих под собственным напором из пор нагревающейся древеси-
ны /см. раздел 1.3.5/. Наконец, на границе с кромкой дощечки /где есть
кислород воздуха/ белые дымления воспламеняются, возникает светло-
желтое пламя 9, впоследствии охватывающее всю нижнюю сторону.
Это означает, что дощечка воспламенилась, и если ее извлечь из очага,
она может гореть на воздухе самостоятельно.
1.2.3.	Треск воспламенившейся древесины
Момент возникновения собственного пламени 9 с ускоренным утол-
щением обугленного слоя 4 /рис. 25/ безошибочно угадывается истоп-
ником по появлению характерного треска горящей древесины.
Горение древесины
31
Всем известно, что поленья при горении шипят, трещат, щелкают и
“стреляют”. Треск горящей древесины обусловлен растрескиванием
образующихся древесных углей. Обугливающиеся волокна целлюлозы
сокращаются в длине, что легко увидеть по выгибанию спички 1 /лучи-
ны/ на электроплитке 2 при появлении обугливания /рис.26-а/. Сначала
при температурах до 200-250°С спичка просто буреет-чернеет. Затем
ускоренно образующийся при 250-400°С уголь преимущественно с ниж-
ней стороны сжимается и заставляет спичку изгибаться дугой. Потом
при 400-450°С на нижней стороне начинают появляться трещинки попе-
рек волокон, спичка перестает изгибаться и может обломиться.
А вот дощечка не сгибается и не обламывается /рис.26-б/. И на ней
отчетливо видны образующиеся продольные и поперечные 5 трещины
в сжимающемся угольном слое 4, рвущемся из-за невозможности
сократиться в линейных размерах на подложке несгоревшей древеси-
ны 3. Многочисленные разрывы обугливающихся волокон целлюлозы
слышны как постоянный треск, а эпизодические отскакивания пласти-
нок-чешуек 7 воспринимаются как щелкания. Быстро усыхающаяся от
пламенного нагрева древесина начинает коробиться и растрескиваться
[18]. При этом, естественно, обламываются и отскакивают крупные
фрагменты угольного слоя. Под действием высокого давления пиро-
лизных газов внутри древесины, эти фрагменты мощно “отстреливают-
ся” на большие расстояния с громкими щелчками -’’выстрелами” и обра-
зованием всполохов пламени.
Древесина разных пород по-разному трещит и щелкает при воспла-
менении. Очень сильно трещит пихта. Осина часто потрескивает
/’’мелко” трещит, искрит/, поэтому при изготовлении спичек ее пропиты-
вают солями. Сосна издает треск редко, но зато мощно /’’стреляет”/.
Береза трещит слабо. А бук вообще не трещит. Ясно, что крупные
поленья “стреляют” чаще и сильнее, чем мелкая лучина.
Газетная бумага, состоящая из склеенных коротких волокон-фибрил
целлюлозы, потрескивает /’’шуршит”/ только при тлении, когда про-
исходят разламывания угольного остатка.. При пламенном горении
практически не шуршит. Мелованная бумага горит и тлеет беззвучно.
1.2.4.	Распространение зоны воспламенения
Распространение фронта пламени по поверхности поленьев пред-
ставляет собой процесс воспламенения все новых и новых зон поверх-
ности древесины за счет нагрева от тепловыделений в уже существую-
щих зонах горения.
32
Дровяные печи
Как уже отмечалось выше, спецификой древесины является высо-
кая объемная теплоемкость /по сравнению с объемной теплоемкостью
газов/. Выделение тепла в ходе горения пропорционально площади
горящей древесины, а тепло, потребное для разогрева новых частей
полена, пропорционально объему древесины.
Поскольку поверхность полена поперечного размера R растет про-
порционально R, а объем древесины растет быстрее /как квадрат R2
или даже куб R3/, то с укрупнением поленьев возникают энергетические
затруднения с пламенным воспламенением новых зон древесины.
Случается, что даже вертикальный толстый столб, подожженный пожа-
ром в степи снизу, не может догореть пламенем доверху и повисает на
проводах /рис . 27-6/. А мелкие же одиночные поленья /лучины/ горят
пламенем самостоятельно и быстро, сгорая пламенем до конца даже
в горизонтальном положении /рис. 27-а/. А очень мелкие “полешки
дров” в виде древесных опилок /пыли/ вспыхивают даже в виде газовз-
веси в воздухе /взрывы в лесопильных цехах/. Так что при растопках
сначала зажигают спичку, затем бумагу и лучину, а потом уже более
крупные поленья. Причем крупные поленья будут гореть пламенем
лишь в условиях компенсации тепловых потерь - в раскаленной топке
или в виде кучи поленьев /костра/, когда одно горящее полено греет
другое /см. далее раздел 1.3/.
В соответствии с вышеизложенным применительно к пламенному
горению можно ввести понятия “термически толстого” и “термически
тонкого” образца древесины [10,19]. Термически толстое холодное оди-
ночное полено горит в горизонтальном положении медленно на грани
перехода к тлению условно с линейной скоростью 0,005 м/мин. А при
уменьшении поперечного размера полена /условно до толщины евро-
вагонки 10 мм/ скорость распространения пламени по горизонтально
ориентированному полену резко возрастает и достигает в случае спич-
ки величин порядка 0,12 м/мин /рис. 28/.
Линейная скорость распространения пламени резко возрастает при
увеличении исходной температуры полена, условно выше 230°С. Так,
скорость распространения огня по круглому лесу /по бревнам/ в шта-
белях на открытом складе в условиях пожара составляет обычно
менее 0,7 м/мин, а по пиломатериалам /по доскам/ в штабелях дости-
гает 4 м/мин /www.structureprom.info/.
Линейная скорость распространения пламени по поверхности дре-
весины резко растет также с ростом концентрации кислорода в возду-
хе и увеличением угла наклона первоначально горизонтального образ-
ца древесины горящей поверхностью вверх/рис.28/. Повышение влаж-
Горение древесины
33
ности древесины снижает скорость распространения пламени по брев-
нам на складе с 4 м/мин при влажности древесины 8-12% до 1,2 м/мин
при влажности древесины 20-30%.
Одновременно с распространением пламени по поверхности древе-
сины начинается процесс выгорания древесины вглубь. В теории пожа-
ротушения вводится понятие скорости массового выгорания древесины
вглубь, характеризующее стойкость деревянных балок перекрытий. Эта
величина скорости выгорания весьма условна. Так, в условиях пожара
при перевозке древесины транспортом “стандартная” скорость выгора-
ния древесины принимается равной 0,014 кг/м2.сек [20]. А в условиях
пожара на складе средняя скорость выгорания древесины влажностью
13,7% принимается равной 0,039 кг/м2.сек/по ГОСТ 12.1.004-91/. При
этом средняя “по полену” /за все время горения в пересчете на нор-
мальные условия 20°С и 1 атм/ линейная скорость горючих газов /лету-
чих продуктов термолиза/, истекающих с поверхности горящей древе-
сины, может достигать величин порядка 4 см/сек и более.
В момент воспламенения температура поверхностного слоя обуг-
ленной поверхности древесины быстро возрастает до 450-500°С, а
затем постепенно повышается до 600-700°С. Пламенное горение дре-
весины практически полностью прекращается при снижении массовой
скорости выделения летучих до уровня 0,005 кг/м2.сек при толщине
углей на древесине порядка 20 мм [19]. При такой толщине угольного
слоя летучие выходят уже только через трещины [21]. А при толщине
угольного слоя более 100
мм фактически прекраща-
ется и сам пиролиз в глуби-
не горящего полена.
Прекращение пламен-
ного горения открывает
доступ кислорода воздуха
непосредственно к угольно-
му слою на древесине,
Рис.25. Воспламенение деревянной дощечки над горящими дровами в печи: 1 - дере-
вянная дощечка /вид с торца/, 2 - горящие дрова, 3 - заусеница, воспламеняющаяся в
первую очередь, 4 - газопроницаемый обугливающийся слой, 5 - газообразные горючие
продукты термолиза /’’летучие”/, сгорающие в тлеющем обугливающемся слое, 6 - рас-
пределение температуры при тлеющем горении, 7 - летучие, сгорающие вне древесины
в виде пламени, 8 - распределение температуры при пламенном горении, 9 - язык пла-
мени, охватывающий нижнюю сторону доски и вырывающийся вверх за кромкой дощеч-
ки, 10 - годичные слои древесины /иллюстративно/.
34
Дровяные печи
Рис.26. Обугливание древесины: а -
выгибание обугливающейся спички /с
предварительно обожженой головкой/, б
- обугливание доски. 1 - спичка, 2 - элек-
троплитка, 3 - дощечка с волокнами дре-
весины, направленными параллельно
листу бумаги, 4 - обугленный слой на
дощечке, 5 - трещины обугленного слоя,
вызванные укорочением и разрывом
обугливающихся волокон /трехеид/, 6 -
пламя из трещин, 7 - отскок угольных пла-
стинок, 8 - выход невоспламенившихся
конденсирующихся продуктов термолиза
в виде тумана /белого или бурого дыма/, 9
- направление воздействия пламенного
потока.
который разогревается за счет собственного горения до 800-1200°С /см.
далее раздел 1.4/. Однако из-за того, что угольный слой горит медлен-
но и имеет теплопроводность в 4 раза ниже, чем у самой древесины,
скорость потери рабочего сечения горящих деревянных конструкций
составляет в среднем 1 мм в минуту [10]. Поэтому деревянные кон-
струкции порой противостоят обрушению при пожаре в течение более
продолжительного времени, чем стальные, которые могут не выдержать
нагрузок из-за снижения механической прочности /в том числе и из-за
появления пластичности, то есть “ковкости” металла/ при нагревании.
Отметим, что горение “потолочных” /имеющих пламя снизу/ поверх-
ностей древесины затруднено ввиду газодинамически ограниченного
притока кислорода к горящей поверхности древесины.
Все изложенное в этом разделе относится к пламеннному горению
поверхности древесины. Горение же древесины в форме тления слабо
зависит от размерных характеристик поленьев /см. раздел 1.4/.
1.3.	Пламенное горение древесины
Под пламенным горением будем понимать видимые глазом /светя-
щиеся/ формы горения горючих газов - летучих продуктов термолиза
древесины. Пламенное горение наблюдается как в форме “языков” пла-
мени /факелов/, так и в форме эпизодически появляющихся всполохов
пламени /фронтов огня/, распространяющихся по объему топки.
Языки пламени представляют собой потоки /струи/ горючих газов,
сгорающие в окружающем их воздухе. Горючее и окислитель разделены
Горение древесины 35
так же, как в пламенах парафиновых свечей и керосиновых ламп /гете-
рогенное горение предварительно не перемешанных газов/.
Всполохи пламени представляют собой перемещающиеся зоны
горения в готовых смесях горючих газов с воздухом /гомогенное горение
предварительно перемешанных газов/. Дело в том, что при горении
древесины часть летучих продуктов термолиза исходит из прогретых, но
пока еще не горящих зон поверхности поленьев /в частности, из него-
рящих торцов поленьев/. При этом сначала образуются смеси горючих
газов с воздухом в виде областей воздуха, загазованных летучими про-
дуктами термолиза. При возникновении концентраций горючих газов
выше нижнего концентрационного предела распространения пламени
/НКПРП/ эти загазованные области воздуха могут воспламеняться.
Таким образом, в топках могут наблюдаться пламена предвари-
тельно не перемешанных и предварительно перемешанных газов. Эти
предельные формы горения сильно отличаются физикой явлений.
1.3.1.	Горение перемешанных газов
Рассмотрим процесс распространения пламени /фронта воспламе-
нения Ф/ с некой “скоростью горения” V по предварительно приготов-
ленной гомогенной /однородной/ горючей смеси, состоящей из горюче-
го газа А/в общем случае, многокомпонентного/ и окисляющего газа В
/например, воздуха/ при исходной температуре То /рис. 29 слева/. За
счет наличия зоны раскаленных продуктов горения /рис.29 справа/
исходная горючая смесь нагревается кондуктивным, конвективным и
лучистым теплом. При достижении температуры воспламенения Тв
начинаются реакции окисления А + В = АВ + Q. Выделяющаяся тепло-
вая энергия химической реакции Q еще больше нагревает смесь и еще
больше ускоряет протекание реакций окисления. В результате горючая
Рис.27. Особенности пламен-
ного горения: а - тонкая лучина,
подожженая снизу, сгорает пла-
менем до верха, б - толстый
столб, подожжен ый снизу,
может истлеть, но сгореть пла-
менем до верха не сможет и
повиснет на проводах. 1 - лучи-
на, 2 - держатель, 3 - пламя, 4 -
столб деревянный.
36
Дровяные печи
смесь воспламеняется и образует продукты горения с повышенной тем-
пературой Тг. Эта температура при отсутствии потерь на излучение
может быть подсчитана строго термодинамически с учетом образова-
ния абсолютно всех возможных продуктов /включая радикалы и ионы/.
Такая температура, рассчитанная для стехиометрической смеси с
исходной температурой 0°С, называется расчетной температурой Тр .
Реальные исходные горючие смеси газов могут иметь разные исходные температуры
и разные /не стехиометрические/ соотношения горючего и воздуха.
Для описания реального состава горючей смеси вводят безразмерную расчетную
величину, называемую “коэффициентом избытка воздуха /окислителя/” и обозначаемую
обычно буквой “альфа”: о = ^/ ^0, где = NOK/NrOp, N0K и NrOp - объемные, массовые или
счетные содержания /количества, расходы или концентрации/ воздуха и горючего соот-
ветственно, - стехиометрический коэффициент/то есть для стехиометрической смеси
по формуле химической реакции/.
Исторически сложились разные расчетные методы оценки температуры горения [11]-
“Теоретическая” температура Тт - это расчетная температура Тр, но расчитанная не
для условной температуры 0°С, а для реальной исходной температуры воздуха и топли-
ва То, с учетом реального коэффициента избытка воздуха, но с учетом образования не всех
радикалов, а только продуктов диссоциации трехатомных молекул Н2О и СО2-
“Калориметрическая” температура Тк - это температура Тт, но без учета диссоциации
трехатомных молекул. Калориметрическая температура применяется в основном для
исходно малокалорийных не горячих газов /типа доменных или генераторных/.
“Жаропроизводительность” Тж - это
калориметрическая температура Тк, но
при То = 0°С и при коэффициенте избыт-
ка воздуха, равном единице, то есть при
стехиометрической горючей смеси.
Жаропроизводительность дров равна
2010°С (абсолютно сухих) и 1610°С при
влажности дров 40% [17].
Рис. 28. Изменение линейной скоро-
сти распространения пламени по
поверхности древесины в зависимости
от толщины /поперечного размера/
полена, от исходной температуры поле-
на /в глубине древесины/, от концент-
рации кислорода в воздухе, от угла
наклона полена.
Горение древесины
37
Все вышеперечисленные расчетные температуры горения являются адиабатически-
ми, то есть не учитывают потери тепла, в частности, на тепловое излучение. Эти рас-
четные температуры горения близки друг к другу. Так, для стехиометрических смесей
природного газа /метана/ с воздухом Тр = 1950°С, Тк = 2050°С, Тж = 2040°С.
Поэтому в дальнейшем будем упоминать только наиболее термодинамически строгую
расчетную температуру Тр (удобную тем, что она есть в любом теплотехническом спра-
вочнике). Реально же измеряемые температуры горения Тэ намного ниже, чем темпера-
тура Тр (из-за наличия теплопотерь на излучение).
“Действительная” температура горения Тд рассчитывается с учетом тепловых потерь
/в том числе, и на на излучение/ и с учетом наличия избытка воздуха. Такая неадиабати-
ческая /термодинамически неравновесная/ расчетная температура Тд оказывается на
400-600°С ниже Тр при заданном избытке воздуха и приближается к реальным экспери-
ментально измеряемым температурам продуктов сгорания Тэ.
Все вышеуказанные температуры горения являются фактически температурами про-
дуктов сгорания. В случае горения предварительно перемешанных газов это справедли-
во. Но в случае предварительно не перемешанных газов экспериментально измеренная
температура горения Тг в оболочках пламен значительно превышает температуру про-
дуктов сгорания Тэ /см. далее рис.87/.
Согласно молекулярно-кинетической теории каждый газ /пар/ пред-
ставляет собой дискретную среду - смесь различных и многочисленных
частиц /молекул и атомов/, хаотически движущихся и постоянно стал-
кивающихся между собой /’’толкающихся в толпе”/. Так, например, при
комнатной температуре и атмосферном давлении 1 м3 воздуха состоит
из 2,7.10^3 частиц размером 3.10'Ю м, из них 79% молекул азота N2 и
21% молекул кислорода 02- Средняя длина свободного пробега между
соударениями молекул составляет 9.10"8 м, частота соударений моле-
кул равна 5.10^ сек"Т В результате этих многочисленных соударений
молекулы в газе получают статистический спектр собственных кинети-
ческих энергий /линейных скоростей v/ в соответствии с распределени-
ем Максвелла n(v) = 4nv2(m/2nkT)3/2exp(-mv2/2kT), а также статисти-
ческий спектр собственных потенциальных энергий, в частности, в поле
земного тяготения в виде распределения концентраций n(h) молекул по
высоте h над уровнем моря в соответствии с законом Больцмана
n(h) = noexp(-mgh/kT), где m - масса молекулы, к = 1,38.10"^3 Дж/град -
постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в °К /рис.30/.
В указанных формулах понятие температуры Т носит чисто стати-
стический смысл как средняя кинетическая или потенциальная энер-
гия ансамбля частиц. При этом абсолютно безразлична химическая
природа частиц /азота, кислорода, аргона и др./, существенна лишь
38
Дровяные печи
Рис.29. Распространение фронта пламени
Ф со скоростью V по предварительно пере-
мешанной /гомогенной/ горючей смеси из
молекул горючего А и молекул окислителя В
с получением продуктов реакции АВ.
Приведен случай избытка горючего А, когда
концентрация горючего в исходной смеси
больше стехиометрического /теоретически
необходимого для полного преобразования
горючего и окислителя/ уровня, задаваемого
химической формулой реакции.
масса молекул. Более легкие части-
цы в смеси имеют более высокие
скорости и за счет этого обладают
теми же кинетическими и потенци-
альными энергиями, что и другие
более тяжелые частицы в смеси.
В молекулярно-кинетической теории вещества каждая частица-моле-
кула может иметь только вполне определенный вид, определяющий ее
химическую суть. Так, например, молекула водорода Н2 не может
“лететь и гореть” в кислороде 02- Она может лишь “разом” дискретно
преобразоваться при соударении с молекулой кислорода в молекулу
воды Н2О либо в радикал /короткоживущую молекулу/ гидроксида ОН,
причем вновь образовавшаяся молекула может оказаться в возбужден-
ном /тоже во вполне определенном дискретном квантовом/ состоянии.
Согласно распределению Максвелла, в газе всегда имеются очень
энергичные /быстрые/ молекулы, которые и определяют ход протека-
ния химических реакций, поскольку медленные молекулы не могут пре-
одолеть потенциальный энергетический барьер химической реакции
/обусловленный отталкиванием одноименно заряженных электронных
оболочек молекул/ и упруго отскакивают друг от друга. Но при больших
скоростях частица В может преодолеть энергетический барьер оттал-
кивания Епорог- В результате неупругого соударения молекулы А и В
превращаются на миг в возбужденный комплекс АВ* с общей электрон-
ной оболочкой /рис.31/. Этот комплекс АВ* может тотчас вновь разде-
литься на исходные составляющие /как бы “скатиться” назад с энерге-
тической “горки” ЕПорог/, если только за время существования возбуж-
денного комплекса не произойдет отбор его потенциальной энергии с
“падением” комплекса на “дно энергетической ямы” с получением устой-
Горение древесины
39
чивой молекулы АВ. Потенциальную энергию комплекса способны ото-
брать “третьи” молекулы /сталкивающиеся с частотой 5.109 сек"^ с воз-
бужденным комплексом/, а также кванты излучения /фотоны/.
Так, молекула А, набегая на возбужденный комплекс АВ* /пред-
ставляющий собой сильно колеблющуюся и вращающуюся “пружинку”
- возбужденную молекулу АВ/ отскакивает как биллиардный шар с уско-
рением /то есть с увеличением скорости с Vi до V2/, отбирая тем самым
энергию у комплекса АВ* /рис.32/. Такие тройные соударения, отби-
рающие энергию и опережающие “высвечивание” кванта излучения,
называются “тушащими”. Дезактивация комплекса АВ* может происхо-
дить многоступенчато с промежуточным образованием возбужденных
молекул АВ /рис.31/. В результате получается газовая смесь продуктов
сгорания с большими скоростями движения молекул /то есть горячая/.
Ясно, что при наличии лучистых потерь/то есть при высвечивании кван-
тов излучения/, температура продуктов сгорания будет более низкой.
Процесс горения предварительно перемешанных газов может реализовываться в
самых разных формах и в самых разных условиях. Может, например, воспламениться
практически одновременно вся горючая смесь
разом в неком заданном объеме. В таком слу-
чае по оси X подразумевается временная
координата /рис.29/. Если при этом объем реа-
гирующей газовой смеси строго фиксирован
оболочкой, то такая система называется “бом-
бой” /изохорический процесс, то есть процесс
при постоянном объеме, но с повышающимся
давлением/.
Но чаще встречается рассмотренный
выше процесс горения в виде фронтов пла-
мени /рис.29/. Поскольку объем горячих про-
дуктов сгорания превышает объем исходной
холодной горючей смеси, то за фронтом пла-
мени возникает ускоренный поток продуктов
сгорания. Если поток продуктов сгорания
Рис.30. Равновесные распределения моле-
кул газа по кинетической энергии /по скоро-
стям молекул/ и по потенциальной энергии
/по высоте над уровнем моря/.
Скорость молекул, м/сек
о
си
о
к
а>
о
§
g
а>
к
О)
>
й
к
и
40
Дровяные печи
Рис.31. Кривая потенциальной энергии взаи-
модействия двух реагирующих молекул А и В.
Характерными элементами являются ЕПОрОГ -
пороговая энергия неупругого взаимодействия
и Q - теплота реакции. Здесь Ei - квантованные
энергетические уровни возбуждения молекулы
АВ.
“затормозить”, например, стенкой, то между
фронтом пламени и стенкой возникнет область
повышенного давления /эффект “взрывной силы
газов” - фугасный эффект/. Это давление может
ускорить распространение фронта горения -
такое явление быстрого распространения пла-
мени называется взрывом газовоздушной смеси.
Если скорость фронта пламени приближает-
ся к скорости звука и давление взрыва за фрон-
том пламени повышается значительно, то может возникнуть ударная волна. При этом
разогрев исходной газовой смеси будет происходить не только за счет лучистого тепла и
теплопроводности, но и за счет адиабатического сжатия газов ударной волной. Такой
процесс “сверхбыстрого” распространения пламени называется детонацией.
А если пламя распространяется в неограниченном пространстве и повышенное дав-
ление за фронтом пламени успевает выравниваться /“рассасываться”/ за счет свободно-
го расширения газов, то процесс является изобарическим. Такое выравнивание давле-
ния с ускорением потока продуктов сгорания происходит, в частности, в горелке Бунзена,
где фронт пламени распространяется со скоростью V в движущейся исходной газовой
смеси, в результате чего сам фронт пламени неподвижен /’’стабилизирован”/ относи-
тельно трубки горелки /рис.33/. При больших скоростях истечения газов пламя может тур-
булизироваться или отрываться от горелки. А при малых скоростях пламя может проска-
кивать в трубку и стабилизироваться /или не стабилизироваться/ там.
Рис.32. Схема образования молекулы АВ
через возбужденный /’’колеблющийся и вра-
щающийся”/ комплекс - возбужденную
молекулу АВ*. Возбужденная молекула
может терять свою внутреннюю энергию
возбуждения как за счет “тушащих” соуда-
рений с третьими частицами /например,
молекулами А, как на рисунке/ или за счет
“высвечивания” кванта излучения.
Горение древесины
41
Рис.33. Неподвижные /’’стабилизирован-
ные”/ фронты пламени в потоке перемешан-
ной смеси горючего и окисляющего газов: а -
в горелке Бунзена, б - в трубе Коварда-
Джонса. Здесь V - нормальная скорость рас-
пространения пламени перпендикулярно
фронту/рис.36/, Vp - скорость по потоку.
Смеси горючего газа с воздухом
способны воспламеняться лишь при
определенных концентрациях ком-
понентов, не слишком сильно отли-
чающихся от стехиометрических.
Так, смеси газа пропана с воздухом,
имеющие стехиометрический состав
при содержании пропана 4,2%об.,
а)
Горючая смесь
б)
Продукты
сгорания
Горючая смесь
могут воспламеняться лишь при концентрациях пропана выше нижнего
концентрационного предела распространения пламени НКПРП =
2,1 %об., но ниже верхнего концентрационного предела распространения
пламени ВКПРП = 9,5%об. Это обусловлено тем, что при концентра-
циях ниже НКПРП и выше ВКПРП температуры саморазогрева стано-
вятся недостаточными для воспламенения горючей смеси /рис. 34/.
Наиболее широкие пределы распространения пламени имеют водо-
род и окись углерода СО: (4 - 75)% и (12,5 - 74)% соответственно /коэф-
фициенты избытка воздуха (9,8 - 0,15) и (2,9 - 0,15) соответственно/.
Повышение исходной температуры горючей смеси расширяет кон-
центрационный диапазон распространения пламени /рис. 35/. Но не
столь существенно - согласно методике расчета по отраслевому стан-
Рис.34. Величины термоди-
намически расчетных темпера-
тур продуктов сгорания про-
пан-воздушных смесей при
различных исходных концент-
рациях пропана в воздухе.
НКПРП - нижний концентра-
ционный предел распростране-
ния пламени пропана, ВКПРП -
верхний концентрационный
предел распространения пла-
мени пропана.
Концентрация пропана В Воздухе ,%Об .
Коэффициент избытка Воздуха, ка/ка
42
Дровяные печи
Рис.35. Вид температурной зависимости верхне-
го и нижнего концентрационных пределов распро-
странения пламени в однородной смеси горючего и
окисляющего газов.
дарту СТО Газпрома РД 1.2-138-2005 ниж-
ний концентрационный предел распро-
странения пламени при температуре Т
составляет НКПРП (Т) / НКПРП (2QOC) =
(1250 -Т)/1250 = (1 - 0.0008Т), где Т - тем-
пература исходной горючей смеси в °C.
Так что снижение НКПРП с характерных
1-5% об. до допустимых по евронормам
значений выброса в атмосферу 0,2% об.
возможно лишь при нагреве смесей до 1000°С и выше.
Повышение температуры горючей смеси повышает также и скорость
распространения пламени, причем весьма существенно /рис. 36/.
Максимальная линейная скорость распространения пламени наблюда-
ется при стехиометрии смесей и в случае углеводородов достигает
величин порядка 1 м/сек/рис. 37/.
1.3.2.	Горение неперемешанных газов
Рассмотрим случай, когда горючий газ А /слева/ был вначале отделен
от окисляющего газа В /справа/ некой поверхностью - границей раздела
Ф /рис.38/. За счет непрерывного
хаотического движения молекулы А
начинают проникать в зону молекул
В, а молекулы В начинают проникать
в зону молекул А. Такой процесс
называется диффузией молекул. В
результате на границе раздела обра-
зуется горючая смесь молекул А и
В. При наличии источника зажигания
на границе /в зонах, где концентра-
Рис.36. Температурная зависимость
линейной скорости распространения фрон-
та пламени в стехиометрической смеси
метана с воздухом.
Исходная температура,°C
Горение древесины
43
Рис. 37. Линейные скорости распро-
странения пламени по горючим газовым
смесям в зависимости от концентрации
горючего газа в смеси [22]. Давление
атмосферное, исходная температура
20°С.
ция горючего в окислителе устано-
вилась в пределах от НКПРП и
ВКПРП/ появляется пламя с обра-
зованием молекул АВ.
В самом общем случае слева
от первоначальной границы раз-
дела находятся газовые смеси с
концентрациями горючих компо-
нентов более ВКПРП, а справа
газовые смеси с концентрацией
горючих компонетов менее
НКПРП. Так что газовые среды
Концентрация горючего,%об.
справа и слева от границы раздела
гореть самостоятельно не могут. И возникшее пламя /в виде вспышки/ на
границе раздела может затухнуть, если только в эту зону не начнут
постоянно поступать молекулы реагентов/компонентов/с достаточны-
ми для устойчивого горения скоростями. Но даже в самом благопри-
ятном случае, граница раздела постепенно неизбежно расширяется с
образованием области, занятой продуктами реакции, и возможный кон-
такт горючего и окислителя постоянно ухудшается.
Такая же ситуация наблюдается и в случае факелов - простран-
ственно ограниченных стационарных пламен предварительно не пере-
мешанных газов при непрерывной подаче горючих газов в воздух. Так,
например, у основания газовой горелки имеется хороший контакт
горючего газа с воздухом /рис. 39/. Но, по мере удаления от среза горел-
ки вверх, толщина зоны между горючим газом и воздухом увеличивает-
ся за счет образования продуктов сгорания. Поэтому для непрерывно-
го горения необходимо постоянно удалять продукты сгорания из обла-
сти раздела горючего газа и воздуха, например, за счет диффузии моле-
кул или за счет свободно-конвективного всплывания горячих продуктов
сгорания за счет сил Архимеда. Будет способствовать сближению горю-
чих газов и воздуха и искусственный обдув /’’облизывание”/ пламени
струей воздуха в наиболее критичном верхнем кончике пламени.
44
Дровяные печи
В случае гетерогенного горения неперемешанных газов скорость
горения - это не линейная скорость перемещения фронта пламени по
горючей смеси /как в случае горения перемешанных смесей/, а массо-
вая скорость поступления горючего в зону горения. Скорость горения
определяется скоростью диффузионного проникновения горючего /а
также и окислителя/ в зону горения. Поэтому пламена при горении не
перемешанных газов называются диффузионными пламенами.
А в случае гомогенного горения исходно перемешанных смесей
химические реагенты уже находятся в контакте и нет необходимости в
диффузии реагентов. Скорость горения определяется только скоростя-
ми /кинетикой/ химических реакций в готовой смеси. Поэтому пламена
предварительно перемешанных газов называются кинетическими.
В самом же общем случае реализуются смешанные формы горения
в виде диффузионно-кинетических пламен. Еще более сложная карти-
на возникает при турбулизации диффузионных пламен /см. раздел 2/,
например, в сварочных ацетиленовых газовых горелках. В турбулентных
диффузионных пламенах смешение реагентов происходит не только за
счет взаимопроникновения отдельных молекул /”по очереди”/, но и за
счет взаимопроникновения потоков молекул /конвективных струй/. Но
в любом случае окончательное смешение реагентов “до молекул” про-
исходит диффузионно. То есть на больших расстояниях от факела пре-
обладают турбулентности, на малых - диффузия. В бытовых печах
встречаются только очень слабо турбулентные пламена в форме изви-
вающихся и взаимно закручиваю-
щихся ламинарных факелов.
Характерной чертой ламинарных
диффузионных пламен является низ-
кая концентрация горючих и окис-
ляющих газовых компонентов в зоне
реакции 2 /рис.40/. Стоит только
горючим газам ГГ и кислороду возду-
ха 02 появиться в зоне горения 2,
они тотчас мгновенно реагируют с
образованием СО2 и Н2О за счет
высоких температур зоны реакции.
Рис.38. Возникновение пламени на границе
раздела Ф горючего А и окисляющего В газов.
Горение древесины
45
Продукты
сгорания
Рис.39. Горение не перемешанных газов на примере
схемы пламени /факела/ газовой горелки - горящей струи
горючего газа /например, метана/ в атмосферном воздухе.
1 - горелка /трубка для непрерывной подачи газа в непо-
движный воздух/, 2 - дополнительная трубка для подачи
воздуха для обдува пламени.
Поэтому зона реакции отчетливо видна визу-
ально как светящаяся оболочка пламени. По-
существу, оболочка пламени и есть само
пламя. А внутри оболочки находится относи-
тельно холодный горючий газ, постепенно
прогреваемый от оболочки и постепенно обо-
гащающийся продуктами реакции и азотом
атмосферного воздуха. Горючий газ и кислород разделены и при нали-
чии оболочки пламени никак не могут быть смешаны принципиально.
Факт низкой концентрации горючего и окислителя в оболочке пламе-
ни часто смущает печников, поскольку создается ощущение, что обо-
лочка состоит только из раскаленных продуктов реакции, и гореть в обо-
лочке нечему. Ситуация в чем-то схожа с угольной топкой, полной рас-
каленного шлака /конечного продукта горения как балласта/, в которую
понемногу подают воздух и понемногу подбрасывают уголь, который тут
же сгорает. И скорости “подачи” и “подбрасывания” определяют уровень
тепловыделения и температурные параметры топки.
1.3.3.	Строение ламинарного диффузионного пламени
Из дров истекают струи горючих газов /рис.21/, горящие диффузион-
ными пламенами также, как газы в газовых горелках/рис.39/.
Для пояснения происходящих в “дровяных” пламенах явлений, при-
ведем результаты исследований ламинарных /не турбулизированных/
диффузионных пламен метана в воздухе /рис.41-45/. Видно, что исход-
ный метан, диффундируя в оболочку, постепенно термически разлага-
ется с образованием множества различных промежуточных компонен-
тов с объемными концентрациями Nj - различных углеводородов,
короткоживущих радикалов типа ОН и С2, а также сажистых частиц. И
все эти горючие компоненты сгорают в оболочке, поэтому их концент-
рация в оболочке становится исчезающе малой /рис.41/.
Наблюдаемые пространственные изменения концентраций Nj каж-
дого из компонентов газовой смеси поперек пламени (то есть градиенты
46
Дровяные печи
Рис.40. Схема пространственного /поперечного/
распределения концентраций горючих газов ГГ
/продуктов термолиза древесины/ и кислорода воз-
духа в языке “дровяного” диффузионного пламе-
ни: 1 - горящее полено /условно/, 2 - светящийся
контур /язык/диффузионного пламени /оболочка/, 3
- граница зоны /слоя/ продуктов сгорания.
dNj/dx) определяют скорости диффузии
молекул каждого из компонентов /рис.41/.
Величины диффузионных потоков Gj(x) =
Dj(dNj/dx) разных компонентов газовой
смеси будут определяться собственными
градиентами концентрации dNj/dx и
собственными коэффициентами диффу-
зии Dj. Так, скорости диффузии молекул
кислорода и азота заметно отличаются друг от друга, хотя коэффици-
енты их диффузии близки между собой.
В результате этого, внутри пламени может не сохраняться обычное “воздушное” соот-
ношение концентраций азота и кислородных соединений [N2]/[O2+CO2+0,5(CO+H2O)] =
78:21 /см. раздел 1.5/. Это соотношение может снижаться, например, до 67:21 /рис.41-а/,
что соответствует обеднению центральных зон азотом, не вызванному ни разбавлением
метаном, ни появлением большого количества паров воды. Отметим попутно, что на рас-
пределении концентрации азота в зоне оболочки видно “плато”, что объясняется повы-
шением коэффициентов диффузии с ростом температуры.
Не сложно сообразить, что в оболочку пламени диффундирует
ровно столько молекул кислорода, сколько нужно для окисления всех
диффундирующих в оболочку молекул горючих компонентов.
Действительно, если бы горючих поступило бы больше, чем кислорода,
то на внешней стороне оболочки возникла бы горючая смесь, которая бы
вспыхнула и сдвинула тем самым оболочку пламени во внешнюю кис-
лородсодержащую сторону. Так что встречная диффузия горючего и
окислителя автоматически /как ни странно/ создает в оболочке горения
строго стехиометрическую горючую смесь.
Этот факт значительно облегчает анализ диффузионных пламен. В
частности, математический расчет /в предположении равенства коэф-
фициентов диффузии всех компонентов/ показывает, что температура
оболочки в этом случае приближается к термодинамически расчетной
Горение древесины
температуре горения Тр стехиомет-
рической горючей газовой смеси
[31]. Действительно, эксперимен-
тально зафиксированные значения
температуры диффузионного пла-
мени метана в воздухе достигали
1700°С /рис. 44-а/. Отличия экспе-
риментальных значений темпера-
туры от термодинамически расчет-
ной температуры для метана
1950°С объяснялись наличием
потерь на излучение.
Если в пламени исходно перемешанной
горючей смеси состав исходных реагентов и
состав конечных продуктов ясен в каждой
точке с самого начала, то в диффузионном
пламени концентрации реагентов и разбави-
телей всюду разные и всюду все время
меняются [31]. Это затрудняет и запутывает
анализ, поскольку не понятно, сколько же
частиц химически реагирует между собой и
на разогрев каких масс газов /в том числе
пассивных/ уходит теплота реакции.
Именно в этих условиях особую ценность
приобретает факт поступления в зону горе-
ния строго стехиометрически необходимого
количества кислорода. Избыточное количе-
ство кислорода в зону горения вообще посту-
пить не может. Таким образом, процессы
Рис.41. Экспериментальные результаты
масс-спектрометрических исследований
поперечных распределений концентраций
/в объемных долях/ химических компо-
нентов газовой смеси в вертикальном
факеле - пламени метана в воздухе [25].
Измерения выполнены в поперечном
сечении пламени на высоте 9 мм над газо-
Расстояние от оси пламени, мм
вым соплом.
48
Дровяные печи
Рис.42. Качественный вид распределе-
ний концентраций радикалов ОН, моле-
кул диуглерода С2 и сажистых частиц,
замеренных оптическими методами [25] в
диффузионном пламени метана в воздухе.
Цифрами на графиках указаны расстояния
поперечных сечений пламени от среза
горелки.
Рис.43. Пространственные распреде-
ления вертикальных и горизонтальных
составляющих скоростей газовых пото-
ков, замеренные методом Допплера в
диффузионном пламени метана в воздухе
с помощью лазера с использованием
ввода субмикронных частиц окиси алю-
миния [25].
горения в оболочке определяются именно концентрацией кислорода в воздухе топки, а
не избытком воздуха в топке /хотя избыток воздуха и повышает концентрацию кислорода/.
Поэтому реальная температура горения углеводородов в оболочке диффузионного
пламени равна “температуре горения”, отвечающей отсутствию избытка воздуха. А потом
уже над “сгоревшим” пламенем горячие продукты сгорания смешиваются в топке с избы-
точным количеством подаваемого в топку воздуха и остывают до “температуры горения”,
отвечающей реальному избытку воздуха в топке. И именно последние значения темпера-
тур ошибочно считаются печниками “температурами горения” в топке /см. раздел 1.6/.
Горение древесины
49
1.3.4.	Форма ламинарного
диффузионного пламени
Вышеописанные эксперименты
[25] производились на щелевой
горелке с прямоугольным газовым
соплом /щелью/ длиной 41 мм и
шириной 8 мм и двумя обдувочными
воздушными соплами /щелями/ по
бокам длиной 41 мм и шириной 16
мм /рис.45/. Причем газовые и воз-
душные сопла заполнены стеклян-
ным бисером для предотвращения
напора струй и для выравнивания
линейных скоростей потоков по
поперечному сечению сопла.
Измерения концентрации велись на
начальном участке пламени на
высотах 1-21 мм от среза сопла.
Скорости исходного метана и исход-
ного воздуха составляли соответ-
ственно 9,7 и 19,4 см/сек при 20°С.
Высота пламени достигала 300 мм.
Тем не менее, уже на высоте 3
мм ширина оболочки пламени уве-
личивается до 12 мм, что в полтора
Рис.44. Результаты измерений радиаль-
ных распределений температур на разных
высотах /а,б/ и направлений газовых пото-
ков /в/ в диффузионном пламени метана в
воздухе [25]. Приведены значения темпера-
тур микротермопары в пламени, истинные
же температуры пламени /из-за охлаждения
термопар тепловым излучением/ выше ука-
занных на 130°С при температуре 1600°С и
на 30°С при 1000°С. Термодинамически рас-
четная температура горения метана в воз-
духе составляет 1950°С.
-10	-5	0
Расстояние от оси пламени, мм
50
Дровяные печи
Рис.45. Схема экспериментальной метан-
воздушной горелки Вольфгарда-Паркера [25].
1 - стеклянный бисер диаметром 1 мм, 2 -
медная сетка, 3 - направления газовых пото-
ков, 4 - изотермы, 5 - кончик пламени, 6 - про-
волочный сеточный стабилизатор пламени
Кента /типа “чайка’7.
раза больше ширины газового сопла
8 мм. Столь быстрое расширение
начального участка пламени иногда
объясняют как-бы “раздуванием-
накачиванием пламени газом”, при-
чем пламя представляется, якобы,
“упругим шариком”. И хотя горячая
газовая оболочка пламени действи-
тельно более вязкая, чем холодный
метан или холодный воздух, такое
объяснение кажется неправдоподоб-
ным ввиду отсутствия “упругости пла-
мени” и малости избыточного давле-
ния газа на срезе сопла. Не удается
объяснить расширение и повышен-
ным давлением /напором/ в струе
метана, поскольку скорости истече-
ния были не велики. Тем более, что уже на начальном участке пламени
воздух устремлялся внутрь факела и как бы сжимал пламя, ускоряю-
щееся вверх /рис. 43/. Так что метан опережающе диффундировал
навстечу потоку воздуха /рис.44-в/.
Для выяснения вопроса рассмотрим результаты исследования [26]
пламени цилиндрической горелки, в которой по внутренней трубке диа-
метром 25мм подается метан с малой линейной скоростью 1,5 см/сек, а
по зазору вдоль внешней трубки диаметром 50мм подается кислород-
содержащий газ-окислитель /рис.46/. В случае чистого кислорода пламя
метана имело вид практически не расширяющегося факела 1, а в случае
воздуха приобретало вид расширяющейся “чашки” 2. Объясняется такой
факт изменением мольного стехиометрического соотношения i, равно-
го отношению числа молей /или объемов/ окислителя к числу молей
горючего при стехиометрии. Так, при химическом взаимодействии мета-
на с кислородом СН4 + i О2 = СН4 + 2O2 = СО2 + 2Н2О мольное сте-
Горение древесины
51
хиометрическое соотношение равно! = 2. А в случае химической реак-
ции метана с воздухом СНд + 10(0,2 ©2 + 0,8 N2) = СН4 + 2O2 + 8N2
мольное стехиометрическое соотношение для воздуха равно i = 10. Так
что, для создания стехиометрических диффузионных потоков метана и
кислорода в оболочку пламени, в случае горения в кислороде тре-
буются большие градиенты концентрации метана внутри факела, то
есть малые диаметры факела. А в случае воздуха /то есть разбавлен-
ного кислорода/, наоборот, требуются малые градиенты концентрации
метана внутри факела, то есть большие диаметры факела.
Аналогично, разбавление метана инертным газом приводит к умень-
шению диаметра факела [28]. К уменьшению диаметра пламени при-
водит также замена метана на водород или на окись углерода, посколь-
ку для реакций 2Н2 + 02 = 2Н2О и 2СО + О2 = 2СС>2 мольное стехио-
метрическое соотношение имеет меньшую величину i = 0,5.
То же наблюдается и при горении дров - уменьшение концентрации
кислорода в объеме топливника /за счет снижения избытка воздуха или
разбавления воздуха продуктами сгорания/ приводит к образованию
широких пламен, порой полностью заполняющих топливник печи.
В случае одновременного снижения концентраций горючих компо-
нентов внутри факела и концентраций кислорода в воздухе вне факела
можно добиться сохранения диаметра факела. Но скорость диффузии
реагентов в оболочку может стать настолько низкой, что температура
оболочки снизится /из-за повышения доли лучистых теплопотерь/ до
1000°С и ниже. При этом скорости химических реакций снизятся
настолько, что в оболочке появятся заметные концентрации горючих
компонентов и кислорода. Горение пла-
мени переходит в диффузионно-кинети-
ческий режим /с темно-красной дымной
размытой оболочкой/. И хотя такой режим
встречается в горнилах русских печей,
мы его рассматривать не будем, посколь-
ку в печах он нежелателен.
Отметим попутно, что факел 2 на
рис.46 представляет собой фактически
пламя воздуха в метане. Аналогичные
пламена могут наблюдаться и в дровяных
Рис.46. Форма ламинарного метанового пламени в
кислороде 1 и в воздухе 2 [26].
52
Дровяные печи
Рис.47. При фиксированном массовом
расходе газа G высота пламени h теоретиче-
ски не зависит от диаметра горелки [22].
печах при воспламенении струй вто-
ричного воздуха в объеме летучих
продуктов термолиза древесины.
Что касается продольных разме-
ров факела, то из простейших диф-
фузионных соотношений следует, что высота /длина/ факела обратно
пропорциональна коэффициенту диффузии D и обратно пропорцио-
нальна содержанию кислорода в окружающем воздухе. Высота пламе-
ни h пропорциональна объемному расходу горючего газа G и не зависит
от диамера сопла /рис.47/. При неизменности диаметра сопла высота
пламени пропорциональна линейной скорости горючего газа в струе
[26]. Эти соотношения весьма приближенны /рис.48/. Тем не менее, раз-
биение пламени на N отдельных факелов с сохранением проходного
сечения сопел снижает высоту пламен [32] примерно в N раз или в
корень квадратный из N раз в случае высоких пламен [6]. Это следует из
эмпирических [26] и расчетных [28-31] соотношений для высоты пла-
мени в области больших расходов газа, точнее, в области высоких
линейных скоростей газа: h = 1/[a/V °>5 + b/V].
То есть, рост высоты пламени с увеличением расхода газа через
сопло постепенно замедляется с линейной зависимости на степенную
со степенью 0,5 /рис. 51/. А потом при
достижении критического числа
Рейнольдса горящая газовая струя
турбулизируется с резким уменьшени-
ем длины /рис.52/.
Часто полагают, что воздушные потоки /в
том числе и воздушные турбулизующие струи/
могут, якобы, захолодить пламя и “потушить”
Рис.48. Экспериментальные зависимоти
высоты пламени от объемного расхода
горючего газа при различных диаметрах сопла,
указанных цифрами на кривых [24].
Горение древесины
53
Рис.49. Снижение высоты пламени при
разделении одного факела на несколько
мелких. Подобная картина известна на
примере кухонных газовых плит.
его. В действительности же срывы пламени
наблюдаются лишь в случае воздушно-захо-
лаживающего воздействия на источник вос-
пламенения /зону “стабилизации” горения/,
например, на испаряющий фитиль свечи или
газифицирующееся полено в топке печи. А
само пламя сбить /загасить/ воздухом не уда-
ется. Так, перемещением свечи по горизонта-
ли удается “положить пламя горизонтально”
уже при скоростях перемещения Vi порядка 0,1 м/сек, а потушить пламя при скоростях
V>| порядка 1м/сек /рис.53/. Однако обдув только кончика пламени /не задевая фитиля
свечи/даже со скоростями V2 порядка десятков метров в секунду отнюдь не тушит пламя
и не образует дымлений - пламя становится просто короче и белее /горячее/.
Вообще говоря, перенос кислорода к пламени на больших расстояниях от пламени
всегда осуществляется конвективно /из-за малых градиентов концентраций/, а именно
газовыми потоками разного происхождения. Но в непосредственной близости от вязкой /из-
за высокой температуры/ оболочки пламени поток кислорода всегда является преиму-
щественно диффузионным даже при наличии сильного турбулентного обдува.
Действительно, конвективный поток кислорода определяется произведением линей-
ной скорости газового потока на концентрацию кислорода в воздухе VN. А диффузионный
поток кислорода определяется прозведением коэф-
фициента диффузии кислорода в воздухе на гра-
диент концентрации кислорода D(dN/dx). То есть
конвективные потоки могут воздействовать на зону
горения лишь в случае больших величин радиаль-
ных скоростей, а именно при V > D/б = 20 см/сек, где
D = 0,196(Т/273)1= 4см2/сек - коэффициент диф-
фузии при температурах порядка Т= 1500°К [27],
б = 0,2см - характерное радиальное расстояние
падения концентрации кислорода вблизи оболочки
Рис.50. Объединенный факел пламени над
дровами имеет большую высоту.
54
Дровяные печи
Расход горючего газа
Рис.51. Сокращение длины турбулентно-
го факела с ростом расхода газа.
пламени /рис. 41/. Поскольку в рассматри-
вавшейся выше работе [25] наблюдались
радиальные скорости такого порядка
/рис.43/, то значит, внешние конвективные
потоки могут влиять на структуру пламени, в
частности, формировать крутизну профиля
температуры на наружной /внешней/ сторо-
не оболочки и плавность профиля темпера-
туры внутри оболочки. В то же время ясно,
что при наличии сил вязкости качественного
перемешивания газов “до молекул” /для обеспечения реакции горения в оболочке/ невоз-
можно достичь только конвекцией - необходимо и диффузионное смешение молекул.
1.3.5.	Дымление горящих дров
Дымовые газы печей, также как и выхлопные газы автомобилей, при
правильной организации процессов сгорания не видимы глазом чело-
века, то есть прозрачны и бесцветны. Но иногда дымовые газы стано-
вятся видимыми /дымными, задымленными/ и именуются “дымом”.
Оценочную диагностику двигателя внутреннего сгорания производят по цвету дыма из
выхлопной трубы. Если цвет дыма белоснежно-белый /как “пар” из чайника/, то значит, что
в камеру сгорания подтекает вода из системы охлаждения. Если цвет дыма сизый /серый/,
то значит в камеру сгорания подтекает масло из системы
смазки. Если цвет дыма черный, то значит, что не успева-
ет сгорать бензин в камере сгорания. Примерно так же
/“по трубе’7 производят первичную оценку работы печи.
Белоснежный “дым”, появляющийся из
печной трубы в морозную погоду при “абсо-
лютно чистом” сгорании дров, представляет
собой “клубы” водяного пара /как из чайни-
Рис.52. Схема турбулизации пламени. Слева - случай
обдува пламени турбулентной спутной струей воздуха.
Справа - случай турбулентного потока горючего газа в
неподвижном воздухе.
Горение древесины
55
Рис.53. При перемещении свеча гаснет
/пламя сдувается с фитиля/. При обдуве
струей воздуха кончик пламени разгорается
добела, и свеча не гаснет.
ка/. Этот водный конденсат /туман/
печным дымом не считается.
Белый /а фактически серый или
бурый/ дым представляет собой
туман (объемный конденсат - аэро-
V2
золь мелких капелек) жидких продуктов пиролиза древесины /см. раздел
1.1.4/. При нагреве древесины испаряющаяся вода увлекает за собой в
виде ассоциатов и пары масел /’’дегтей”/. Ведь кипящая вода, как
известно, хорошо “перегоняет” /испаряет, переводит в летучие/ многие
углеводороды, особенно ароматические, что собственно и придает
белому дыму специфический запах “копоти” тлеющей древесины /сухая
“органика” не пахнет/. Эти пары воды с “дегтями”, образовавшиеся внут-
ри полена вблизи раскаленной зоны горения или тления, сочатся по
трахеидам холодной древесины, охлаждаются, конденсируются в туман
в виде белого дыма и выходят из древесины /преимущественно через
торцы поленьев/. Не воспламеняясь, не сгорая и не испаряясь, белый
дым может проходить мимо пламен в хайло топливника, а затем и в
дымовую трубу/рис. 54/. Такой случай наблюдается при растопке печи,
а также при тлении дров. Так что, если из трубы идет “тяжелый” белый
/серый/ дым, то значит, пламя не охватывает полностью все поленья.
Именно этот белый дым используется для копчения мясных и рыбных
продуктов в качестве фенолсодер-
жащего консерванта.
По мере разгорания полена
белый дым начинает испаряться и,
наконец, вспыхивает языками пла-
мени. Чем горячей стенки топлив-
ника, тем быстрее испаряются
жидкие капельки белого дыма /см.
раздел 5.9/. При этом белый дым
может пропасть совсем. Также
Рис.54. Места образования белого
/серого, бурого/, сизого и черного дыма.
Черный *.
дым
56
Дровяные печи
Исконные углеводороды
Н Н
I I
н - С — С —
• • • 4
I I
Ацетилен Радикал С2
Н-С = С -Н = С=С =
I
Бензол	Г рафитобые
Н	зародыши
ясно, что чем короче поленья, тем
ближе к огню выходит белый дым
и тем легче белый дым испаряет-
ся и сгорает. А топливные пеллеты
/прессованные таблетки мелко
дробленой древесины обычно
диаметром 6мм и длиной 5-15 мм/
при горении в печах вообще прак-
тически не дымят белым дымом,
поскольку все продукты термолиза
из мелких “поленьев” дробленой
древесины тотчас попадают в кон-
такт с зоной пламени и сгорают
“под шапкой огня” /рис.54/.
Если же белый дым испарился
в топливнике, но сгореть не смог,
то “пары белого дыма” поступают
в дымовую трубу, где, охлажда-
ясь, могут вновь сконденсиро-
ваться, но уже при повышенных
температурах /то есть без участия
воды/ в виде полупрозрачного
“сизого” дыма /масляного “чада’7.
Отметим, что “испарившийся белый
дым” может конденсироваться совместно
с водяными парами и на стенках дымовой
трубы, образуя известный пахучий труб-
ный конденсат в виде струек росы. А вот
белый дым не охотно осаждается даже на
холодных поверхностях, как и все туманы.
Кроме того, сизый печной дым
может исходить из раскаленных
обугленных /но не горящих пла-
менем/ поверхностей поленьев, в
том числе и тлеющих головешек
/рис.54/. Такой сизый дым образу-
Рис.55. Схема образования черного дыма. ется в результате испарения и
последующей высокотемператур-
Горение древесины
57
Рис. 56. Эксперимент с парафиновой свечой:
а - при касании чайной ложкой верха пламени
/кончика/ возникает черный дым, при касании же
низа пламени дым не возникает, б - зона появле-
ния дыма располагается выше смыкания визу-
ально темного ядра пламени /см. далее зону 5 на
рис.302/. 1 - свеча, 2 - положение ложки при
отсутствии дымления, 3 - положение ложки при
появлении дыма, 4 - темное ядро пламени,
обусловленное наличием холодных паров пара-
фина, 5 - зона, в которой сильно разбавлены
пары парафина и при касании которой даже рас-
каленным предметом возникает дымление.
ной конденсации в туман наиболее труднокипящих масел и смол /см.
разделы 5.9.2.2 и 5.10/. Причем, чем более высококипящей является
конденсирующаяся смола, тем “суше и легче” выглядит сизый дым.
Сизый дым, как и белый дым, тоже является “дегтем” - “органиче-
ским углеродом”, но только более высококипящей фракцией. Сизый
дым отличается от белого дыма значительно меньшим размером
частиц. А мелкие частицы /и жидкие, и твердые/ размером меньше 400
нм преимущественно рассеивают видимый свет в фиолетовой области
спектра, а не поглощают его как крупные частицы белого дыма. Поэтому
переход от “тяжелого влажного” белого /серого, бурого/ дыма, не про-
зрачного в луче лазерной указки, к “легкому сухому” сизому дыму, прак-
тически не рассеивающему луч лазерной указки, происходит постепен-
но через серовато-голубоватые дымки, знакомые как дымок сигареты.
Черный дым является “обгоревшим дегтем” /’’элементарным углеро-
дом”, сажей/. Черный дым возникает при терморазложении углеводо-
родов, преимущественно именно в пламени, при недостаточном окис-
лении. Черное дымление более характерно для углеводородов, богатых
Рис.57. Схема пламени свечи. 1- остов
спички /осиновая палочка, пропитанная орто-
фосфорной кислотой для предотвращения
тления/, 2 - обгоревший остов, 3 - подсос воз-
духа, 4 - прозрачная область, заполненная
продуктами термолиза, 5 - голубая полоска
пламени, 6 - светящееся желтое пламя, 7-
черный дым /копоть/, 8 - “вторичный” подсос
воздуха, 9 - первичное голубое пламя кине-
тического горения перемешанной смеси.
58
Дровяные печи
Рис.58. Касание кочергой 1 нижней
части пламени дров в камине не приводит
к дымлению, а зуб камина 2 или высоко
расположенная решетка 3 вызывает дым-
ление.
углеродом и, особенно, содержа-
щих бензольные кольца /бензол,
мазут, полистирол/. Это явление
используется при производстве
сажи для резин, красок и т.п.
Пламена же термически стабиль-
ных газов /водорода, окиси углеро-
да/ черного дыма не образуют.
Исходные углеводороды в ходе термического разрушения в восста-
новительной среде в глубине факела образуют множество продуктов
/рис.41/. При этом специфическим свойством именно углерода являет-
ся образование /преимущественно через ацетилен/ ароматических
соединений - однокольцевых шестичленных структур типа бензола,
затем двухкольцевых /нафталиновых/, трехкольцевых/антраценовых/ и
так далее до образования многокольцевых структур, представляющих
собой фрагменты решетки графита и выступающих в роли зародышей
сажи /рис.55/. Эти зародыши имеют размер порядка 0,5 нм и фактиче-
ски являются крупными молекулами непредельных углеводородов.
Рис.59. Пояснение явления комкуемости
высокодисперсных порошков: а) - крупные
частицы 2 низкодисперсного порошка,
обладая высокой массой М, не в состоянии
удержаться на подложке 1 /потолке, сосед-
ней частице/ и на горизонтальной поверх-
ности рассыпаются с малым углом откоса
5, б) - мелкие частицы 3 высокодисперсно-
го порошка, обладая малой массой т, не
могут преодолеть своим весом mg силы
адгезии и прилипают к подложке /к потолку,
к соседней частице/ и на горизонтальной
поверхности могут создавать углы откоса 6
более 90 градусов. Высокодисперсные
порошки могут пересыпаться лишь комками
4 /агломератами, агрегатами/ большого
веса Мд.
Горение древесины
59
Рис.60. Распределения температуры и концентраций компонентов в ламинарном пла-
мени на высоте 9 мм над срезом газового сопла /см. рис.41-44/. Горизонтальными отрез-
ками обозначены радиальные месторасположения ряда компонентов - концы отрезков
отвечают зонам с концентрациями в половину от максимальных. Под сажей здесь пони-
мается не черный дым, видимый глазом, а микрочастицы - зародыши углерода, элек-
тризующиеся в пламени и в раскаленном виде придающие пламени желтый цвет [25].
В последние годы установлено, что пластинчатые зародыши могут
сворачиваться в шаровые СбО (фуллерены) или цилиндрические (нано-
трубки) структуры. На эти раскаленные зародыши начинают конденси-
роваться осколки бензольных колец и молекулы ацетилена С2Н2, при-
чем последний является непременным спутником зажеобразования
/именно поэтому, по-видимому, пламена бензола и ацетилена сильно
коптят/. В результате образуются некие сферические микрочастицы раз-
мером порядка 5 нм, которые уже начинают приобретать свойства твер-
дой фазы. Поясним, что здесь и далее 1м (метр) = ЮЗ мм (миллимет-
60
Дровяные печи
Рис.61. Возникновение газовых пото-
ков V, препятствующих сближению
частиц между собой: а) - при осажде-
нии углерода на поверхность зароды-
ша сажи из каждой молекулы метана
СН4 образуется две молекулы водоро-
да. Поэтому возникает “водородный
ветер”, дующий от поверхности заро-
дыша, б) - при горении микрочастицы
сажи из каждой молекулы кислорода
образуется до 1,5-2 молекул СО и СО2-
ров) = 10б мкм (микрометров, то есть микрон мк) = 1С)9 нм (нанометров,
то есть миллимикрон ммк).
Микрочастицы сажи могут расти по разному - путем коагуляции мик-
рочастиц /дальнейшего укрупнения шаровидных микрочастиц путем
нарастания все новых слоев углерода при конденсации ацетилена/ или
путем агломерации-агрегации микрочастиц /образования комков-агре-
гатов при столкновении микрочастиц/. Эти процессы идут параллельно,
но обычно считают, что коагуляция идет до размера частиц порядка
50нм и придает свечениям пламён желтый цвет. А затем в определенных
условиях при нехватке кислорода быстро идет агломерация до разме-
ра комков-агрегатов до 500нм и выше. Именно эти агрегаты сажи в виде
газовзвеси воспринимаются как черный дым /копоть/.
Легко проверить, что черный дым возникает лишь в верхней части
пламени /рис.56-58/. В нижней же части пламени дымление не наблю-
дается даже при погружении в желтое пламя холодного предмета.
Процессы сажеобразования изучены пока недостаточно. Но ясно
одно - если в какой-то момент становится возможной агломерация
частиц, то тогда и возникает черный дым, видимый глазом. Это обуслов-
лено тем, что газовзвеси микрочастиц с малым размером частиц 50нм
могут лишь рассеивать коротковолновое /синее/ излучение видимого
спектрального диапазона и глазами
либо не видны или видны как “сизый”
дым /опалесцирующий/. А газовзвеси
с более крупными размерами агрега-
Концентрация
молекул
Рис.62. При горении агрегата микрочастиц
сажи доступ кислорода внутрь агрегата огра-
ничен поверхностной выработкой кислорода.
Горение древесины
61
Рис.63. Характерный спектр
излучения углеводородного пламени
в видимой области спектра.
тов частиц 500нм уже доста-
точно сильно поглощают
оптическое излучение види-
мого спектрального диапазо-
на. Поверхность агрегатов сажи пористая и имеет степень черноты
близкую к единице. Агрегаты сажи вполне устойчивы и не могут рассы-
паться самопроизвольно на составляющие микрочастицы /рис.59/.
Действительно, просвечивая пламя фонариком или лазерной указ-
кой, нетрудно убедиться, что желтое некоптящее пламя свечи или спич-
ки является прозрачным. Значит, некоптящее пламя свечи содержит
очень мелкие частицы сажи, не способные поглощать свет. Собственно
поэтому сажа в свече и успевает сгорать. Если бы сажа была в виде в
виде агрегатов мелких частиц сажи, то из-за больших размеров агрега-
тов степень черноты пламени свечи была бы близкой к единице, и мощ-
ность теплового ИК-излучения превысила бы мощность конвективного
потока над свечой. Но при мощности сгорания свечи порядка 50 Вт, на
тепловое ИК-излучение приходится не более 6-10 Вт.
Учитывая, что сажа первично образуется в зоне разрушения углево-
дородов /рис. 60/, можно предположить, что отсутствие агрегатов сажи-
стых частиц в нижней части пламени объясняется тем, что при разло-
жении на микрочастице сажи, например, одной молекулы метана выде-
ляется не одна, а две молекулы водорода. В результате дисбаланса
объемов образуется водородный “ветер” V, дующий от частицы и пре-
пятствующий сближению и объединению частиц сажи в агрегат/рис.61/.
Рис.64. Временная зависи-
мость температуры дымовых
газов Т, концентрации кислорода
О2 и окиси углерода СО /угарно-
го газа/ в дымовых газах при
топке экспериментальной дровя-
ной печи. Данные Американской
ассоциации печников http://heatk-
it.com/research/2007/lopezh06.htm/
Продолжительность горения, мин
62
Дровяные печи
Рис.65. Внизу - инфракрасный спектр излуче-
ния пламен углеводородов. Вверху - спек-
тральное распределение интенсивности
излучения абсолютно черного тела /кривая
Планка/, выше которой интенсивность излуче-
ния пламени при заданной температуре под-
няться не может. А - спектральный А-диапазон
ИК-излучения. В - диапазон видимого глазом
излучения..
В кончике же пламени, где богатые
водородом углеводороды уже отсут-
ствуют, “ветер” в принципе может обра-
зовываться в ходе реакций 2С + 02 =
2СО и С + СО2 = 2СО, когда из одной
молекулы О2 или СО2 образуется две
молекулы СО. Однако, видимо, ско-
рость этих реакций не велика, и такого
“ветра” не всегда хватает для пред-
Длина Волны излучения, мкм ОТВращеНИЯ СЛИПЭНИЯ ЧЭСТИЦ СЭЖИ.
В литературе подобный “ветер”, рас-
талкивающий горящие частицы, называется “стефановским потоком”.
Его появление обусловлено также и наличием в среде пассивного азота.
Дело в том, что у поверхности горящей частицы содержание азота мень-
ше, чем на удалении от частицы, из-за наличия у поверхности частицы
избыточных количеств СО и СО2 /рис.61-б/. Поэтому азот диффунди-
рует к поверхности частицы. Предотвратить неконтролируемое накоп-
ление азота у поверхности частицы способен как раз “ветер”, дующий от
частицы /как конвективный член, компенсирующий диффузию/.
Казалось бы, что крупные комки сажи окисляются лишь с поверхно-
сти, поэтому сгорают медленно /рис. 62/. Но крупные частицы /в отличии
от мелких/ могут при горении нагреваться значительно выше темпера-
туры окружающего газа. Это следует из простейших уравнений тепло-
проводности. В этом режиме раскаленные агрегаты сажистых частиц
могут сгорать быстро. Поэтому на кончике пламени спички можно иног-
да заметить яркие продольные треки от струек-потоков горящих агрега-
тов сажи. А мелкие частицы /в том числе и горящей сажи/ всегда имеют
температуру, равную температуре окружающего их газа.
Агрегаты черного дыма могут осаждаться в дымоходах в виде “сухой”
пушистой сажи, сильно пачкающей руки. Если одновременно осаждается
белый и черный дым, то в дымоходах образуется “жирная” маслянистая
Горение древесины
63
сильно пахучая сажа. Если черная сажа осаждается одновременно с
водным конденсатом, то после испарения стекающей воды на стенках
дымоходов остаются твердые слабопачкающие черные слоистые отло-
жения-спеки, иногда блестящие. Все виды сажи в дымоходах являются
горючими и представляют пожарную опасность.
Кроме указанных дымов в отходящих печных газах может присут-
ствовать пепел /не окомкованная и не спекшаяся зола/ в виде газовз-
веси, а также горящие фрагменты древесного топлива в виде искр-тре-
ков или витающих ворсинок, листочков, веточек, представляющих
пожарную опасность.
В заключение напомним, что при наличии в исходном углеводороде
даже небольших количеств кислорода, зародыши сажи могут сгорать в
ходе своего образования. Черный дым при этом может не возникать -
пламя теряет желтое свечение, становится прозрачно-голубым. Такая
форма горения “частично предварительно перемешанных газов” широ-
ко используется в горелках кухонных газовых плит. В случае дров такой
режим горения реализовать не удается, поскольку ввести воздух внутрь
каждого полена невозможно.
1.3.6.	Оптическое излучение пламени
Цвет свечения /видимого оптического излучения/ тела определяется
длиной волны излучения в пределах спектральной чувствительности
человеческого глаза 380-750нм. Филетовый цвет соответствует длинам
волн (380-420)нм, синий (420-490)нм, зеленый (490-530)нм, желтый
(530-590)нм, оранжевый (590-650)нм, красный (650-750)нм.
Типичный спектр оптического
излучения углеводородного
пламени в видимой области
содержит две важные полосы
/системы, группы/ спектраль-
ных линий, определяющих цвет
пламени /рис.63/. Это полоса
углеводородного радикала СН с
Рис.66. Спектральная прозрачность
слоев воды (1), оконного стекла нат-
риево-силикатного состава (2), кварца
плавленного оптического (3) и флюо-
рита - фторида кальция CaF2.
64
Дровяные печи
Длина волны излучения, мкм
Рис.67. Спектральная зависимость
коэффициента поглощения света мягкими
тканями организма человека (1) и водой
(2) [43]. А - спектральный A-диапазон ИК-
излучения. В - видимая область спектра.
длиной волны излучения 431 нм,
придающая пламени синий цвет, и
полоса молекулы диуглерода С2 с
длиной волны излучения 516 нм,
придающая пламени зеленый цвет
[34-36]. Зеленый цвет характерен
для высокотемпературных пламен,
содержащих большое количество углерода /например, для пламени
полистирола или полиэтилена/. Интенсивная полоса радикала гидро-
ксида ОН 306 нм находится в ближнем ультрафиолете за пределами
обычной видимости человеческого глаза /и может придавать слабобак-
терицидные свойства излучению открытого костра/. Полосы ОН 343нм
и ОН 387нм могут придавать пламенам фиолетовый оттенок.
Так что голубой цвет “огоньков” /ленивых пламен и всполохов/ над
600 700 800 900
Температура, ос
догорающими дровами не является
свечением угарного газа СО, вопре-
ки расхожему бытовому мнению.
Догорает, может быть, и угарный газ,
но голубой цвет придают остаточ-
ные /порой, может быть, и следо-
вые/ количества углеводородов с
синим свечением именно спек-
тральной полосы углеводородного
радикала СН 431 нм. А вот уже
после погасания голубых “огоньков”
/при дальнейшем тлеющем догора-
нии древесных углей/ концентрация
угарного газа в топке печи, как пра-
Рис.68. Температурная зависимость
мощности излучения абсолютно черной
поверхности оТ^ /интегрально по всему
спектру/.
Горение древесины
65
Рис.69. Температурные
зависимости степеней чер-
ноты е газовых слоев угле-
кислого газа /слева/ и водя-
ных паров /справа/ разной
толщины [41]. Числа на кри-
вых соответствуют оптиче-
ским толщинам газовых
слоев, равным произведе-
ниям парциального давле-
ния /углекислого газа или
воды/ в кПа /1 атм = 10ОкПа/
на толщину слоя в метрах.
100 500 900 1300 Т,°C 100 500 900 1300Т,°С
вило, сильно возрастает, что требует предосторожностей при располо-
жении открытых каминов в жилых помещениях. Даже после очень
“чистого” пламенного сгорания дров, беспламенное догорание углей
может дать резкий рост /скачек/ концентрации угарного газа /рис.64/.
Пламя же окиси углерода СО в воздухе дает в видимой области
сплошной “белый” спектр 300-500нм, отвечающий “высвечиванию”
образующихся возбужденных молекул СО2* [36]. Повторим, что слабо-
светящиеся пламена водорода Н2 и окиси углерода СО в воздухе имеют
окраски в основном из-за наличия примесей углеводородов.
В невидимой для человеческого глаза инфракрасной области спек-
тра располагаются спектральные полосы излучения трехатомных газов
- воды Н2О и углекислого газа СО2 /рис.65/. Интенсивность излучения
этих полос ограничена сверху спектральными кривыми излучения абсо-
лютно черного тела по формуле Планка [37-40]. Напомним, что излуче-
ние Солнца примерно отвечает излучению абсолютно черного тела при
температуре 5600°С со спектральным максимумом излучения в рай-
оне 400-500нм.
Инфракрасное излучение /ИК-излучение/ пламен называется теп-
ловым, поскольку вносит определяющий энергетический вклад в лучи-
стый поток от пламени. С увеличением температуры пламени вклад
более коротковолновых полос излучения растет из-за сдвига длины
волны максимума излучения Амакс абсолютно черного тела по формуле
Вина ТЛмакс = 2,9.10^ мкм.град, где Т - абсолютная температура в °К,
равная 273+Т°С, где Т°С - температура в градусах Цельсия. Причем
если суммарную площадь под кривой Планка принять равной 100%, то
площадь под восходящей ветвью Л<ЛМакс составит 25%, а площадь под
нисходящей А>Лмакс ветвью составит 75% суммарной площади под кри-
66
Дровяные печи
Рис.70. Спектры пламен разной толщины
при пожарах над деревянными срубами.
Пики интенсивности излучения соответ-
ствуют излучению молекул воды и углекис-
лого газа [42].
вой Планка. Поэтому полосы излуче-
ния (8-14)мкм, важные для теплового
баланса жилых помещений /а также
Земли и атмосферы/, не играют
заметной роли в тепловом балансе пламён, где основными теплонесу-
щими становятся полосы излучения в области (1-8)мкм.
Инфракрасное излучение подразделяют на А-диапазон (750-1500)нм = (0,75-1,5)мкм,
прозрачный для воды и тканей организма человека, на B-диапазон (1,5-3,0)мкм, про-
зрачный для оконного стекла, и С-диапазон с длинами волн более 3,0мкм /рис.66/.
Поэтому при высоких температурах пламени может оказаться существенным инфра-
красное излучение А-диапазона (0,75-1,5)мкм /см. зоны А на рис.65 и 67/, способное про-
никать в ткани человека и тем самым оказывать более “мягкое” /более легко переносимое
за счет съема тепла текущей кровью/ тепловое воздействие на кожу, чем более “жесткое”
длинноволновое инфракрасное излучение с длинами волн порядка Юмкм от радиаторов
водяного отопления /рис.67/.
Интегральная мощность теплового излучения абсолютно черного тела во всем спек-
тральном диапазоне в полупространство равна оТ^, где о= 5,68.10"® Вт/м^град^ - посто-
янная Стефана-Больмана, Т - абсолютная температура в °К /рис. 68/. Мощность же теп-
лового излучения реальных объектов /твердых поверхностей или слоев газа/ равна еоТ^,
где £ - степень черноты, меньшая единицы /рис. 69/. Поэтому сажистые частицы, при-
Рис.71. Дрова в топке печи горят в “микро-
топках” между поленьями. Наружные сторо-
ны поленьев, обращенные к холодным /при
растопке/ стенкам топки, горят плохо из-за
больших потерь на тепловое ИК-излучение. 1
- решетка, 2 - поток первичного воздуха, 3 -
поленья, 4 - “микротопка” между поленьями,
в которой осуществляется взаимный нагрев
поленьев тепловым ИК-излучением, 5 - лучи-
стые ИК-потери на холодные стенки топки, 6
- холодная стенка топливника, 7 - лучистые
ИК-потери в окружающую среду, 8 - языки
пламени в “микротопке”.
Горение древесины
67
дающие факелу желтый цвет и повышающие черноту пламени е, могут увеличивать теп-
ловую светимость пламени. Но поскольку пламена многих угеводородов с микрочастицами
сажи прозрачны в видимой /а тем более в инфракрасной/ области спектра, то в промыш-
ленных печах иногда специально добавляют в пламена сильно коптящие добавки /керо-
сина, мазута и т.п/, способствующие агломерации частиц сажи.
Свечение сажистых частиц в видимой области спектра 380-750мкм /см. зону В на
рис.65/ не вносит определяющий вклад в общую мощность излучения сажи при пламен-
ных температурах. По цвету свечения можно оценить температуру излучающих частиц
/или иных раскаленных поверхностей/:
- темно-коричневый, заметный только в темноте	500°С
- коричнево-красный	600°С
- темно-красный	700°С
- вишнево-алый	800°С
- красный	900°С
- оранжевый	1000°С
- желтый	1100°С
- светло-желтый	1200°С
- белый	1300°С и выше.
Реальные спектры горения древесины в толстых оптических слоях
подтверждают наличие молекулярных полос излучения на фоне сплош-
ного фона излучения частиц сажи /рис.70/.
1.3.7.	Особенности пламеного горения древесины
Дрова закладываются в топку “разом” /порциями/, так что нельзя вве-
сти строгое понятие “скорости подачи топлива”. “Подача топлива” в
топке характеризуется “скоростью выгорания” поленьев /изменением
массы дров в топке во времени/. Основной особенностью горения дре-
весины является стадийность выгорания /см. далее раздел 5.6/.
Второй особенностью горения дров в печах является коллективный
характер сжигания поленьев, поскольку в одиночку поленья могут
гореть только в сильно раскаленной топке. По существу, поленья горят
в зазорах между поленьями как в микротопках с раскаленными обуг-
ленными стенками из древесины /рис.71/. Причем горят зачастую не
сообразуясь с устройством и с текущим состоянием топливника печи.
Такое горение называется костром /рис.72/. Ясно, что внутри костра
может возникать нехватка кислорода для полного сжигания летучих, и
внутренности костра превращаются в “газогенератор”, поставляющий
горючие газы в пламя над дровами /см. далее раздел 5.7.1.1/.
68
Дровяные печи
Рис.72. Разные типы бытовых костров.
Третьей особенностью горения
дров является многочисленность
одновременно горящих пламен.
Это обуславливает их взаимное
влияние термическим, газодина-
мическим и химическим путем.
Газовые потоки вырываются из древесины из разных зон и в постоянно
меняющихся направлениях. Поэтому каждый язык пламени /факел
огня/ то возникает, то изчезает, то меняет направление, в том числе и из-
за пульсаций горения соседнего языка пламени. В условиях тесноты в
топке возникает “вакханалия огня”, в которой, с первого взгляда, разо-
браться очень трудно. Такая картина подчас не имеет ничего общего с
картиной одиночного стационарного газового факела пламени.
Так, легко убедиться, что при поднесении к пламени свечи еще одно-
го пламени /например, от кухонной газовой зажигалки/ могут возникать
либо сильные удлинения одного из пламен, либо неожиданно возни-
кающие неустойчивости горения, визуально проявляемые как попере-
менные метания, трепетания пламен /рис.73/.
Ну и, конечно же, важной особенностью горения дров в печи являет-
ся необходимость наличия избыточных количеств воздуха /над теоре-
тическим стехиометрическим количеством/, поскольку кончики пламен
могут диффузионно догорать лишь при наличии вокруг них достаточ-
ной концентрации кислорода. При отсутствии избытка воздуха дрова
гореть могут, но дымно. Считается условно, что исчезновение черного
дыма наблюдается при повышении коэффициента избытка воздуха в
печи до а = (1,5-2,0), а исчезновение угарного газа в дымовых газах при
повышении коэффициента избытка воздуха до а = (2 - 3).
Рис.73. Взаимное влияние языков
пламени. Два языка пламени (а) при
сближении дают удлиненное пламя
одного из языков (б), поскольку один
язык пламени хоть и нагревает кончик
другого, но при этом ограничивает
подачу в него кислорода. В этом режиме
могут возникать неустойчивости - трепе-
тания языков пламени, когда попере-
менно удлиняется то один, то другой
язык пламени.
Горение древесины
69
1.4.	Тление древесины
Тлением называется беспламенная форма горения твердых топлив,
когда кислород взаимодействует непосредственно с поверхностью кон-
денсированной фазы. Тление характерно тем, что может происходить
медленнее, чем пламенное горение, и может осуществляться при отно-
сительно низкой температуре горения. Тление могут поддерживать мно-
гие вещества - древесина, уголь, пластмассы, табак, хлопок и другие.
В технической литературе всегда специально подчеркивается, что под тлением пони-
мается не просто окисление горючего /пусть даже с наличием некоторого саморазогрева/
и не просто терморазложение вещества /топлива/ под действием внешнего источника
тепла /например, пиролиз древесины/. Тление /как и пламя/ является именно горением /но
не газов, а углей/, то есть процессом, когда окисление приводит к столь существенному
саморазогреву горючего /роль которого в нашем случае выполняют не дрова, а именно
продукты пиролиза древесины/, что скорость химической реакции окисления горючего
вдруг самопроизвольно скачком возрастает многократно. При этом потенциальные воз-
можности потребления кислорода горючим в очаге воспламенения могут превысить
реальные возможности поступления кислорода в очаг воспламенения /возгорания/.
Напомним, что если скорость горения /массовая скорость образования продуктов сго-
рания/лимитируется скоростью химической реакции окисления, то такой режим горения
называется кинетическим. Если же скорость горения лимитируется /ограничивается/ ско-
ростью поступления кислорода в зону горения, то
такой режим горения называется диффузионным
/поскольку, как правило, кислород поступает в зону
реакции в результате диффузии/.
При низких температурах скорость окисления дре-
весины пренебрежимо мала ввиду отсутствия самих
окисляющихся веществ, и нагрев древесины приводит
лишь к повышению теплопотерь /см. точку “окисление”
на рис. 74-а/. При повышении температуры в резуль-
тате обугливания древесины появляется древесный
уголь, скорость окисления которого быстро растет с
Рис.74. Энергетические балансы процессов
окисления как соотношения величин тепловыде-
ления (+) и теплопотерь (-): а - влияние темпера-
туры /то есть скорости окисления/, б - влияние ско-
рости обдува тлеющей поверхности /см.текст/.
70
Дровяные печи
Рис.75. Схема пятна тления на поверхности
древесины. 1 - древесина, 2 - поток тепла
вглубь древесины, 3 - поступление воздуха, 4 -
выход летучих из зоны термолиза через уголь-
ный слой /с воспламенением-пламенем или в
виде сизого дыма/, 5 - “шапка” отходящих про-
дуктов тления СС>2 и СО, 6 - лучистый поток
тепла, 7 - зона углей, 8 - зона термолиза дре-
весины, 9 - выход летучих из пор древесины с
конденсацией в форме белого дыма.
температурой экспоненциально ехр(-Е/кТ), и в точке “возгорание” тепловыделение начи-
нает превышать теплопотери, начинается саморазогрев древесины. Затем по мере раз-
горания кинетический фактор ехр(-Е/кТ) перестает расти и становится близким к едини-
це, а летучие из полена начинают препятствовать допуску кислорода к древесине, в
результате в точке “тление” достигается горение с динамически устойчивым энергетиче-
ским балансом /рис.74-а/. При появлении же обдува воздухом поступление кислорода к
обугленной поверхности возрастает, что приводит к дальнейшему разгоранию тлеющей
древесины с возможным переходом в пламенное горение /рис.74-б/.
Как мы уже отмечали, горит не сама по себе древесина, а продукты ее термического
разложения - летучие и угли. Если горят летучие /над древесиной/, то имеем пламенное
горение. Если горят угли, то имеем тление. В общем случае, тление и пламенное горение
происходят одновременно /параллельно/ и дополняют друг друга.
Возгорание /появление тления/ древесины очень часто порождает возникновение
воспламенения /появление пламенного горения/древесины. В свою очередь пламенное
горение древесины обычно завершается тлением древесных углей. При любом процес-
се тления мы имеем дело с беспламенным поверхностным горением древесных углей. Но
при возгорании древесины слой древесного угля тонкий и расположен на поверхности дре-
весины, и следует учитывать тепловые потери на прогрев теплоемкой и теплопровод-
ной древесины, в том числе и на выпаривание воды. А при тлении древесных углей теп-
ловые потери минимальны ввиду малой теплоемкости и теплопроводности углей.
Отметим попутно, что древесные угли, образующиеся при пиролизе древесины, могут
быть очень активными, и даже пирофорными /самовоспламеняющимися на воздухе/.
Потухшие же и остывшие на воздухе угли /пассивированные/ могут в значительной сте-
пени терять свою химическую активность. Продукты обугливания каменного угля /кокс/ и
нефти еще менее активны. Так, окисление электродного угля начинается лишь при 760°С
[12]. А высокоплотные графитовые блоки устойчивы в воздушной среде до 1500°С.
Ранее мы видели, как при подкидывании деревянной дощечки на
горящие угли чернеет, обугливаясь, поверхность древесины /рис.25/.
Если сильно подуть на только что воспламенившуюся поверхность, то
Горение древесины
71
Рис.76. Температура тления в пятне
Т и скорость распространения фронта
тления V в зависимости от линейной
скорости спутного потока воздуха
вдоль поверхности древесины [45].
можно легко “сдуть” пламя,
обнажив слегка обугленную
поверхность, причем видимых
признаков остаточного тления
на поверхности можно и не
заметить /кроме отдельных све-
тящихся точек/. Это объясняет-
ся тем, что в условиях интенсив-
ного выхода летучих обугливаю-
щийся слой не нагревается от
пламени выше температур
порядка 250-400°С. Так что тле-
ния /как самостоятельного про-
цесса горения/ пока не имеется.
По мере увеличения толщи-
ны обугленного слоя скорость
выделения летучих сокращается, а температура поверхности угольно-
го слоя растет до 400-600°С. Начинают проявляться локальные про-
цессы тления угольного слоя. Причем, если “сдуть” пламя, то тление
продолжается в виде пятен /зон, очагов/ тления /рис.75/.
При обдуве пятна воздушным потоком интенсивность тления повы-
шается. Это значит, что процесс тления идет в диффузионном режиме.
То есть уже при температурах порядка 400°С древесные угли /и сажа
тоже/ способны выгорать со скоростями, большими, чем скорость диф-
фузии кислорода к поверхности углей. И обдув, увеличивающий поступ-
ление кислорода, реально повышает скорость выгорания углей в пятне.
Действительно, эксперименты подтверждают, что температура тле-
ния и скорость спутного распространения пятна тления по поверхности
сухой древесины быстро растет с увеличением скорости обдува возду-
хом /рис.76/. При скоростях обдува менее 7 см/сек тление затухало.
При скоростях обдува более 22 см/сек тление раздувалось в пламя [45].
В других работах также отмечалось наличие минимально необходимых
скоростей обдува для тления одиночно расположенных /то есть не в
куче-костре/ образцов древесины и древесного угля [10, 46].
72
Дровяные печи
Рис.77. Время выхода тления на поверх-
ность при разных глубинах /толщинах/ слоя
сухих древесных опилок [47].
Именно этот факт и используется в так
называемых ’’газогенераторных” печах или
печах “длительного горения”/. При сокращении
подачи воздуха в герметичную печь пламенное
горение дров переходит в тление. И наоборот,
подача воздуха приводит к воспламенению
тлеющих дров. Режим тления считается эколо-
гически вредным из-за выделения большого
количества пахучего белого дыма 9 /рис.75/.
В процессах тления целесообразно огра-
ничивать /компенсировать/ энергетические
потери на тепловое излучение, в частности,
путем нагрева стенок топливника или путем
образования костра /соприкосновением тлею-
щих поленьев между собой/ или путем погру-
жения тлеющих поленьев в золу. Зола хоть и
препятствует конвективному поступлению воздуха к углям, но слабо влияет на диффузию
воздуха, что обеспечивает хоть и медленное, но надежное тление в золе порой даже
откровенно сырой древесины.
Напомним, что присутствие в воздухе водяных паров /в том числе и из-за испарения
влаги из мокрых дров/ способствует газификации углей, но требует затрат энергии и поэ-
тому не способствует развитию самоподдерживающихся процессов тления в бытовых
печах. Быстрое выгорание углей во влажном воздухе можно достичь только при пламен-
ном горении дров /то есть при наличии мощного тепловыделения в очаге горения/.
Процессы тления можно замедлить и даже предотвратить специальной пропиткой
древесины, например, солями металлов. Так, кипячение деревянной “палочки от моро-
женого” в концентрированном растворе поваренной соли /с последующей сушкой/ пред-
отвращает тление угольного остова, остающегося после пламенного выгорания палочки.
Так и деревянную соломку для бытовых спичек по ГОСТ1820-2001 пропитывают раство-
рами ортофосфорной кислоты Н3РО4 или фосфорнокислого аммония NH4H2PO4 для
предотвращения опасного остаточного тления спички. При этом выход не тлеющего уголь-
ного остатка составляет 30-35% от исходной массы спички.
Представляют интерес и экспериментальные данные по распро-
странению очага тления из глубины слоя сухих древесных опилок вверх
Горение древесины
73
навстречу диффундирующему сверху вниз воздуху /рис.77/. Оказалось,
что фронт тления с глубины 1 метр достигал поверхности слоя через
400 часов /это более двух недель/. Столь большие цифры представ-
ляются неожиданными, поскольку для преодоления 10 метров понадо-
билось бы более 4 лет. Ясно, что причиной столь медленного распро-
странения тления является медленность диффузии воздуха на боль-
шие глубины, в результате чего время тления росло как квадрат глуби-
ны слоя. И хотя на практике пожаров торфяных залежей и угольных
отвалов реализуются, видимо, иные процессы проникновения кисло-
рода на большие глубины /конвективные в каналах-разрежениях/, эти
цифры дают понять, сколь большими могут быть периоды выхода тле-
ния из глубины слоев горючих пылевидных материалов.
Древесный уголь является высокопористым материалом, так что
тление углей во многом схоже с выгоранием слоев опилок, а также с
горением слоев печной сажи. Так, широко известно, что процессы выго-
рания осадков сажи в дымохо-
дах/и органической пыли в вен-
тиляционных воздуховодах/ наи-
более опасны именно при нали-
чии потоков воздуха над возго-
ревшимися слоями сажистых
осадков. Действительно, при
высоких температурах скорость
химической реакции окисления
углей /как и слоев сажи в дымо-
Рис.78.Графический расчет темпера-
туры горения слоя углей площадью
S=400 см2. На вертикальной прямой
Тр= 2373°К откладываем точку, соот-
ветствующую мощности горения 44кВт.
Соединяем ее с точкой То=293°К пря-
мой К44(Т), соответствующей теплосо-
держанию дымовых газов. Суммируем
К44СГ) с Л(Т)= SoT^ и получаем штрих-
пунктирную кривую, затем по пунктир-
ным стрелкам до пересечения со
штрихпунктирной кривой вниз считыва-
ем температуру горящего слоя, а также
лучистые потери. Аналогично для точки
с мощностью горения 11 кВт.
74
Дровяные печи
Рис.79. Температурные зависимости
абсолютной влажности воздуха [51]. НП -
абсолютная влажность воздуха, насыщен-
ного паром над компактной водой /насы-
щенное, то есть максимально возможное,
массовое содержание водяного пара в воз-
духе, соответствующее относительной
влажности воздуха 100%/. Кривые с циф-
рами в процентах - абсолютные влажности
воздуха над влажной древесиной /цифры -
относительная влажность древесины в
процентах/. X - хомотермальная кривая,
отвечающая точке росы 40°С, при которой
начинается конденсация влаги на тело
человека.
ходах/ становится столь высокой,
что обдув воздухом всегда приво-
дит не к захолаживанию раска-
ленных углей, а к их большему
разгоранию.
Проиллюстрируем это числен-
но на примере дожигания углей на
решетке топливника. Теплота сгорания углей QG преобразуется не
только в теплосодержание раскаленных дымовых газов К(Т), но и в теп-
ловое излучение Л(Т) раскаленного слоя углей QG = К(Тр) = К(Т) + Л(Т)
= (1+11,5)Cn.rG(T-To) + SoT4, где Q = 7800 ккал/кг = 32750 кДж/кг - при-
нятое значение теплоты сгорания углерода [14], G (кг/сек) - скорость
выгорания углей, S (м2) - площадь слоя углей, Сп.г. - средняя тепло-
емкость дымовых газов, То, Тр и Т - исходная температура воздуха, тер-
модинамически расчетная температура продуктов сгорания и реальная
температура раскаленного слоя углей в °К, (1 + 11,5) в кг/кг - масса про-
дуктов сгорания на 1 кг углей. В таком случае, при отсутствии избытка
воздуха /при отсутствии “проскока” кислорода через слой углей/ при пло-
щади слоя углей 10см х 40см = 400см2 и при расходе воздуха 13,8 кг/час
(при скорости выгорания углей 1,2 кг/час и мощности горения 11 кВт)
слой углей имеет температуру порядка 1000°С и излучает 6 кВт лучи-
стого тепла. А при расходе воздуха 54,1 кг/час (при скорости выгорания
углей 4,7 кг/час и мощности горения 44 кВт) слой углей имеет темпера-
туру 1400°С и излучает 16 кВТ лучистого тепла /рис.78/.
Таким образом, при увеличении расхода воздуха /и при увеличении
мощности горения/ мощность излучения слоя углей на решетке растет
Горение древесины
75
количественно, но относительная доля излучения в тепловом балансе
угольного слоя снижается. Аналогично, при уменьшении площади слоя
углей при неизменном расходе воздуха температура слоя растет, но
доля излучения падает. Поэтому, в случае отсутствия “проскока” кисло-
рода через угольный слой для передачи как можно большего количе-
ства лучистого тепла в стенки топки выгодней делать решетку поболь-
ше, угли распределять на большую площадь, а скорость подачи возду-
ха делать минимально возможной.
Если же угли быстро выжигать большим потоком воздуха, как часто
рекомендуется в литературе, то необходимо иметь большую тепло-
съемную способность конвективной системы, чтобы тепло не вылетело
в трубу. Поэтому в обычных не герметичных кирпичных печах теплом
догорающих углей вообще зачастую пренебрегают, угли быстро выжи-
гают или механически удаляют совком из топки, лишь бы только не
выстудить печь /в том числе, за счет подсоса через щели и трещины
кладки/ при длительном дожигании углей.
Но конечно же, конвективная подача воздуха всегда более предпоч-
тительна для форсирования процессов тления при высоких температу-
рах. Так принудительная подача /наддув под напором/ воздуха с высо-
кой линейной скоростью /до десятков метров в секунду/ в слой горящих
дров или углей может повысить температуру внутри тлеющего слоя /где
отсутствуют лучи-
стые потери/ до
1400°С и выше, что и 2,2
используется в куз- 2,0
нечных горнах и Ь8
заводских металлур- 1,2
гических печах /а 1ж0
также в газогенерато-
ре 800 Т,°С	400	800 Т,°С
Рис.80. Температурные
зависимости физических
свойств газов [41]: 1 - воз-
дух, 2 - дымовые газы
“стандартного состава”
(76% азот, 13% углекис-
лый газ, 11% водяные
пары), 3 - водяной пар, 4 -
углекислый газ.
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
400	800 Т,°С	400	800 Т,°С
76
Дровяные печи
Температура газа /пара/, °C
Рис.81 .Температурные зависимости
динамической вязкости воздуха р, угле-
кислого газа СС>2 и водяных паров Н2О.
рах/. В бытовых же печах скорости
воздушных потоков за счет тяги
трубы не могут превысить 4-6
м/сек, и именно такие максималь-
ные линейные скорости стремят-
ся использовать в кирпичных
печах для быстрого дожигания
углей на решетке. Так, в печном
деле издавна рекомендовались
большие расходы воздуха, но с
малыми линейными скоростями для пламенного горения дров и малые
расходы воздуха, но с большими линейными скоростями для сжигания
углей на решетке [44].
1.5.	Свойства воздуха как окислителя
Атмосферный воздух содержит в объемных/и массовых/ процентах:
азотЫ2- 79,09%об (75,5%масс), кислород О2-20,95%об (23,1 %масс),
аргон Аг - 0,93%об (1,29%масс), углекислый газ СО2 - 0,03%об
(0,046%масс), примеси (неона, гелия, криптона, ксенона, радона, водо-
рода, озона, закиси азота) суммарно менее 0,0025%об, а также водя-
ные пары Н2О сверх 100% в зависимости от влажности воздуха.
Насыщенное, то есть максимально возможное, массовое содержа-
ние водяного пара над поверхностью компактной воды в воздухе /точнее
в 1 м3 пространства/ составляет: 5г/мЗ (0,61 %об или 611 Па,) при 0°С,
17г/мЗ (2,3%об или 2338Па) при 20°С, 50г/мЗ (7,1%об или 7076 Па) при
40°С /рис.7/. Реальное массовое содержание водяных паров /называе-
мое абсолютной влажностью воздуха/ равно насыщенному массовому
содержанию водяных паров в воздухе /в 1 м3 пространства/ при задан-
ной температуре, умноженному на относительную влажность воздуха.
Давление паров воды над влажной гигроскопической древесиной
/см. раздел 1.1.2/ всегда меньше, чем над поверхностью компактной
/капельной/ воды /см. рис.7/. Поэтому и абсолютная влажность воздуха
над древесиной уменьшается с уменьшением относительной влажно-
сти древесины /рис.79/.
Горение древесины
77
Обычно воздух в помещении имеет относительную влажность 0,4 - 0,6 /в относитель-
ных долях/ или 40-60% /в процентах/. Понятие относительной влажности воздуха практи-
чески удобно тем, что показывает степень насыщения воздуха влагой относительно мак-
симально возможного уровня при данной температуре и подсказывает возможную эффек-
тивность сушки мокрых предметов на воздухе /то есть возможность и скорость испарения
воды/. Относительная влажность также удобна тем, что легко оценивается простейшими
приборами - гигрометрами по удлинению гигроскопических нитей /шерстяных, целлю-
лозных, в том числе и волокон древесины/.
Вместе с тем, один и тот же воздух с одним и тем же массовым содержанием водяных
паров при нагреве как-бы самопроизвольно “теряет” свою относительную влажность, что
иногда запутывает обывателя. Это происходит потому, что давление насыщенного пара,
с учетом которого рассчитывается относительная влажность, растет с ростом темпера-
туры. Так что “потеря” воздухом своей относительной влажности в действительности лишь
формальна и означает о повышении способности воздуха принять в себя дополнительные
количества водяных паров при повышении температуры.
И наоборот, при охлаждении влажного воздуха относительная влажность воздуха фор-
мально растет и при некой температуре /называемой точкой росы/ становится равной
100%, после чего избыточные количества водяных паров конденсируются либо в виде
росы на поверхностях или в виде тумана /белой дымки/ в объеме воздуха.
Объемный состав воздуха, выдыхаемого человеком: азот 79,8%об,
кислород 16,4% об, углекислый газ 3,8%об, водяные пары 6%об сверх
100%. Так что влага в выдыхаемом человеком воздухе способна кон-
денсироваться даже на ладонь человека, не говоря уже о стеклах очков
при комнатной температуре. Вместе с тем роса в воздухе при выдохе
появляется лишь при 8-12°С /из-за быстрого разбавления выдыхаемо-
го воздуха, а также из-за термодинамических трудностей образования
первичных зародышей капель тумана/.
Рис.82. Плотность абсолютно сухого
(1) и максимально увлажненного возду-
ха со 100%-ной относительной влаж-
ностью (2). Рисунок на графике показы-
вает, что образующийся над каплей
воды 3 легкий влажный воздух 4 всплы-
вает вверх, а вместо него подсасывает-
ся тяжелый сухой воздух 5 (схема обра-
зования циклона над морской поверх-
ностью). Если же влага в воздухе нахо-
дится в виде тумана, то увлажненный
воздух может быть тяжелее сухого.
78
Дровяные печи
Физические свойства воздуха при повышенных температурах при-
ведены на рис. 80 и 81.
Напомним, что коэффициенты теплопроводности, вязкости и диффузии тесно связа-
ны между собой природной сутью диффузионного процесса переноса молекул. Ведь диф-
фузия приводит к перемещению не только молекул, но и вместе с ними импульса дви-
жения mV /в процессах вязкости/ и кинетической энергии mV2 /в процессах кондуктивной
теплопроводности/. Так, коэффициент динамической вязкости р пропорционален коэф-
фициенту теплопроводности Л и одновременно пропорционален произведению pD плот-
ности воздуха р на коэффициент диффузии D. Поэтому коэффициент диффузии молекул
азота и кислорода в воздухе D = 0,196 см2/сек близок к коэффициенту кинематической вяз-
кости воздуха v = р/р = 0,23 см2/сек и к коэффициенту температуропроводности воздуха
а = Л/С = 0,31 см2/сек, где С - массовая теплоемкость воздуха. Известные расчетные
температурные зависимости (Лир пропорциональны j d пропорционален т1>$)
соблюдаются весьма приблизительно. Так, коэффициенты диффузии молекул в воздухе
равны D(T) = D0(T/273)n, где Т в ок [27]:
Молекула	Do, см2/сек	п
Кислород	0,196	1,76
Водород	0,660	1,70
Вода	0,216	1,80
Окись углерода	0,149	1,72
Двуокись углерода	0,138	1,80
Бензин	0,061	2,0
1 0,1 0,01 мм
Рис.83. Примерный размер частиц
разной природы. Частицы с размером
10 мкм оседают /витают/ со скоростью
1 см/сек, с размером 1 мкм со скоро-
стью 0.01 см/сек, с размером 0,1 мкм
со скоросью 0,0001 см/сек. Частицы в
диапазоне 1 задерживаются в верх-
них дыхательных путях /носоглотка,
гортань, трахея/. Частицы в диапазоне
2 вдыхаются в бронхи и альвеолы
легких и могут там задерживаться.
Частицы в диапазоне 3 вдыхаются в
альвеолы легких и затем в основном
выдыхаются /но возможны химиче-
ские реакции/.
Горение древесины
79
Рис.84. Термодинамически расчетные
температуры продуктов сгорания влаж-
ных дров при различных коэффициен-
тах избытка воздуха а и при различных
относительных влажностях дров.
С ростом температуры плот-
ность воздуха падает /рис.80/.
Поскольку водяные пары легче
воздуха, то при повышенных
содержаниях влаги влажный воз-
дух может становиться заметно
легче сухого воздуха /рис.82/.
Для полного сгорания 1 кг
абсолютно сухих дров теоретиче-
ски необходимо затратить 4,6нмЗ абсолютно сухого воздуха /’’нормаль-
ных” кубометров, то есть приведенных по объему к нормальным физи-
ческим условиям - температуре 0°С и давлению 1атм/. При этом рас-
четная температура продуктов сгорания составляет порядка 2000°С.
Величина ^сух = 4,6нмЗ/кг (или ее соответствующий массовый эквива-
лент ^сух = 6,0 кг/кг) называется стехиометрическим коэффициентом
(стехиометрическим расходом) по воздуху для абсолютно сухой древе-
сины. Объем продуктов сгорания при этом составит 5,ЗнмЗ/кг [49,52].
Если в топку ввести избыточное количество воздуха /например, в
три раза больше, чем необходимо для полного окисления всех компо-
нентов древесины, то есть 13,8 нмЗ/кг/, то расчетная температура про-
дуктов сгорания составит не 2000°С, а лишь 850°С, хотя термодина-
мически расчетная температура оболочки пламени 2000°С не изме-
нится /см. далее рис.84, 87/. Кратность избытка воздуха называется
коэффициентом избытка воздуха а.
Стехиометрический коэффициент для влажной древесины ^вл мень-
ше стехиометрического коэффициента для абсолютно сухой древесины
^сух в (1 + w ) раз, где w (кг/кг) - относительная влажность дров относи-
тельно абсолютно сухой древесины в долях. Так, относительная влаж-
ность дров, соответствующая 0,3кг воды в 1 кг абсолютно сухой древе-
сины, равна w = 0,3 кг/кг = 30%. В частности, стехиометрический коэф-
фициент для древесины с типичной относительной влажностью 25%
составляет по объему 3,6нмЗ/кг или по массе 4,8 кг/кг. Вообще говоря,
требуется также поправка на влажность воздуха, поскольку воздуха с
влажностью d0 потребуется в (1 + d0) раз больше /здесь d0 - абсолют-
80
Дровяные печи
Рис.85. Расчетные парциальные давле-
ния водяных паров в дымовых газах при
различных избытках воздуха и различных
относительных влажностях дров w по рас-
четным данным [49]. Влажности дров w
указаны в процентах на кривых.
1,0	1,5	2,0
Коэффициент избытка воздуха, кг/кг
ная влажность воздуха в кг воды
на 1 кг абсолютно сухого воздуха/.
В этой книге используется понятие
относительной влажности дров w (в про-
центах % или в долях кг/кг) как отношение
массы влаги в дровах к массе абсолютно
сухой древесины по ГОСТ 3243-88 “Дрова”,
ГОСТ 16483.7-71 “Древесина. Методы опре-
деления влажности”, ГОСТ 17231-78
“Лесоматериалы круглые и колотые.
Методы определения влажности”. Имеется
и иное определение относительной влаж-
ности дров W как отношение массы влаги в дровах к массе реальной влажной древеси-
ны по ГОСТ Р 52911-2008 “Топливо твердое минеральное. Методы определения общей
влаги”. Пересчет указанных относительных влажностей производится по таблице:
W, %	0	5	10	15	20
w, %	0 5,3 11,1 17,7 25
25	30	40	50	60	75	80
33,3	42,9	66,7	100 150	300	400
100
оо
Вышеприведенные цифры относятся к суммарному процессу сгора-
ния дров. В реальности же сначала преимущественно сгорают летучие,
а затем догорают древесные угли. Если условно принять для оценок, что
масса догорающих древесных углей составляет не менее 15% от массы
исходных абсолютно сухих дров /см. раздел 1.1.4/ с теплотворной спо-
собностью не менее 7000 ккал/кг, то из 4500 ккал/кг тепла, образующе-
гося от сгорания 1 кг абсолютно сухих дров, не менее 1000 ккал/кг выде-
ляется при догорании древесных углей. Отметим, однако, что угли обра-
зуются одновременно с летучими /и горит не просто древесина, а обуг-
ленная древесина/, и вклад углей в общее тепловыделение может быть
существенно большим /см.раздел 5.8.4/. Наличие же в дровах влаги
существенно снижает количество углей за счет газификации углерода
с образованием горючих летучих - водорода и окиси углерода.
Горение древесины
81
Рис.86. Расчетные точки росы дымовых
газов при различных значениях коэффици-
ента избытка воздуха и при различных
относительных влажностях дров w по рас-
четным данным [49]. Влажности дров w
указаны в процентах на кривых.
Теплота сгорания углерода
составляет 7800 ккал/кг [14] (дре-
весных углей см. раздел 5.8.1) при
стехиометрическом коэффициен-
те по воздуху 11,5 кг/кг или 8,9
нмЗ/кг. Расчетные температуры
продуктов сгорания древесины,
древесных углей и летучих при-
мерно одинаковы и составляют
ориентировочно 2000°С (для эле-
ментарного углерода 2175°С [17]
и 2340°С [50]).
Коэффициент избытка воздуха, кг/кг
1.6.	Свойства дымовых газов
Дымовые газы можно формально рассматривать с известными допу-
щениями как воздух, поступивший в печь, но видоизмененный за счет
реакций горения дров, то есть обедненный кислородом, обогащенный
углекислым газом и водяными парами, а также загрязненный вредными
примесями /газовыми и аэрозольными/.
Наиболее характерным вредным загрязнением дымовых газов быто-
вых дровяных печей является визуально видимый “дым” - газовзвесь
/аэрозоль/ мелких твердых и жидких частиц. Процесс дымовыделения
называется в зарубежной литературе эмиссией частиц веществ - “emis-
sion of particles of matters” /РМ/ или "particulate matter” или “particle pol-
lution”. Обычно “тяжелые” белые /бурые/дымы имеют размер частиц 1-
Юмкм, черные дымы 0,1-1 мкм, “легкие” сизые дымки - менее 0,1 мкм
/рис. 83/. Службы экологии США считают эмиссию частиц с размером
менее 10 мкм /и особенно менее 2,5 мкм/ наиболее вредным компо-
нентом дымовых газов, поскольку эти частицы способны поступать в
кровь http://www.epa.gov/pm/.
В Европе тоже ужесточаются нормы выброса частиц, хотя до послед-
него времени контролировались лишь уровни загрязнения дымовых
82
Дровяные печи
Рис.87. Температура горения кине-
тического пламени /то есть в случае
предварительного смешения горючего
газа с воздухом/ равна температуре
продуктов сгорания (а). Температура
горения в оболочке диффузионного
факела /то есть в случае отсутствия
предварительного перемешивания/
при наличии избытка воздуха значи-
тельно превышает температуру про-
дуктов сгорания в топке (б). Указаны
термодинамически расчетные темпе-
ратуры для горелок на природном газе
и воздухе при двухкратном избытке
воздуха [50]. Бездымное горение диф-
фузионной горелки при отсутствии
избытка воздуха невозможно.
газов окисью углерода и непредельными углеводородами “СО и СН”,
причем современные нормы выброса дровяных печей сопоставимы с
уровнем выхлопа современных автомобилей /см. раздел 5.10/.
Основные всплески выброса дыма и окиси углерода происходят при
подбрасываниях свежих дров в печь и при самопроизвольных рассыпа-
ниях /обрушениях/ закладок поленьев во время их горения, поскольку
именно в эти моменты наблюдается повышенный выход и белого, и чер-
ного дыма из-за появления в огне необугленных поверхностей древе-
сины и из-за повышенного выхода летучих продуктов термолиза.
В ходе горения кислород атмосферного воздуха преобразуется в дву-
окись углерода /без изменения объема газов/ и в водяные пары /с уве-
личением объемов газов/, в результате чего объем дымовых газов боль-
ше, чем объем исходного воздуха - на 15% в случае абсолютно сухих
дров и на 20% в случае дров влажностью 25% в расчете на “нормальные”
объемы - кубометры нмЗ (то есть приведенные к нормальным физиче-
ским условиям 0°С и 1 атм, иными словами, без учета расширения
дымовых газов при повышении температуры).
Температура дымовых газов в дымовой трубе зависит не только от
коэффициента избытка воздуха и влажности дров /рис. 84/. Ясно, что
дымовые газы постепенно остывают в печи по мере продвижения от топ-
ливника к оголовку трубы за счет собственного излучения и за счет кон-
тактной теплопередачи /кондуктивной и конвективной/ в стенки печи.
Чем ниже температура дымовых газов в дымовой трубе, тем выше КПД
печи, но тем меньше тяга трубы.
Горение древесины
83
Дымовые газы содержат большое количество водяных паров, причем
образующихся преимущественно при сгорании химических веществ
древесины, а не при физической сушке исходной древесины. Массовое
содержание влаги в 1 кг дымовых газов составляет с1(кг/кг) = (w +
5,96ad0+ 0,54)/(w + 5,96ad0+ 1 + 5,96a) = do + (0,0906 + 0,168w)/(0,168
+ a), где a - коэффициент избытка воздуха, w - относительная влаж-
ность дров в массовых долях / кг влаги на 1 кг абсолютно сухих дров/.
Таким образом, влажность дымовых газов и точка росы быстро падает
с ростом коэффициента избытка воздуха а /рис. 85, 86/.
Отметим попутно, что газы обладают способностью растворяться в
воде, в том числе и каплях тумана. Если растворимости азота 0,015
м^/мЗ и кислорода 0,031 мЗ/мЗ не велики, то растворимости углекисло-
го газа 0,88 м^/м^, сернистого газа 39мЗ/мЗ и хлористого водорода
440мЗ/мЗ значительны /все численные данные для 20°С/. Поэтому,
например, присутствие серы в топливе /в угле или в природном газе/
приводит к переводу капель водяного тумана в капли серной кислоты,
причем точка росы при этом заметно повышается, поскольку в дымо-
вых трубах конденсируется уже не вода, а серная кислота. Все это
может приводит к дополнительному разрушению стенок дымовых труб.
В заключение еще раз подчеркнем, что в случае горения дров тем-
пература дымовых газов не имеет никакого отношения к температуре
горения /см. раздел 1.3.3/. Просто иногда ошибочно называют темпера-
туру дымовых газов в дровяной топке температурой горения печи. В
действительности же, температура горения в оболочке диффузионного
факела равна термодинамически расчетной температуре для коэффи-
циента избытка воздуха, равного единице /с учетом потерь на излучение
реальная температура горения намного ниже/. А потом получившиеся
горячие продукты горения смешиваются с избыточным количеством
воздуха /’’балластом”/, охлаждаются за счет смешения и приобретают
температуру дымовых газов, равную термодинамически расчетной тем-
пературе при реальном избытке воздуха /рис. 87/. И только в пламенах
с предварительным смешением газов с воздухом /в кинетических пла-
менах/ температура горения равна температуре дымовых газов.
84
Дровяные печи
2.	Движение газов
Бытовая дровяная печь представляет собой устройство, автомати-
чески создающее внутри себя непрерывный поток газов. Тем самым в
работающей дровяной печи обеспечивается постоянная подача све-
жего воздуха и постоянный вывод дымовых газов, несмотря на полное
отсутствие каких-либо внешних механических газодувных устройств.
Поскольку законы движений газов лежат в основе работы дровяных
печей всех типов, напомним основные понятия газодинамики.
2.1.	Понятие идеального газа
Печные газы представляются сплошной /как-бы “жидкой”, “текучей”/
средой, но в действительности имеют дискретную микроструктуру, опи-
сываемую молекулярно-кинетической теорией /см. раздел 1.3.1/.
В настоящей книге используется модель “идеального газа”, согласно
которой газ состоит из отдельных частиц-молекул. Молекулы находят-
ся в свободном прямолинейном движении за исключением моментов
соударений между собой или со стенками сосуда /в отличии от жидко-
стей, в которых молекулы постоянно испытывают силы притяжения
между собой/. Молекулы в газе многочисленны, часто соударяются, и
газ в виде “толпы молекул” представляется сплошной субстанцией.
Сплошная среда с микроструктурой “идеального газа” характеризу-
ется тремя параметрами - давлением р, температурой Т и плотностью
р /или концентрацией молекул п = р/m, где т - масса одной молекулы/.
Эти параметры входят в так называемое “уравнение состояния” иде-
ального газа р = nkT = pRT, где к = 1,38.10"^3 Дж/град - постоянная
Больцмана, R = кА = 8,31 Дж/г-моль.град = 287 м^/сек^град - универ-
сальная газовая постоянная, А = 6,02.1023 г-моль_1 - число Авогадро.
Наука о движении газа как сплошной среды называется газодина-
микой /или аэродинамикой в случае воздуха/. Основным параметром в
динамике газа является давление газа р, имеющее физический смысл
силы механического воздействия газа на единицу поверхности стенки
Движение газов
85
Рис. 88. Молекулы идеального газа, отскакивая от стенки,
создают механическое давление на стенку.
сосуда /в том числе и в виде силы сжатия одних
объемов газа другими объемами газа/.
Механическое воздействие обусловлено ударами
молекул по стенке сосуда /рис.88/.
Газы способны сжиматься под действием
внешних механических воздействий. При сжатии
объема газа происходит повышение давления
газа, а также производится работа, равная про-
изведению текущего давления на изменение
объема. Эта работа внешних сил идет на нагрев
объема газа. Факты сжимаемости газов и их нагрева от сжатия особен-
но важны в авиации и космонавтике [57-59].
Однако, в печах изменения давления оказываются крайне незначи-
тельными. Так, даже при ураганах со скоростью ветра 30 м/сек напор
воздуха /давление ’’заторможенного ветра”/ составляет всего 700 Па при
величине атмосферного давления 100000 Па. А в печах перепады дав-
ления и вовсе не превышают 70 Па, то есть относительные изменения
плотности воздуха не превышают сотых долей процента. В этих усло-
виях печные газы можно считать практически не сжимаемыми, тем
более не подвергаемыми заметным нагревам от столь малых сжатий.
Поэтому при анализе течений газов в печах будем использовать
законы гидравлики - науки о течениях несжимаемых жидкостей.
2.2.	Гидравлическое приближение
Предположение о несжимаемости газов в печах наверняка смутит
многих печников. Действительно, газы в печах то нагреваются и рас-
ширяются, то охлаждаются и сжимаются. Значит, газы в печах все время
изменяют свой объем. Как же увязать эти реально проявляющиеся рас-
ширения газов с предположением о
несжимаемости газов?
Дело в том, что гидравлическое
приближение применительно к газам
подразумевает, что существенные рас-
Рис.89. Расширение газа поршнем.
86
Дровяные печи
\ п	Рис.90. Иллюстрация закона Паскаля при-
/	менительно к невесомой среде /жидкости или
. Р	газа/.
р<	I	р
р р н ширения и сжатия газов возможны
/ Р	1 только за счет изменений температу-
| Р/ ] Р / Ры газов /обусловленных процессами
р	>4 горения или теплопередачи от внеш-
р4 них источников тепла или холода/.
. - р	Изменения же давления настолько
р ।	малы, что не в состоянии заметно
изменить объемы газов и, тем более,
заметно нагреть или охладить газы. Иными словами, гидравлическое
приближение по существу означает, что процесс предполагается изо-
барическим, то есть протекающим при постоянном давлении.
Попробуем с силой “растянуть” /расширить/ газ поршнем в два раза
/рис.89/. Концентрация молекул п /и соответственно плотность газа р/
уменьшится в два раза. А на сколько уменьшится давление газа?
Казалось бы, тоже в два раза. Но на самом деле, молекулы при столк-
новениях с “ускользающим от них” поршнем теряют скорость. Поэтому
температура газа при расширении уменьшается. Значит и давление
газа р = pRT в этом случае падает быстрее, чем падает плотность газа.
Если процесс идет в теплоизолированном объеме /то есть без потерь
тепла - адиабатически/, то уравнение состояния идеального газа при-
обретает вид р = Кр\ где К - коэффициент прямой пропорционально-
сти, у = Cp/cv - степенной показатель адиабаты, Ср и cv - удельные теп-
лоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме соот-
ветственно [58]. Степенной показатель адиабаты у равен для одно-
атомных газов 1,66, для двухатомных 1,40 и для многоатомных 1,33.
Все это и приводит к известным /но порой парадоксальным, с точки
зрения печника/явлениям в авиационной и космической аэродинамике,
в частности явлениям ускорения сверхзвуковых потоков в расширяю-
щихся соплах реактивных двигателей.
Так вот в печах подобных явлений нет, поскольку нет адиабатиче-
ских процессов - объемы газа успевают обмениваться энергией. Так,
при принудительном расширении охлаждающийся газ успевает нагре-
ваться извне /например, от массивного поршня/ с сохранением своей
прежней температуры /изотермически, то есть как-бы с “показателем
адиабаты”, равным единице/ либо даже с сохранением своего прежне-
го давления /изобарически, то есть как-бы с “показателем адиабаты”,
Движениегазов
87
равным нулю/. И наоборот, при принудительном нагревании газ успевает
расширяться так, чтобы давление практически не изменялось бы.
В дальнейшем мы будем рассматривать только изобарические про-
цессы с постоянным давлением р = nkT = pRT = const, то есть такие, при
которых изменения плотности газа происходят только из-за принуди-
тельного нагрева или охлаждения газов [60-62].
Вместе с тем, в реальных изобарических процессах в печах неми-
нуемо возникают незначительные временные или пространственные
изменения давления /в виде перепадов давления/, которые способны
вызвать только механические движения-перемещения /ускорения или
торможения/ газа, но не изменения температуры и плотности газа.
Поэтому примем, что хотя везде и всегда величины давления пример-
но одинаковы pi = Р2, но тем не менее разности /перепады/давлений
(Р1 - Р2)’хоть и малы по величине, но могут реально отличаться от нуля.
Когда это может наблюдаться? Легко сообразить, что на больших
глубинах гидростатическое давление настолько велико, что намного
превышает возможные локальные изменения давления, вызванные
движением самой жидкости /например, под воздействием гребных вин-
тов подводной лодки/. Иными словами, для изучения газов будем при-
влекать гидродинамическую модель медленных придонных течений
“глубокой воды”. Поэтому в дальнейшем вместо слова “газ” будем часто
употреблять термин “жидкость”.
2.3.	Гидростатика
По закону Паскаля /основному закону
гидростатики/давление, производимое на
покоящуюся жидкость или газ, передается
в любую точку жидкости или газа одинако-
во по всем направлениям. То есть, если
весь объем газа в сосуде сжимается, то
сжимаются с таким же давлением и все
микрообъемы этого газа. Причем силы
внешнего сжатия микрообъемов газа урав-
Рис.91. Иллюстрация закона Паскаля примени-
тельно к весомой среде /жидкости или газа/. Здесь и
далее под значком Д/дельта/ будем понимать изме-
нение /увеличение или уменьшение/ величины пара-
метра, в данном случае глубины /высоты/ Н.
Поверхность жидкости /газа/
Р2 = Ро9н
88
Дровяные печи
новешивается “силами внутреннего противодействия” за счет давления
внутри микрообъемов газа, так что в газе все уравновешено /рис.90/.
Именно такое понимание школьного закона зачастую приводит, по
давнему признанию В.Е.Грум-Гржимайло, к известным недоразуме-
ниям среди печников: “Закон Паскаля излагается в учебниках для неве-
сомой жидкости, но не излагается для жидкостей весомых. Для людей,
живущих на земле, надо сделать оговорку, что для весомых жидкостей
нужно внести поправку на гидростатическое давление жидкости” [60].
Дело в том, что очень часто, например, печники считают, что в любой
камере /в частности, в топливнике печи или в дымовой трубе/давление
всюду одинаковое /потому, что это, мол, один ни чем не разделенный
объем газа/. Но даже в не разделенном объеме газа величины давлений
газа на разных высотных отметках отличаются /даже в статическом слу-
чае неподвижного газа/ из-за наличия веса самого газа - нижние слои в
объеме газа сжимаются под весом вышележащих слоев газа.
Конкретизируем это утверждение с точки зрения вышеупомянутой
модели придонных течений “глубокой воды”. Действительно, движения
газов в печах /как свежего воздуха, так и дыма/ происходят в нижних
слоях атмосферы /на дне воздушного “океана”/, где на каждый объем
газа давит вес вышележащих слоев воздуха. Глубина этого воздушного
“океана” в пересчете на однородную атмосферу составляет порядка Н
= 10 км, а с учетом падения плотности воздуха по высоте по закону
Больцмана - десятки километров /рис.91/. Это подтверждает, что
величины перепадов давлений газов в печах/с высотой трубы не более
10 метров/ очень малы по сравнению с величиной самого давления
атмосферного воздуха на уровне земли. Но в этом разделе мы хотели
бы подчеркнуть нечто иное, а именно, указать, что эти “микроперепады”
давлений в печи неизбежны.
Дело в том, что давление /как сила внеш-
него сжатия микрообъема газа в расчете на
единицу поверхности микрообъема/ в каж-
дой точке газа на глубине Н воздушного
“океана” равно родН /рис.91/. То есть давле-
ние равно весу столба воздуха высотой Н и
Рис. 92. Гидравлические аналогии: а - легкий горячий
воздух Г вытесняется из стакана тяжелым холодным
воздухом X, б - вода выливается из перевернутого ста-
кана, в - легкий горячий воздух удерживается в опроки-
нутом стакане, г - вода удерживается в стакане.
Движение газов
89
Рис.93. Избыточные давления
легких горячих газов относительно
давления воздуха атмосферы на
том же высотном уровне в колпаке
и в канальной системе печи /с
закрытой вьюшкой - заслонкой на
дымовой трубе/. Направления
стрелок указывают на то, что горя-
чие газы в случае наличия отвер-
стий должны выходить наружу.
поперечным сечением один квадратный метр. Таким образом, давле-
ние в нижней части микрообъема больше чем в верхней части микро-
объема. Эта разность давлений родН - род(Н-ДН), направленная вверх,
как раз и компенсирует силу тяжести микрообъема газа рдДН, направ-
ленную вниз /закон Архимеда/. Если же плотность газа внутри микро-
объема р меньше, чем плотность газа снаружи микрообъема р0, то мик-
рообъем газа начинает всплывать, то есть выталкиваться окружающей
средой вверх силой Архимеда (р0 - pjgAH.
Таким образом, горячий газ в обычном /дном вниз/ “стакане” может
быть выдавлен вверх окружающим холодным воздухом, то есть нахо-
дится в гидравлически не устойчивом состоянии /рис. 92-а/. И наобо-
рот, горячий воздух, помещенный в “опрокинутый стакан” /по россий-
ской печной терминологии “колпак”, по зарубежной “bell” - купол, коло-
кол/, находится в гидравлически устойчивом состоянии. Это обуслов-
лено тем, что горячий воздух легче холодного воздуха. Поэтому, если
мы вместо легкого горячего воздуха возьмем тяжелую воду, то картина
изменится на противоположную - вода будет устойчива в стакане и
будет выливаться из опрокинутого стакана /рис.92-б/. Эти обыденные
и очевидные факты лежат в основе известной умозрительной идеи -
гидравлической модели-аналогии В.Е.Грум-Гржимайло: “Пламенный
поток есть обращенная река” [60]. То есть движение горячих газов в
печи можно условно моделировать /мысленно представлять себе/ как
течение воды в перевернутой “вверх ногами” схеме печи.
Ясно также, что давление на дне стакана /как и в глубине любого
водоёма/ больше давления воздуха вне стакана на том же высотном
уровне. То есть, если сделать отверстие в дне стакана, то вода под
напором хлынет наружу. Значит, по аналогии, и в верхней части колпа-
ка, заполненного горячими газами, существует повышенное давление
/рис.93/. Действительно, давление на нижнем срезе колпака р0 одина-
ково как внутри, так и снаружи колпака, и для определения давления
90
Дровяные печи
Рис. 94. Эпюры перепадов давления
воздуха на стенах теплого здания в
холодной атмосфере, а) - при открытом
верхнем отверстии давление внутри
меньше, чем снаружи, б) - при откры-
том нижнем отверстии давление внутри
больше, чем снаружи, в) - при открытых
верхнем и нижнем отверстиях давле-
ние распределяется так, что возникает
поток воздуха /см.текст/.
на более высоких высотных отметках надо вычесть вес столба газа,
расположенного выше среза колпака. При этом вес столба легкого
горячего газа будет меньше веса столба тяжелого холодного воздуха.
А следовательно, давление горячих газов внутри колпака будет боль-
ше, чем давление воздуха снаружи на том же высотном уровне.
Вышеуказанные перепады давления являются гравитационными,
поскольку обусловлены наличием сил земного тяготения. В печном
деле эти перепады давления называют тягой /или самотягой/. Тяга при-
нимает положительное значение, если в печи образуется разрежение
/если величина давления внутри меньше величины давления снаружи/.
Так что в колпаке тяга отрицательная /’’обратная” - не путать с понятием
“обращенной” тяги В.Е.Грум-Гржимайло/, и при наличии отверстия воз-
дух не всасывается в печь, а наоборот, выталкивается.
Аналогично и в отапливаемых зданиях зимой - при открытых нижних
окнах 3 и закрытых верхних окнах 4 давление внутри здания будет
выше, чем снаружи /рис.94/. В этом легко убедиться, приоткрывая
верхние окна 4 - воздух изнутри будет выходить наружу. А если наобо-
рот, открыть верхние окна 1 и закрыть нижние окна 2, то давление внут-
ри здания будет ниже, чем снаружи. Если же открыть верхние 6 и ниж-
ние 5 окна одновременно, то в верхней части здания будет повышен-
ное давление /выталкивающее воздух/, а в нижней части здание пони-
женное давление /всасывающее воздух/. При этом возникает непре-
рывный вентиляционный поток воздуха снизу вверх. Появляется также
некий высотный уровень 7, называемый “нейтральным”, разделяющий
зоны разрежения /со знаком “минус”/ и напора /со знаком “плюс”/.
Наличие выявленных перепадов давления означает наличие сил
механического воздействия на газ. А сила всегда вызывает ускорение
движения тела - увеличение или уменьшение скорости движения газа.
Печники зачастую судят о характере таких движений и ускорений
газов незатейливо - исходя из привычных бытовых представлений о
Движениегазов
91
движениях воды при различных воздействиях. Последуем этой тради-
ции и проанализируем простейшие случаи динамики газов в первом
приближении на модели идеальной жидкости неизменной плотности.
2.4.	Гидродинамика невязкой жидкости
Идеальной жидкостью называют некую абстрактную условную жид-
кость, не имеющую вязкости. Понятие идеальной жидкости не эквива-
лентно понятию идеального газа. Идеальный газ обладает свойствами
переноса молекул из одной области газа в другие области /свойствами
диффузии/, свойствами переноса импульса молекул /свойствами вяз-
кости/ и свойствами переноса кинетической и потенциальной энергии
молекул /свойствами теплопроводности/. Идеальная же жидкость всеми
этими свойствами молекулярного переноса не обладает. Так что модель
идеальной жидкости является абсолютно не реальной моделью, по
физической сути не совместимой с моделью идеального газа, но фор-
мально может рассматриваться предельным случаем ничтожно низкой
вязкости. Ричард Фейнман остроумно назвал идеальную жидкость
“сухой водой”, поскольку такая жидкость не может удержаться на руке и
тотчас стекает из-за отсутствия вязкости и адгезии [61].
Если такую идеальную жидкость налить в “тазик” и привести ее в
движение рукой, то она будет бесконечно долго двигаться каким-то
Рис.95. Пояснение физической сути уравнения Бернулли - приведены параметры дви-
жения идеальной жидкости из одного бесконечно большого сосуда в другой бесконечно
большой сосуд по трубе переменного поперечного /проходного, “живого”/ сечения.
92
Дровяные печи
Vp Yirvo
Ро ^.В-^Ро Ро *
У?7 Р2>РО	-—►
Рис.96. Течение идеальной жид-
кости в горизонтальной трубе с
переменным поперечным сечени-
ем. В местах заужений скорость
течения жидкости увеличивается, а
статическое давление снижается.
Собственно, газ в местах сужений
разгоняется именно за счет сниже-
ния статического давления.
определенным образом, не изменяя во времени своей скорости и тра-
ектории движения. Причем, если в результате такого внешнего /прину-
дительного/ механического воздействия возникнут вихревые течения,
то и они будут продолжаться бесконечно долго, поскольку не существу-
ет сил вязкости, способных остановить вращение и кручение микро-
объемов идеальной жидкости в объеме не вращающейся жидкости.
2.4.1.	Уравнение Бернулли для невязкой жидкости
Движения идеальной жидкости математически описываются диф-
ференциальными уравнениями Эйлера. Математики посвятили тысячи
печатных работ для аналитического решения этих уравнений движе-
ния [62-63]. В простейших случаях анализ облегчается тем обстоятель-
ством, что картину течений идеальной жидкости можно условно пред-
ставить как совокупность многочисленных “трубок тока” - параллель-
ных потоков жидкости, не взаимодействующих между собой из-за отсут-
ствия вязкости. Более наглядными понятиями являются “линии тока” -
траектории движения мысленно вводимых в жидкость “меток” /пыли-
нок/. Линии тока как раз и образуют стенки гипотетических трубок тока.
Для конкретной трубки тока удается проинтегрировать систему урав-
нений Эйлера и получить решение в
форме так называемого уравнения
Бернулли: р/р + gh + V^/2 = const. Это
простое уравнение /формула, теорема,
решение/ широко известно, в том числе
и бытовым печникам [62-75]. Оно выра-
Рис.97. Манометрическая трубка для измере-
ния статического давления жидкости в сосуде :
слева - запаянная сверху вакуумированная труб-
ка, справа - открытая сверху на атмосферу.
Движениегазов
93
жает закон сохранения энергии для единицы массы жидкости, движу-
щейся внутри трубки тока. Вся беда только в том, что заранее “нари-
совать” /предугадать/ форму и расположение трубок тока в движущей-
ся жидкости не представляется возможным.
Но если идеальная жидкость течет по трубе малого поперечного
сечения, то трубкой тока становится сама труба. Так, если в некой труб-
ной системе возбудить /например, взмахом руки/ течение идеальной
жидкости /например, из одного бесконечно большого водоема в другой/,
то это течение будет продолжаться бесконечно долго без изменений
после прекращения механического воздействия /рис.95/.
Если плотность идеальной жидкости р является неизменной /а имен-
но такой случай рассматривается в разделах 2.4 и 2.5/, то уравнение
Бернулли приобретает вид р + pgh + pV^/2 = const, где р - давление
/как потенциальная энергия сжатия единицы объема жидкости/, pgh -
потенциальная энергия объема жидкости в поле тяготения, h - высотный
уровень объема жидкости относительно “дна водоема” /напор/, pV^/2 -
кинетическая энергия объема жидкости.
В случаях снижения суммы слагаемых (р + pgh), жидкость уско-
ряется. То есть, напор h может преобразовываться либо в сжатие р,
либо в скорость V. Ускоряется жидкость и в местах сужения трубки
/вследствие сохранения массового расхода жидкости вдоль трубки/,
причем для обеспечения этого ускорения давление р или напор h долж-
ны неизбежно уменьшаться в ускоряющейся жидкости /рис.96/.
На горизонтальном участке трубы уравнение Бернулли упрощается:
р + pV^/2 = Ро = const. Причем использовавшееся нами ранее понятие
давления р называют обычно “статическим давлением”, а член pV^/2
- называют “динамическим давлением”. Сумма статического и динами-
ческого давлений называется “пол-
ным давлением” Ро. При этом пол-
ное давление приобретает смысл
статического давления при полном
торможении потока /например, в
водоеме-сосуде большого объема/.
Распределение статических дав-
лений вдоль по потоку определяется
Рис.98. Истечение жидкости /слева напра-
во/ из сосуда через отверстие длиной L и
поперечным /’’живым”/ сечением S под дей-
ствием перепада давления Др = (р>| - Р2).
94
Дровяные печи
с помощью манометрических трубок /рис.97/. В запаянной сверху мано-
метрической трубке над столбом жидкости находится невесомый
вакуум, так что статическое давление жидкости в сосуде равно давле-
нию столба жидкости в манометрической трубке. В случае открытой
манометрической трубки статическое давление в сосуде соответствует
сумме давления столба жидкости в манометрической трубке pgh и дав-
ления атмосферного воздуха р0 /рис.97/.
2.4.2.	Истечение жидкости из отверстия
Оценим линейную скорость истечения V идеальной жидкости из
отверстия в стенке бесконечно большого открытого сосуда в атмосфе-
ру /рис.98/. Поскольку жидкость в большом сосуде практически непо-
движна, то согласно уравнению Бернулли р= Р2 + pV^/2 , причем вне
зависимости от того, в боковой стенке или на дне сосуда расположено
отверстие. Отсюда следует, что V = [2(р>| - Р2)/р] 0,5 = (2Др/р) °’5> где Др
- перепад давления на стенке сосуда. Именно с такой скоростью будет
выдавливаться и теплый газ из верхнего вентиляционного отверстия 4
в теплом домике /рис.94/.
Аналогичную формулу можно получить и из закона Ньютона F = та,
где F= (pi - P2)S - сила, действующая на объем жидкости в отверстии
/канале/длиной L и поперечным сечением S, m = SLp - масса объема
жидкости в отверстии. Отсюда следует, что на длине отверстия L жид-
кость движется с ускорением а = (р^ - P2)S/SI_p = Др/Lp. Пользуясь
известными соотношениями V(t) = at и L(t) = at2/2, где L(t) - путь, прой-
денный за время t, получаем V = (2Др/р) °>5. То есть скорость истече-
ния идеальной жидкости не зависит ни от длины отверстия L, ни от пло-
щади поперечного сечения отверстия S. Действительно, переход потен-
циальной энергии сжатия жидкости в сосуде в кинетическую энергию
струи по закону сохранения энергии
от конкретных условий перехода.
не должен зависеть количественно
Предположим, что перепад дав-
ления Др обусловлен напором
/высотой столба/ жидкости Н в
Рис.99. Истечение идеальной жидкости
из отверстия под напором жидкости Н.
Здесь р0 - давление атмосферы, 1 -
неверное изображение трубки тока /см
раздел 2.4.8/, 2 - линия тока жидкости.
Движениегазов
95
сосуде: Др = рдН. Тогда, линейная скорость истечения идеальной жид-
кости составит V = (2дН)°>5 - формула Торричелли [76, 77]. Такая ско-
рость истечения не зависит от плотности жидкости и может обеспечить
фонтанирование жидкости до высоты уровня свободной поверхности
жидкости в сосуде /рис.99/. Такая величина линейной скорости истече-
ния в точности равна скорости предмета, падающего с высоты Н.
2.4.3.	Свободное падение струи жидкости
После истечения из отверстия со скоростью , жидкость начинает
падать в атмосфере в поле земного тяготения с ускорением свободно-
го падения д, формируя непрерывно сужающуюся струю /рис. 100/.
Поэтому, руководствуясь известной формулой V2 = (\Л| + gt), каза-
лось бы, линейная скорость движения жидкости в нижней точке падения
S2 должна была бы быть равной V2 =	+[2g(H2 -	)]°>5 = [2дН>|]°>5 +
[2д(Н2 - Н>| )]°А Но это совсем не так, поскольку свойствами аддитив-
ности обладают не скорости, а кинетические энергии. Действительно,
точный расчет дает значение V2 = [2дН2]0,5, причем независимо от
соотношения высот и Н2 /рис. 100/.
Эти простейшие факты удивительны со многих точек зрения. Во-
первых, оказывается, что принципиально нельзя энергетически разде-
лить процессы истечения из отверстия и процессы дальнейшего уско-
рения струи в атмосфере. Во-вторых, согласно тому же закону сохра-
нения энергии линейная скорость движения жидкости определяется
лишь расстоянием от верхней /свободной/ поверхности жидкости до
рассматриваемой точки падающей струи. В-третьих, линейная скорость
жидкости не зависит от того, выдавливается ли она
из отверстия под напором жидкости h или свободно
падает с высоты h. В-четвертых, массовый расход
жидкости PV2S2 определяется вовсе не величиной
Н2 /как в случае линейной скорости/, а именно толь-
ко величиной Н^. Так что для повышения массово-
го расхода жидкости необходимо опускать отвер-
стие S'] как можно ниже. В-пятых, в силу закона
сохранения потока массы pV>|S^ = PV2S2 увеличе-
ние. 100. Геометрия струи жидкости, истекающей из отвер-
стия и затем свободно ускоряющейся в воздухе под действием
сил земного тяготения /см. текст/.
96
Дровяные печи
Рис.101. Модельные представления
падающей жидкости /см. текст/.
ние линейной скорости падения
жидкости приводит к уменьше-
нию поперечного сечения струи
жидкости. То есть, при свободном
падении струя жидкости непре-
рывно утоньшается /сужается/.
Соответственно, направленная
строго вверх струя жидкости
/фонтан/ при замедлении в поле
тяготения непрерывно расши-
ряется вплоть до остановки.
Эффект сужения падающей струи жидкости можно пояснить и на
языке механики, если условно представить падающую струю жидкости
как непрерывную цепочку /последовательность/ отдельных падающих
капель /рис. 101-а/. Каждая капля падает “сама по себе” с ускорением
свободного падения, так что расстояние между соседними каплями
непрерывно увеличивается /точно так же, как увеличивается интервал
между автомобилями в ускоряющемся после включения светофора
потоке/. Но ведь и внутри самих капель жидкость в лобовой части успе-
вает пройти больший путь, чем жидкость в тыльной части капли,
поскольку раньше начала падать. Поэтому капли при свободном паде-
нии удлиняются и /ввиду сохранения объема/ сужаются /рис. 101-6/.
Рано или поздно, эти удлиняющиеся продолговатые капли сливаются в
единую сужающуюся струю.
Здесь мы молчаливо предположили, что окружающий воздух не ока-
зывает сопротивления падающей капле /поскольку воздух тоже считаем
идеальной жидкостью без вязкости/. Кроме того, не учли, что при силь-
ном утоньшении струи она вновь разбивается на капли за счет сил
поверхностного натяжения /рис.101-в/.
2.4.4.	Напор жидкости как аналогия печной тяги
Остановимся на вопросах расхода истекающей жидкости /объемно-
го или массового, что по сути одно и то же при неизменности плотности
жидкости р/. Мы уже убедились, что по закону сохранения энергии
линейная скорость падающей жидкости зависит только от расстояния до
верхней /свободной/ поверхности жидкости. Значит, расход истекающей
Движение газов
97
Рис.102. Линейная скорость истече-
ния идеальной жидкости зависит только
от напора Н вне зависимости от формы
сосуда. Поэтому подсоединение к
отверстию в сосуде /б/ удлиняющего
насадка неизменного сечения /в/ при-
водит к повышению массового расхода
жидкости.
жидкости в случае рис. 100
можно увеличить либо увеличе-
нием Н-|, либо увеличением
площади поперечного сечения
отверстия S']. Участки же струи,
уже находящиеся “в свободном
полете”, уже не в состоянии
“увлекать за собой” жидкость из сосуда и повышать ее расход.
В то же время ясно, расход жидкости через сливное отверстие в
сосуде можно увеличить не только повышением уровня верхней /сво-
бодной/ поверхности жидкости в сосуде и не только увеличением попе-
речного сечения сливного отверстия, но и подсоединением к сливному
отверстию “удлиняющего нисходящего насадка” /штуцера, шланга,
трубы/того же проходного сечения /рис.102-в/. Так, если к “бачку клиз-
мы” подсоединить длинный нисходящий шланг, то скорость опорожне-
ния “клизмы” существенно увеличится /рис. 103/. Такой эффект можно
объяснить и увеличением напора
жидкости Н в сливном отверстии
сосуда /ведь насадок является фак-
тически частью-продолжением сосу-
да/, и дополнительным “вытягивани-
ем” жидкости из отверстия сосуда
весом столба жидкости в насадке.
Ясно, что этот “вытягивающий”
эффект тут же пропадает, как толь-
ко в насадок попадает воздух, и
столб жидкости превращается в
Рис.103. Подсоединение к сливному
отверстию сосуда нисходящего насадка того
же проходного /’’живого”/ сечения позволяет
увеличить расход жидкости.
98
Дровяные печи
Рис.104. Проникновение воздуха в
нисходящий сливной шланг гидравли-
ческой системы /а/ или в дымовую
трубу печи /б/ тотчас “уничтожают” тягу
/шланга или трубы/. Тяга дымовой
трубы проявляется только тогда, когда
вся дымовая труба заполнена горячи-
ми дымовыми газами /или, по крайней
мере, имеются участки полного пере-
крытия всего поперечного сечения
трубы дымовыми газами, выполняю-
щие роль движущегося вверх поршня/.
падающую или стекающую по
стенке струю /рис.104-а/.
Забегая вперед, отметим, что точно такие же по физическому смыслу
явления происходят в печах с дымовыми вытяжными трубами. Как тяже-
лая жидкость вытекает из сливного отверстия сосуда в атмосферу вниз,
так и легкие дымовые газы вытекают из хайла печи в атмосферу вверх.
При этом наличие дымовой трубы способствует многократному уве-
личению объемных потоков газов через печь, но только в том случае,
если вся труба заполнена легкими дымовыми газами /рис.104-в/. Как
только холодный атмосферный воздух проникает в дымовую трубу, тяга
трубы пропадает - поток дымовых газов в трубе превращается из “пор-
шня”, вытягивающего газы из печи, в обычные свободно всплывающие
и не на что не влияющие объемы горячих газов /рис. 104-6/. Поэтому в
печной практике остерегаются расширяющихся участков восходящих
дымовых каналов и стараются заужать дымовые трубы вверх для пред-
отвращения “прорыва” вниз атмосферного воздуха /рис.104-в/.
2.4.5.	Течение жидкости “рекой”
Жидкость может не только заполнять сосуд, вытекать из него из
отверстия и свободно падать. Жидкость может также и течь по открытым
поверхностям и переливаться через барьеры /через края открытых
сосудов/.
Ввиду отсутствия вязкости идеальная жидкость не в состоянии про-
тиводействовать механическим силам сдвига и течет по поверхности не
взаимодействующими между собой слоями. При этом ’’трубки тока”
вырождаются на плоских поверхностях в “слои тока” жидкости. Так, при
плоском дне идеальная жидкость либо покоится, либо течет прямоли-
нейно и непрерывно с неизменной во времени скоростью со строго гори-
Движение газов
99
Рис.105. Движение слоя воды на плоской
поверхности: а - равномерное движение
идеальной жидкости на горизонтальной
поверхности, б - ускоренное движение иде-
альной жидкости по наклонной поверхно-
сти, в - равномерное движение вязкой жид-
кости по наклонной поверхности /модель
реки с наклонным дном/.
зонтальной верхней поверхностью
/рис.105-а/. Причем, ввиду отсут-
ствия вязкости идеальная жидкость
может течь горизонтальными слоя-
ми с совершенно разными, но
неизменными во времени скоростя-
ми, что конечно же на практике не
случается с реальными жидкостями.
Будем считать условно, что скорости всех слоев жидкости в “живом”
сечении потока равны между собой = V2 /рис.105-а/. Тогда при сте-
кании в точке А на наклонное дно жидкость начинает течь вниз по укло-
ну с ускорением gsina /как скатывается с ускорением шарик с горки за
счет сил тяготения/. Причем, с увеличением линейной скорости нере-
рывно снижается глубина потока по закону сохранения массового рас-
хода pV>|h>| = pV2h2, где h - локальная глубина жидкости/рис. 105-6/.
И только при наличии вязкости /см.раздел 2.5/ жидкость сможет течь
вниз “как река” /без нескончаемого ускорения потока/, но с наличием
определенного распределения скоростей по глубине /рис.105-в/.
Более сложно растекается жидкость, поступающая на плоскую
поверхность /рис.106/. Здесь она и ускоряется, растекаясь за счет
собственного напора, и замедляется при радиальном растекании во все
стороны /то есть за счет “геометрического фактора”/.
Но в любом случае идеальная жидкость может ускоряться в гори-
зонтальном направлении только за
счет наличия собственного напора -
наличия разности высот h верхней
/свободной/ поверхности жидкости,
что создает перепады давления в
Рис. 106. Растекание по плоской горизон-
тальной поверхности свободно падающей
струи идеальной жидкости.
100
Дровяные печи
Рис. 107. Течение идеальной жидкости
по горизонтальному дну с подводной пло-
тиной /донной возвышенностью/: а - жид-
кость покоится со строго горизонтальной
верхней поверхностью, б - жидкость дви-
жется с понижением уровня своей
поверхности над возвышенностью, в - к
механизму появления повышенного уров-
ня поверхности жидкости перед возвы-
шенностью /см. текст/.
жидкости Др = pgh на одном и том
же высотном уровне /рис. 105-6/.
Так, например, если на плос-
ком горизонтальном дне имеется
затопленная плотина /бесконечно длинная возвышенность или сплош-
ной ’’валик” типа “лежащего полицейского” поперек реки/, то при воз-
никновении движения поверхность жидкости уже не остается строго
горизонтальной /рис. 107-а/. Над подводной /затопленной/ плотиной
линейная скорость потока увеличивается /в случае сохранения расхода
жидкости/, поскольку поток жидкости вынужденно сужается в верти-
кальном направлении. То есть, жидкость ускоряется на “мелководье” /в
предположении равенства линейных скоростей на всех глубинах/.
Какая же сила заставляет жидкость ускоряться над затопленной пло-
тиной? Такой силой и в этом случае может быть только самонапор жид-
кости h. То есть на “мелководье” идеальная жидкость не просто уско-
ряется, но и снижает уровень своей верхней /свободной/ поверхности -
поток “мельчает’Урис. 107-6/. Снижение уровня верхней поверхности
происходит и в случае сужения русла реки своими берегами, и на этом
принципе даже имеются приборы для измерения расхода жидкости в
открытых каналах [68]. Геометрия течения во всех этих случаях стано-
вится похожей на геометрию
сужающейся трубы /рис.96/.
Но как возникает повышенный
уровень поверхности воды перед
возвышенностью на дне? Дело в
том, что при внезапном появле-
ние. 108. Перелив жидкости через пло-
тину /верхний край стенки сосуда/.
Движение газов
101
Рис. 109. Перелив жидкости через
протяженный порог свободного гидро-
слива /через “незатопленную” плотину/.
нии плотины на дне, поток жид-
кости устремляется вверх, соз-
давая возвышенность /“валик” -
бурун/ на поверхности жидкости над плотиной /рис.107-в/. При этом
появляется и напор жидкости, заставляющий жидкость течь обратно
/назад/, повышая тем самым уровень жидкости перед плотиной, пока не
установится стационарное течение /рис. 107-6/.
Но если мы имеем не сплошную затопленную плотину-преграду
поперек всей реки, а одиночный подводный “бугор” /локальное препят-
ствие на дне реки, например, в виде камня/, то заметный подъем
поверхности перед препятствием становится невозможным, поскольку
камень свободно обтекается жидкостью по бокам. Тогда “валик”-бурун
сохраняется на поверхности потока жидкости именно над камнем.
2.4.6.	Перелив жидкости через незатопленную плотину
Перелив жидкости /гидрослив/ через стенку /верхний край/ открыто-
го сосуда /емкости, водоема/ в атмосферу происходит также за счет
собственного самонапора жидкости Н /рис.108/. Действительно, перелив
можно рассматривать как свободное истечение жидкости в атмосферу
через обычное сливное отверстие в тонкой стенке /рис.98/, но располо-
женное в самой верхней части сосуда. Перепад давления, приводящий
в движение жидкость, пропорционален Н, а значит линейная скорость
истечения пропорциональна Н°>5. Учитывая, что объемный /и массовый/
расход пропорционален площади отверстия, получаем, что объемный
расход G пропорционален Н1>5. Именно такую закономерность учиты-
вают и при анализе печей /см. статью И.Г.Есьмана в [60]/.
В действительности же, жидкость переливается горизонтальными
слоями. Причем чем ниже располагается слой, тем больше напор жид-
кости и тем больше линейная скорость. Линейная скорость жидкости на
глубине h составляет V = (2gh)°>5. Суммируя /интегрируя/ все объемные
расходы послойно до глубины Н, получаем уточненную формулу для
общего объемного расхода G = 0,66b(2g)°>5H1>5, где b - ширина перели-
ва перпендикулярно к поверхности рисунка [68].
Если толщина стенки сосуда большая, то мы имеем перелив /гидро-
слив, а в случае воды - водослив/ с широким порогом /рис. 109/. На таком
102
Дровяные печи
Рис. 110.Перелив жидкости через протя-
женный порог подтопленного гидрослива
/через “частично затопленную” плотину/.
протяженном переливе происходит
плавное снижение верхней поверх-
ности жидкости с постепенным повышением линейной скорости потока.
Скорость жидкости составляет в этом случае V = [2g(H - h)]°>5, а объ-
емный расход жидкости через порог перелива G = bh[2g(H - h)]0’5.
Согласно принципу Буссинека-Беланже, при заданном напоре Н на
пороге перелива устанавливается такая глубина h, которая обеспечи-
вает максимальный расход жидкости. Приравнивая нулю дифферен-
циал объемного расхода, находим экстремум, достигающийся при h =
0,66Н. То есть условная глубина жидкости на протяженном пороге равна
двум третям от исходного напора жидкости Н [68]. По аналогии такое
соотношение также используется при анализе металлургических печей
и сводовых духовых печей русского типа [60].
2.4.7.	Понятие “разрыва напора”
Если верхний уровень жидкости всюду /в том числе и после плоти-
ны/ располагается выше уровня перелива или слива, то такие гидропе-
реливы /гидросливы/ называются затопленными / с истечением “под
уровкет’7. Например, переливы на рисунках 108 и 109 являются неза-
топленными, на рис. 107 затопленными полностью, а на рис.110 - затоп-
ленными частично /подтопленными/. Наличие напора h2 /рис. 110/ сни-
жает воздействие исходного напора Н, и расход жидкости снижается.
То есть поведение жидкости за затопленной /или частично затоплен-
ной/ плотиной может влиять на поведение жидкости перед плотиной. А
в случае незатопленной плотины жидкость за плотиной падает свобод-
но и ее поведение никак не сказывается на поведение жидкости перед
плотиной - такое явление называется “разрывом напора” потока /или ”
разрывом струи” в трубной системе/.
Применяемое нами понятие затопленности сливов /сливных отвер-
стий/ не совсем совпадает с обыденным /житейским/ представлением,
но оказывается полезным при гидравлическом анализе печных процес-
сов. Поясним понятие затопленности сливов гидравлической схемой
/рис.111/. Свободный слив 2 из верхнего резервуара 1 является неза-
топленным, поскольку за сливом жидкость падает “свободно” - не ощу-
Движениегазов
103
щая воздействия напора жидкости в резервуаре и не оказывая воздей-
ствия на истечение жидкости из резервуара /хотя сверху сливное отвер-
стие полностью перекрыто жидкостью/.
Слив же в сливную трубу 3, полностью заполненную жидкостью,
является полностью затопленным. Поэтому в сливе в трубу 3 нет “раз-
рыва” напора, и жидкость в трубе движется под действием не только
своей силы тяжести, но и “принудительно” под действием напора выше-
лежащих слоев жидкости в резервуаре/.
В то же время слив при выходе из трубы 3 может быть незатоплен-
ным /если нижний конец трубы 3 не погружен в жидкость/, или частично
затопленным - подтопленным /если нижний конец трубы 3 погружен в
жидкость/, или полностью затопленным /если вся труба 3 находится под
свободной поверхностью воды 8 /рис. 111/. Ситуация с трубой 3 анало-
гична ситуации со сливом 10 из бака 9, когда вытекающая из трубы /или
даже отверстия - трубы нулевой длины/10 жидкость 12 не успевает рас-
текаться по плоскости - по дну 11. Такая ситуация случается потому, что
скорость растекания жидкости по горизонтали по дну вбок определяет-
ся вовсе не высотным уровнем 9, а перепадом высот поверхности жид-
кости 12 над дном 11. При этом подъем поверхности жидкости 12 замед-
ляет /’’тормозит”/ истечение жидкости из резервуара 9, что способству-
ет установлению равновесного /стационарного/ уровня поверхности
жидкости 12, растекающейся по дну 11.
Жидкость, попадая из сливов 2 и 3 на горизонтальную поверхность 4,
растекается под действием напора Н и затем сливается в сливное
отверстие 5. Если вся жидкость
сливается в сливное отверстие 5
по траектории 7, то слив считает-
ся незатопленным /и за сливом
воздействие напора Н исчезает -
происходит “разрыв напора”/.
Если же жидкость “не успева-
ет” сливаться в сливное отвер-
стие 5 и “проскакивает мимо” по
траектории 8, то такой слив
может стать затопленным, если
Рис. 111. Иллюстративная схема
затопленных и незатопленных сливов
жидкости /см. текст/.
104
Дровяные печи
Рис. 112. Истечения жидкости
из донных отверстий под напо-
ром жидкости в сосуде: а -
истечение в атмосферу /факти-
чески без противодавления/, б -
истечение в жидкость, в - пре-
кращение истечения при
сравнивании уровней жидкости.
вся труба 5 заполнена жидкостью. Затоплению слива 5 может способ-
ствовать уменьшение “живого” сечения сливной трубы 5 или “живого”
сечения незатопленного сливного отверстия 6. При затоплении слива 5
напор жидкости в сливе 6 может увеличиться с hy до hg. Таким образом,
напор жидкости в сливе 6 может быть намного меньше, чем возможный
напор /перепад высот Но/ в гидравлической системе /рис.111/.
Понятия затопленности относятся и к струйным донным сливам
/рис. 112/. Ясно, что свободно истекающие струи /рис. 112-а/ могут силь-
но видоизменяться при истечении не в атмосферу /с условно нулевой
плотностью/, а в жидкость /рис. 112-6/. Струи жидкости, истекающие в
жидкость, называются затопленными /или частично затопленными/. При
затоплении струи происходит уменьшение напора истечения жидкости
с величины Н до величины h /рис. 112-а и рис. 112-6/, что приводит к сни-
жению линейной скорости истечения с до V2, вплоть до полного
исчезновения истечения при сравнивании высот свободных поверхно-
стей жидкости в сосуде и во внешней среде /рис.112-в/.
Режимы истечений на рис.112 приобретают практическое значение
при наличии “длинных сливных насадков” /штуцеров, труб, шлангов/,
том числе, и в виде сообщающихся сосудов и сифонов /рис. 113/. Так, в
частности, оказывается, что при одном и том же высотном уровне окон-
чания “сливного насадка”, скорости истечения Vi и V2 не зависят от
высоты расположения сливного отверстия в стенке сосуда /поз.1 или
поз.2/. При этом восходящие каналы /как сообщающиеся сосуды/ впол-
не естественно не вызывают никаких затруднений для течения жидкости
Рис.113. Истечения жидкости
из отвестий в сосуде через обо-
ротные, в том числе сифонные,
насадки /каналы, трубы/ в усло-
виях разновысотности уровней
жидкости: 1 и 2 - разновысот-
ные сливные отверстия в стенке
сосуда, 3 - задвижка.
Движениегазов
105
Рис. 114. Спектр стока идеальной жид-
кости: а - точечный в бесконечном объеме,
б - точечный на бесконечной поверхности,
в - сток в большое отверстие как сумма
точечных стоков. 1 - микротрубка всасы-
вающая, 2 - микроотверстие всасываю-
щее, 3 - крупное отверстие /всасываю-
щее/ в бесконечной поверхности.
/как и нисходящие каналы в печных системах, вопреки распространен-
ному мнению печников/. Сифонные же системы /при высоте перевала
выше уровня жидкости/ работоспособны лишь при полном заполнении
системы жидкостью, что особенно важно и критично для нисходящих
каналов /рис.113-а/. Поэтому на конце нисходящего канала сифона
часто делают заужение-задвижку 3 для предотвращения попадания
воздуха в нисходящий поток жидкости /рис.104-а/ при незатопленном
сливе канала сифона. При этом вес столба жидкости до верхнего пере-
вала сифона не должен превышать величину 1 кг/см2. В противном слу-
чае жидкость в восходящем канале “разорвется” /например, при высо-
те столба воды более 10 м/, и над ее поверхностью возникнет вакуум
/вернее, пустое пространство, заполненное парами жидкости при дав-
лении насыщенных паров при заданной температуре/. Если же давле-
ние внешней атмосферы снизить ниже 1 кг/см^ /например, на высоко-
горье/, то максимально допустимая высота сифона также снизится.
2.4.8.	Понятие точечного стока
В основе уравнения Бернулли лежит понятие “трубки тока” идеаль-
ной жидкости /см. раздел 2.4.1/. Какую же форму имеет трубка тока в
сливном отверстии, где происходит резкое сужение поперечного сече-
ния потока? В литературе иногда
встречается изображения трубок
тока в виде постепенно сужающихся
течений 1 /рис. 99/. Но в таком слу-
чае, в сосуде должны были бы воз-
никать упорядоченные течения, рас-
пространяющиеся на большие рас-
Рис.115. Характер входа жидкости в трубу:
1- спектр стока, 2 - инерционное заужение,
3 - прямоточная струя.
106
Дровяные печи
Рис.116. Набор скорости жидкости по мере удале-
ния h от верхней поверхности: а - ускорение при сво-
бодном падении в поле тяготения, 2 - абстрактная
модель мгновенного ускорения в сливном отверстии,
3 - реальное постепенное ускорение под действием
напора жидкости при истечении через сливное отвер-
стие.
стояния от сливного отверстия. В действи-
тельности же, столь “дальнобойных” слив-
ных струй в невязких жидкостях никогда не
наблюдается. Невозможно “высасывать” из
объема жидкости некие удаленные зоны
жидкости, оставляя неподвижными/непри-
косновенными/ другие зоны жидкости. Так
что схема течения на рис.99 применитель-
но к идеальной жидкости абсолютно не
верна - жидкость в сосуде опускается
всюду практически с одной скоростью по
всему поперечному сечению сосуда и
сужается только непосредственно у сливного отверстия.
Дело в том, что при возникновении в некой зоне объема жидкости
области пониженного давления /’’точки разрежения”/, туда устремляют-
ся “равноправно” под действием перепада давления все без исключения
микрообъемы жидкости со всех сторон “с целью” устранить разрежение
и вновь восстановить равновесие гидравлической системы. Но если
область разрежения неустраняема и непрестанно захватывает в себя
как “черная дыра” все новые и новые микрообъемы жидкости, то воз-
никает стационарное течение, называемое “точечным стоком”. Именно
таким стоком и является сливное отверстие в сосуде /рис. 114/.
Таким образом, сливное отверстие в стенке сосуда можно рассмат-
ривать не только как слив /под давлением жидкости в сосуде/, но и как
сток/под действием разрежения вне сосуда/. Все микрообъемы жидко-
сти будут ’’равноправно” /и без трения между собой даже в присутствии
вязкости/двигаться по радиусу к “точке стока” /рис.115-а и рис. 115-6/, а
при значительных размерах отверстия - по неким траекториям как
суперпозициям точечных стоков /рис.115-в/. Причем разгон жидкости
будет происходить тем энергичнее, чем ближе к отверстию приближа-
ется жидкость. А значит, кривая набора скорости жидкости в сосуде 3 не
совпадает с кривой набора скорости при свободном падении жидкости
1 /рис. 116/. Тем не менее, в ходе истечения из сосуда под действием
Движение газов
107
Рис. 117. Инерционный “спектр стока” -
сужение струи идеальной жидкости, истекаю-
щей под давлением в атмосферный воздух из
отверстия в тонкой стенке сосуда /рис.98/, за
счет сходящегося потока жидкости V2-
напора Н жидкость приобретает в
точности такую же скорость, как и
при свободном падении в поле тяго-
тения с высоты Н /по закону сохра-
нения энергии/.
Таким образом, основное ускорение жидкость приобретает в непо-
средственной близости от сливного отверстия. Поэтому, при анализе
истечений иногда условно считают, что скорость жидкости практически
мгновенно увеличивается 2 при выходе из сосуда, что фактически пред-
полагалось и нами при расчете скорости истечения /см. раздел 2.4.2/.
А вот в вязких жидкостях скорость движения у стенок действитель-
но уменьшается /см. далее рис.129/, и картина вытекания может при-
обретать вид некой воронки - ’’трубки” слива /типа поз.1 на рис.99/.
2.4.9.	Инерционные явления
На самом же деле, жидкость, даже идеальная, как и любое тело, не
может ускоряться, поворачиваться, разворачиваться или останавли-
ваться мгновенно /рывком/. Жидкость имеет некую массу, то есть обла-
дает свойством инерции. Поэтому жидкость в отверстии всегда разго-
няется постепенно /кривая 3 на рис. 116/. А ускорившийся поток жидко-
сти 8 может даже “проскочить” /по крайней мере, частично/ по инерции
мимо пустой “ямы” в полу 5 /рис.111/.
Втекая в донное сливное отвер-
стие, жидкость, казалось бы, при-
обретает однонаправленное движе-
ние 2 /рис. 115/. Но ведь при входе в
отверстие жидкость ускорялась не
только в продольном V-|, но и в
Рис. 118 Сужение струи идеальной жид-
кости, истекающей под давлением из сосуда
в трубу /или насадок/, с образованием
застойных турбулентных /вихревых/ зон.
108
Дровяные печи
Рис. 119. Образование застойных турбу-
лентных зон в затопленном гидроперели-
ве через донную плотину.
поперечном V2 /радиальном/
направлении /рис. 117/. И попереч-
ная составляющая V2 должна заставлять струю дополнительно сжи-
маться, сдавливаться. Но сама линейная скорость жидкости в струе
сохраняется равной V = [2(р>| - Р2)/р] 0,5 = (2Др/р)0)5 /см. раздел 2.4.2/.
Так что реальный расход жидкости приходится рассчитывать с учетом
поправочного множителя - коэффициента сжатия струи е, равного отно-
шению площади струи на участке предельного сжатия струи /при дости-
жении параллельности трубок тока/ к реальной площади отверстия /см.
стр. 130/. Так, в отверстии в тонкой стенке сосуда площадь поперечно-
го сечения струи жидкости сужается до 62% от площади отверстия, а в
случае сливной трубы, глубоко вдающейся в сосуд /рис. 115/, коэффи-
циент сужения струи оказывается в точности равным е = 50% [61].
Эффект инерционного сужения струи /отрыва струи от стенок/ про-
является и при истечении жидкости из сосуда в трубу/рис. 118/. При этом
на входе в трубу в месте сужения струи образуются пустоты, запол-
няющиеся неподвижной жидкостью. В этих затопленных застойных
зонах могут возникать вихревые движения жидкости [78-80]. Напомним,
что при анализе течений вязких жидкостей и газов в затопленных трубах
вместо коэффициентов сжатия струи е используются коэффициенты
газогидродинамического сопротивления рассчитанные не на расход
жидкости, а на кинетическую энергию жидкости /см. раздел 2.5.4/.
Аналогичные инерционные явления с образованием вихревых зон
наблюдаются и при высоких скоростях течений идеальной жидкости на
затопленных и частично затопленных сливах и гидропереливах
/рис. 119/, а также при течениях жидкости в открытых каналах или закры-
тых трубах в местах поворотов потока /рис. 120/.
Появление вихрей наглядно проявляется в
затопленной струе /поз.2 на рис. 115/ в момент
ее возникновения /см. далее раздел 2.5.5/. Этот
эффект известен как “дымовые кольца куриль-
щика сигарет” /рис 121/. Эффект реализуется в
Рис. 120. Образование застойных турбулентных зон в
местах затопленных поворотов потока жидкости в трубе.
Движениегазов
109
Рис. 121.Гидравлическая модель развития воздушного вихря /в частности, “дымового
кольца табакокурильщика’7 - появление вихревых колец в воде при импульсной подаче в
нее малого количества подкрашенной воды через цилиндрическую трубку [79].
момент подачи жидкости /газа/ с малой скоростью в среду другой жид-
кости /газа/ и приводит к образования вихря в виде движущегося вперед
вертящегося дымного кольца /рис. 122/.
2.4.10.	Турбулентности, вихри, циклоны.
Образующиеся вихри будем относить к турбулентностям, то есть к
отклонениям от ламинарности /упорядоченности/ потока жидкости.
Вообще говоря, это не совсем верно. Во избежание недоразумений
уточним, что турбулентности бывают не только в виде вихрей, но и в
виде всевозможных неустойчивостей потока - извилистостей, пульса-
ций, перемешиваний, распадов “рвущихся” вихрей и т.п. [81-82].
А сами вихри в свою очередь бывают и в виде строго упорядоченных
закрученных потоков жидкости или газа. То есть вихри бывают и лами-
нарными - вращающимися вокруг единой оси объемами жидкости или
газа. При этом вихри могут быть самых разнообразных форм.
Кроме того, в теории идеальной жидкости имеется математически абстрактное поня-
тие вихревого состояния /движения/жидкости, когда любой /каждый/ микрообъем жид-
кости не только перемещается в простран-
стве, но и вращается вокруг своей собствен- 3)
Рис. 122. Внутреннее строение воздушно-
го вихря /’’дымового кольца курильщика”/: а -
вид сбоку, б- поперечный разрез, V - вектор
скорости движения воздуха /дыма/ в вихре,
В - замкнутые векторные вихревые линии.
110
Дровяные печи
Рис. 123. Вихри в жидкости, в том числе перемещающиеся.
Оси вихрей /вихревые линии/ замыкаются в кольцо или
обрываются на поверхности жидкости, на дне или на стенке
сосуда. В мощных течениях вихри могут “рваться”, образуя
неупорядоченные турбулентности [80].
ной оси. Эта ось вращения, естественно, не совпадает ни с
направлением движения микрообъемов жидкости, ни с
направлением движения вихря и называется вихревой лини-
ей [80]. Причем смежные микрообъемы идеальной жидкости при вихревом /’’бурлящем”,
абсолютно турбулизованном/ состоянии жидкости могут вращаться в противоположных
/произвольных/ направлениях, поскольку силы трения /вязкости/ отсутствуют.
Мы будем рассматривать только безвихревые состояния /в том числе “турбулент-
ные”/, описываемые на языке высшей математики условием rot V(x,y,z) = 0. “Ротор”
/’’вихрь’’-curl/ вектора скорости представляет собой вектор, направленный по вихревой
линии /по оси вихря по школьному “правилу буравчика”/ и имеющий пространственные
составляющие /проекции на геометрические оси/ в виде разности частных производных
по координатам типа rotz V(x,y,z) = (dVx/dy - dVy/dx). Если ротор вектора скорости отли-
чен от нуля, то значит возможно вращение объемов жидкости.
В вихревом /в ’’математически абсолютно вихревом”/ состоянии жидкости ротор век-
тора скорости отличен от нуля абсолютно всюду во всем объеме жидкости. Но если ротор
вектора скорости отличен от нуля лишь относительно каких-либо отдельных /одиночных/
вихревых линий, а в остальном пространстве равен нулю, то такое состояние является в
основном потенциальным /ламинарным, безвихревым/, но с отдельными вихрями.
Действительно, именно в потенциальном поле вектор скорости равен V = grad (р, и имен-
но rot grad (р = 0 математически всегда равен нулю /здесь (р - потенциал поля, например
поля тяготения/. Так что понятие вихрей в ламинарном потоке /или в неподвижной жид-
кости/ подразумевает вращения жидкости только относительно единичных, а не относи-
тельно бесконечного множества произвольных осей. Именно такое вращение жидкости
относительно одиночной оси мы и будем называть вихрем /одиночным потенциальным/.
Характерной особенностью такого вихря является замкнутость его
оси вращения В /рис. 122/. Ось вихря /вихревая линия/ не может “исче-
зать” /прерываться/, “неожиданно обрывая” вихрь внутри жидкости. Ось
вихря может лишь замыкаться сама на себя, либо обрываться на
поверхности жидкости или на поверхности сосуда /рис. 123/. Обратим
внимание, что траектории скорости V в структуре вихря на рис. 122 вовсе
не являются спиральными линиями /что характерно для вихревого
состояния жидкости/, а являются однонаправленными линиями /что
характерно именно для потенциального поля/. Интересно отметить
Движениегазов
111
также, что подобный вихрь с замкнутой осью наблюдается и в капле
жидкости, падающей в среде более легкой жидкости /рис. 124/.
К одиночным вихрям можно условно отнести и круговые движения
жидкости в вертикальном цилиндрическом сосуде /рис.125-а/.
Размешав ложкой чай в стакане, можно увидеть, что поверхность вра-
щающейся жидкости приобретает вид параболы h(r) = h(0) + рсо2Г2/2,
где р - плотность жидкости, Г - радиус вращения, СО - угловая /круговая/
скорость /частота вращения/ жидкости. При этом жидкость вращается
как квазитвердое тело с частотой со(г) = const. То есть, с увеличением
радиуса вращения увеличивается линейная скорость вращения V(r) =
СОГ. Увеличивается и центробежная сила рсо2Г, что и обуславливает
параболическую форму верхней /свободной/ поверхности жидкости и
аналогичную форму радиального распределения давления жидкости
на дне pgh(r).
Из-за постоянства угловой скорости ш(г) = const, слои вращающейся жидкости не
сдвигаются /не проскальзывают/ друг относительно друга. Так что, если бы у невязкой
жидкости вдруг появилась бы вязкость, то это бы никак не сказалось бы на вращении
жидкости.
Но на стенке и на дне стакана вязкость неминуемо приводит к замедлению потока
/если только стакан сам не вращается относительно своей оси с той же угловой скоростью,
что и жидкость в стакане/. При этом повышенное статическое давление на дне у стенки /за
счет большей глубины жидкости/ перестает уравновешиваться центробежными силами.
Появляется придонный поток жидкости 1 от периферии к оси вращения. Именно этот
поток 1, появляющийся именно при торможении, заставляет песчинки сахара 2 /или чаин-
ки/ собраться в конце концов на дне именно на оси вращения /рис.125-а/.
Технологические аппараты с вращающейся жидкостью /или газом/
называются циклонами /рис.126-а/. Сила “тяготения” в циклоне направ-
лена от оси к стенке, так что твердые частицы отбрасываются за счет
центробежной силы на стенки и ссыпаются в бункер.
Вообще говоря, в идеальной жидкости различные слои вращаю-
щейся жидкости могут в принципе вращаться с
112
Дровяные печи
Рис. 125. Картины вращений жидкости
в цилиндрических аппаратах при раз-
личных условиях: а - квазитвердое вра-
щение жидкости, б - вращение со стоком
жидкости вниз по оси /см. текст/. 1 -
поток жидкости, возникающий при при-
стеночном торможении, 2 - чаинки, соби-
рающиеся на дне на оси вращения, 3 -
отверстие на дне для стока вращаю-
щейся жидкости.
жений жидкости возможен лишь
при введении каких-либо условий
механической взаимосвязи слоев
жидкости. Так, на рис. 125-а было условно принято “квазитвердое” вра-
щение жидкости с одинаковыми угловыми скоростями слоев.
Но могут быть и иные условия взаимного влияния слоев. Например,
если раскрутить чай в стакане и потом неожиданно открыть в центре
на дне отверстие 3 /рис. 125-6/, то форма верхней /свободной/ поверх-
ности жидкости резко изменится. Дело в том, что при стекании жидкости
к оси по спирали должен будет сохраняться момент количества движе-
ния pVr = const. То есть линейная скорость вращения вынуждена будет
увеличиваться по мере приближения к оси /эффект раскрутки вращаю-
щегося фигуриста, прижимающего руки к телу/. Соответственно, и цент-
робежная сила будет увеличиваться при приближении коси вращения.
Эта сила и отбрасывает жидкость в стороны, образуя воронку.
Такое явление наблюдается, в частности, в проточных газовых вих-
ревых аппаратах при высоких рабочих перепадах давления газа /от 6
атм и выше/, когда линейные скорости движения приближаются к ско-
рости звука и когда сжимаемостью газа пренебрегать нельзя. При этом
за счет расширения газа /при падении давления/ газ по оси 4 аппарата
выходит охлажденным /порой на десятки градусов/, а по стенкам аппа-
рата 5 выходит нагретым /рис.126-6/. Это явление “парадоксального”
вихревого охлаждения называется эффектом Ранка [83].
В заключение отметим, что вихри и турбулентности, раз возникнув, не
могут исчезнуть сами собой в идеальной жидкости ввиду полного отсут-
ствия вязких торможений в гидравлической системе /и из-за беспре-
пятственных “проскальзываний” слоев жидкости и трубок тока между
собой абсолютно без трения/. Поэтому турбулентности и вихри в иде-
альной жидкости имеют в своей основе инерционную природу/обуслов-
лены инерцией жидкости, невозможностью остановиться/.
Движениегазов
113
Но в то же время, турбулентности не могут и возникнуть сами собой
в отсутствии вязкости, поскольку для образования вихрей в ламинарном
потоке или в неподвижной жидкости необходимы механические закручи-
вающие воздействия /принудительные силы сдвига слоев жидкости/.
Поэтому в реальности вихри и турбулентности могут возникать лишь
при одновременном наличии и инерции, и вязкости.
2.5.	Гидродинамика вязкой жидкости
Явление вязкости проявляется наличием сил трения при сдвиге
/смещении, проскальзывании/ слоев жидкости друг относительно друга,
а также относительно стенок /поверхностей/ тел, погруженных в жид-
кость.
Силы трения проявляются в форме механических воздействий типа
торможений /сопротивлений/ или ускорений /увлечений/ одних слоев
жидкости другими. В то же время, силы трения проявляются и в форме
перевода механической энергии в тепловую, что сопровождается нагре-
вом жидкости /в отличие от чисто инерционных газодинамических уско-
рений - ’’подталкиваний” одних потоков жидкости другими, например,
при выдавливаниях или смешиваниях/.
Сила трения между смещающимися слоями жидкости является векторной величи-
ной, направленной по касательной к поверхности раздела смещающихся слоев. Сила
трения направлена вдоль вектора скорости движения: по вектору скорости для медлен-
ного /ускоряющегося/ слоя и против вектора скорости для быстрого /замедляющегося/
слоя. В результате, слой жидкости с
более высокой скоростью замедляется,
а слой жидкости с более низкой скоро-
стью ускоряется.
Рис. 126. Аппараты с тангенциальным
вводом газа: а - циклонный аппарат
атмосферного давления, отбрасываю-
щий тяжелые твердые частицы на стен-
ки [84,85], б - вихревой аппарат Ранка с
высоким перепадом давления [83]. 1 -
тангенциальный /закручивающий/ ввод
газа, 2 - выход газа с неизменной тем-
пературой, 3 - конус для ссыпания твер-
дых частиц, 4 - выход охлажденного
газа, 5 - выход нагретого газа.
114
Дровяные печи
Рис. 127. Виды трения: а - “внеш-
нее” трение скольжения между
твердыми телами, б - “внутреннее”
трение /вязкость/ между слоями
жидкости /газа/. Здесь Vx(y) - попе-
речное распределение продольных
скоростей потока.
Трение внутри жидкости силь-
но отличается по своей природе и
по своим закономерностям от трения твердых тел. Трение между сдвигаемыми твердыми
телами обусловлено свойствами трущихся внешних поверхностей /шероховатостями,
твердостями, кристалличностями и т.п./. Поэтому такое трение поверхностей твердых тел
называется “внешним” трением /рис.127-а/. Внешнее трение подразделяется на стати-
ческое трение /трение покоя/ и на кинематическое трение /на трение скольжения и на
трение качения/. Абсолютная величина всех сил внешнего трения определяется по фор-
муле FTp = KF0, где К - соответствующий коэффициент трения /покоя, скольжения или
качения/, Fo - сила прижима тел между собой /в случае неподвижной опоры V2 = 0 под
силой прижима понимается сила реакции опоры N/. Сила внешнего трения слабо зависит
от скорости взаимного сдвига трущихся тел (V^ - V2).
Внутри же жидкостей нет поверхностей “со своей шероховатостью и твердостью” -
сдвигаются между собой слои одной и той же жидкости. Поэтому такое трение называет-
ся “внутренним” трением /вязкостью/. Понятия трения покоя отсутствует - сколь угодно
малая сила способна сдвинуть слой жидкости и сообщить ему ускорение.
Сила внутреннего трения /на единицу площади контакта/ между слоями 1 и 2 равна
Етр1-2 = M(Vl - У2)/(У1"Уг) = M[dVx(y)/dy], где р - коэффициент динамической вязкости.
Ввести понятие разности скоростей слоев (V^ - V2) без указания поперечного расстояния
(УгУг) между сдвигаемыми слоями жидкости не удается, поскольку скорость смещения
слоев (Vi - V2) изменяется плавно /рис. 127-6/ и равна нулю при бесконечно малом (У1-У2)
/но производная dVx(y)/dy отлична от нуля/.
Линейная зависимость силы внутреннего трения от скорости сдвига слоев обуслов-
лена самой природой вязкости - встречными проникновениями /диффузией/ молекул из
одних слоев жидкости /газа/ в другие. Молекулы, диффундирующие из более быстрого
слоя в более медленный, переносят с собой и свой избыточный направленный импульс,
который ускоряет более медленный слой, а затем приводит и к нагреву медленного слоя
за счет “максвеллизации” /см. раздел 1.3.1/ распределения скоростей молекул в медлен-
ном слое . Поскольку природа вязкости родственна сущности теплопереноса в жидкостях
/газах/, коэффициенты диффузии, вязкости и теплопроводности близки между собой чис-
ленно и связаны между собой соотношениями молекулярно-кинетической теории /см.
раздел 1.5/. А вот при внешнем трении никаких обменов молекулами между жидкостью
/газом/ и твердым телом нет, поэтому и закономерности внешнего трения совсем иные.
Движениегазов
115
2.5.1.	Особенности движения вязкой жидкости
Таким образом, если в вязкой жидкости появляются потоки /слои/
жидкости с разными скоростями движения, то появляются и силы меха-
нического взаимодействия между этими потоками жидкости /рис.127/.
Причем обычно считается, что на стенке тела, погруженного в жидкость,
движение жидкости из-за вязкости вообще отсутствует /жидкость “при-
липает и удерживается”/. Иными словами, скорость движения вязкой
жидкости у стенки трубы или на дне реки равна нулю. Так что вязкая
жидкость является “мокрой” /удерживается на руке/, а порой может и
вообще не стекать /как мед на ладони/.
В общем случае, при течении под напором в зазоре между непо-
движными плоскостями /или в трубе/ поперечное распределение про-
дольных /аксиальных - направленных по оси/ скоростей Vx(y) приобре-
тает условно некую “параболическую” форму в смысле наличия макси-
мума скорости на оси течения /рис.128-а/. Такое “параболическое” рас-
пределение продольных скоростей объясняется тем, что по мере уда-
ления от стенки влияние стенки на поток ослабевает. Действительно,
силы трения вблизи стенки вынуждены тормозить движущийся /вернее,
стремящийся ускориться под действием напора/ поток большего попе-
речного сечения, а значит, и большей массы. “Параболический” вид
поперечного распределения продольных скоростей /с пространствен-
ным изменением величин сил трения/ наблюдается и при стекании вяз-
кой жидкости ’’под собственным весом” по наклонному дну /рис.128-в/.
А вот при движении вязкой жидкости без напора в горизонтальном зазо-
ре между неподвижной /например, нижней/ и подвижной /например,
верхней, специально с усилием сдвигаемой/ поверхностями попереч-
ное распределение скоростей Vx(y) приобретает линейный вид, то есть
силы трения между слоями всюду одинаковы /рис. 128-6/.
Есть и такие виды течений, на которые не влияют явления вязкости.
Так, например, при истечении жидкости в точечный сток /рис.114-а/
соседствующие слои движутся со строго одинаковой скоростью и не
Рис.128. Установившиеся
равномерные движения вяз-
кой жидкости: а - течение в
зазоре /или трубе/, б - сдвиг
верхней плоскости, в - на
наклонной плоскости в поле
а)
штт.
б)
’7Ш7ШШ7Ш,
тяготения.
116
Дровяные печи
Рис. 129. Изменение профиля скоростей
вязкой жидкости при входе в трубу [80].
Вязкость тормозит движение жидкости у
стенок трубы, в результате чего поток жид-
кости перетекает в приосевые зоны.
сдвигаются относительно друг
друга. Поэтому трений внутри вяз-
кой жидкости нет. Не сдвигаются
относительно друг друга и слои
вихря жидкости, вращающиеся как
квазитвердое тело с одинаковой
угловой скоростью.
Виды течений, указанные на рис 128, являются стационарными, то есть установив-
шимися, не изменяемыми во времени. Более того, эти течения к тому же являются рав-
номерными - не изменяющимися по направлению движения жидкости. Но зачастую ста-
ционарные /установившиеся/ течения бывают не равномерными, то есть изменяющимися
по тракту течения, например, при переливе через плотину или при истечении жидкости из
сосуда в трубу.
Так, например, рассмотрим процесс входа вязкой жидкости в трубу с внутренним
радиусом R/рис.129/. Для простоты предположим, что начальное радиальное распреде-
ление продольных /аксиальных - направленных вдоль трубы/ скоростей является одно-
родным /’’ступенькообразным”,” стержневым”/: Vx(0,r) = Vo = const. Ясно, что по мере
продвижения жидкости по трубе проявляется эффект притормаживания пристеночных
зон жидкости за счет трения жидкости о стенки трубы. Сама зона пристеночного притор-
маживания называется обычно пограничным слоем /ее граница указана пунктирными
линиями на рис.129/. Жидкость из подторможенных пристеночных зон, приобретающих
повышенное давление P(x,R), перетекает /вытесняется/ в приосевые зоны, где и образу-
ется “ядро потока” в виде некоего “параболического” распределения продольной скорости
по радиусу Vx(x,r). Разгон приосевых зон жидкости вдоль оси происходит при этом за
Рис.130. Радиальные распреде-
ления аксиальных скоростей жид-
кости в трубе: а - образование
вихря при параболическом профи-
ле скоростей Vx(r), б - распределе-
ние скоростей VXB(r) во вращаю-
щейся трубе, в - распределение
скоростей VXT(r) при турбулент-
ном течении.
Движение газов
117
счет понижения давлений Р(х,0) вдоль оси трубы, то есть за счет отличия от нуля гради-
ента давления dP(x, 0)/dx. В результате, на начальном участке трубы возникает сложная
пространственная картина давлений Р(х,г). Завершается процесс перестройки течений
установлением стационарного /неизменного/ радиального распределения скоростей
Vx(x,r) = V(r) и постоянного градиента давления вдоль трубы dP(x,r)/dx = const.
Факт продольного падения давления именно у стенок трубы dP(x,R)/dx = const =А
может вызвать удивление. Ведь при стационарном течении жидкость у стенки, как мы
предположили, не движется. В то же время, наличие продольных перепадов давления
должно, казалось бы, как раз и приводить к движению жидкости. Но дело в том, что про-
дольный перепад давления в жидкости компенсируется продольным же действием сил
вязкости. Так, на торцы цилиндрического объема жидкости радиусом г и длиной Ах про-
дольно действует суммарная сила давления Рдавл(г) = пг^АДх. А касательно к стенкам
этого же “цилиндра” действует продольная сила вязкости Рвязк(г) = 2nrAxp[dVx(r)/dr]. Из
условия стационарности течения /отсутствия ускорений/ следует Рдавл(г) = Рвязк (г),
откуда после интегрирования имеем Vx(r) = (A/4p)(R2 - г2). Это выражение известно под
названием “параболы Пуазейля” [80]. При этом скорость на оси вдвое превышает сред-
нюю скорость Vo. Таким образом, действительно, распределение скоростей вязкой жид-
кости в трубе имеет параболический вид, а скорость жидкости на стенке трубы равна
нулю, несмотря на падение давления на стенке трубы dP(x,R)/dx = const.
Напомним, что параболическое радиальное распределение про-
дольных скоростей в трубе Vx(r) “заостряется” до VXB(r) при вращении
трубы вокруг своей оси [86] /рис. 130-6/. Развитие же в трубе турбу-
лентностей, наоборот, “затупляет” радиальное распределение про-
дольных скоростей до образования “плато” VXT(r) /рис.130-в/.
2.5.2.	Число Рейнольдса
На рис. 127-6 выделен объем жидкости, на который одновременно
действуют две противоположно направленные силы FTpi-2 и FTp2-3,
Рис. 131. Развитие пограничного слоя и
зоны турбулентности при движении лами-
нарного потока вязкой жидкости /газа/
вдоль твердой поверхности /например,
стенки трубы или зазора/. Здесь 5^ - тол-
щина утолщающегося вязкого ламинарно-
го пограничного слоя, 62 - толщина утон-
чающегося вязкого подслоя, 63 - толщина
утолщающегося турбулентного погранич-
ного слоя [63].
118
Дровяные печи
Рис.132. Развитие неустойчи-
востей - сначала появляются
“извилистости” течения, а затем
при достижении критического
значения числа Рейнольдса Re =
2300 появляются турбулентности.
создающие крутящий момент. Конечно, этот объем жидкости не являет-
ся твердым телом, которое привычно закрутить парой сил. Но сам по
себе факт наличия момента сил все же может свидетельствовать о воз-
можности образования вращательного движения.
Это представляется неожиданным. Ведь вязкость, казалось бы,
должна препятствовать образованию встречных движений, гасить вихри
и турбулентности. Действительно, высоковязкий мед в банке труднее
взбурлить ложкой, чем низковязкую воду.
Как раз в этой противоречивости и кроются коренные условия обра-
зования и подавления турбулентностей. Именно силы внутреннего тре-
ния /вязкости/ способны образовывать встречные течения и вызывать
неустойчивости. И в то же время именно силы внутреннего трения спо-
собны предотвратить или подавить неустойчивости.
Как мы уже отмечали, условием наличия вихрей является отличие ротора вектора ско-
рости rot V(x,y,z) от нуля, в частности отличие от нуля выражения (dVx/dy - dVy/dx) /см. раз-
дел 2.4.10/. Поскольку в установившемся режиме dVy/dx = 0, то отличие от нуля dVx/dy дей-
ствительно указывает на вихревой характер движения жидкости /рис. 130-а/.
Сила внутреннего трения тх /в расчете на единицу площади касательного контакта/
тоже выражается через dVx/dy, а именно формулой Ньютона тх = р(дУх/ду) = vp(dVx/dy),
где р = vp - коэффициент динамической вязкости жидкости, v - коэффициент кинемати-
ческой вязкости жидкости, р - плотность жидкости, dVx/dy - темп поперечного изменения
/’’поперечный градиент”/ продольной /аксиальной/ компоненты скорости жидкости
Так что конкуренция сил закручивания /инерции/ вихрей и сил торможения /трения/ тех
же вихрей в ламинарной среде обуславливается вовсе не неоднородностью течения (то
есть не величиной скорости сдвига слоев dVx/dy ), а соотношением численных значений
коэффициентов при dVx/dy в уравнении движения. Это соотношение в уравнении Навье-
Стокса /см. раздел 2.5.3/ имеет вид Re = pVL/p и называется критерием /числом/
Рейнольдса.
Разделив кинетическую энергию pV2/2 на силу внутреннего трения
р V/L (где L - характерный размер неоднородности течения), получаем
безразмерное число Рейнольдса Re = pVL/p, которое показывает,
Движениегазов
119
насколько силы инерции /приводящие к образованию вихрей/ превы-
шают силы вязкости /приводящие к затуханию вихрей/. При превышении
некоего критического значения числа Рейнольдса ReKpMT возможно
нарушение ламинарности течения и возникновение неустойчивостей
/вихрей, пульсаций, турбулентностей/. В качестве характерной скоро-
сти V, характерного размера L и ReKpMT обычно условно принимают:
-	при течении в канале /в трубе или в щели-зазоре / - среднюю по
поперечному сечению канала линейную скорость и внутренний попе-
речный размер /диаметр/ канала, ReKpklT = 2300,
-	при внешнем обтекании твердого тела - линейную скорость вдали
от поверхности тела и поперечный размер /диаметр, ’’мидель”/ тела,
^екрит - 40,
- при течении вдоль плоской поверхности - линейную скорость вдали
от поверхности и продольную координату, ReKpklT = 500000 /рис.131/.
Так, при течении воздуха с температурой 20°С по трубе диаметром
10 см турбулентность может возникнуть при скорости 0,5 м/сек, а с тем-
пературой 500°С при скорости 1,5 м/сек /см. далее рис.137/. В дей-
ствительности же порой в гладких трубах удается сохранить ламинар-
ность при величинах скоростей на порядок выше. В то же время,
использование турбулизаторов позволяет “закрутить” поток и при мень-
ших скоростях /с последующей возможной ламинаризацией потока/.
В момент касания неподвижной поверхности /стенки/ ламинарный
поток как-бы “прилипает” к поверхности, то есть начинает тормозиться
у поверхности с образованием лами-
нарного пограничного /приторможен-
ного/слоя /рис. 131/. Затем, при дости-
жении критической толщины ламинар-
ного пограничного слоя создается
некий “крутящий момент”, достаточный
для образования вихря. При этом воз-
никает турбулентная зона погранично-
го слоя 63, расширяющаяся вдоль по
течению/рис. 132/.
Рис.133. Развитие турбулентностей в про-
цессе обтекания цилиндра потоком жидкости
/газа/ при увеличении чисел Рейнольдса [61].
Справа приведены примерные справочные
значения скоростей воздуха при 20°С /для диа-
метра цилиндра 1 см/, соответствующие ука-
занным числам Рейнольдса.
120
Дровяные печи
Рис. 134. Коэффициент увлечения
цилиндра как функция числа
Рейнольдса [61]. Пунктиры соответ-
ствуют режимам течений на рис. 133.
На рисунке 133 представлен
характер обтекания цилиндра
поперечным исходно ламинар-
ным потоком жидкости при раз-
личных скоростях потока.
При низких скоростях потока
Re<1 цилиндр обтекается плавно. Сила “увлечения” /сила механиче-
ского воздействия потока на цилиндр/ при этом пропорциональна ско-
рости обтекания V. Так, сила увлечения сферы в этих условиях по
известной формуле Стокса равна F = 3npVd, где d - диаметр сферы.
Представим силу увлечения цилиндра поперечным потоком жидкости
в виде F = CdDL(pV2/2) = ^(pV2/2), где Cd - коэффициент увлечения
/рис. 134/, D - диаметр цилиндра, L - длина цилиндра, - коэффициент
сопротивления, (pV2/2) - кинетическая энергия потока /давление тор-
можения/. Тогда, при низких скоростях потока коэффициент увлечения
Cd и коэффициент сопротивления будут обратно пропорциональны
линейной скорости набегающего потока /то есть будут обратно пропор-
циональны Re/. Поскольку поток при этом ламинарен, то имеет в этом
случае смысл коэффициента трения ^тр = A /Re = ARe-1, где А - коэф-
фициент пропорциональности.
При числе Рейнольдса порядка Re = (10-20) за цилиндром образуется
пара устойчивых вихрей, а при Re = (40-100) вихри начинают попере-
менно отрываться за счет “выталкивания” под напором набегающего
потока жидкости. При Re > 100 коэффициенты Cd и начинают стре-
миться к постоянному значению. Значит, сила увлечения F начинает
зависеть от скорости потока не линейно, а квадратично /пропорцио-
нально квадрату числа Рейнольдса/. Поскольку такое изменение зави-
симости обусловлено возникновением за цилиндром турбулентной
зоны, то приобретает смысл коэффициента “газодинамического сопро-
тивления” ^гд, который близок к константе вплоть до Re = 105.
Стремление числа Рейнольдса к бесконечности можно формально
трактовать как стремление вязкости к нулю, то есть как переход к иде-
альной жидкости. Но очень трудно разглядеть в этих “рваных” турбу-
лентностях за цилиндром /рис. 133/ те “гладкие” потоки, что мы рас-
сматривали в разделе 2.4. Все дело в том, что идеальная жидкость
Движениегазов
121
может существовать в предельных случаях - в безтурбулентном состоя-
нии и в абсолютно турбулентном состоянии. Причем переход из одного
состояния в другое без участия вязкости невозможен. Таковы уж след-
ствия противоречивости принятых свойств идеальной жидкости [61].
2.5.3.	Уравнение Бернулли для вязкой жидкости
Дифференциальные уравнения Эйлера /см. раздел 2.4.1/, в которые
введены члены для учета вязкости, называются уравнениями Навье-
Стокса. Хотя многомерные уравнения Навье-Стокса ввиду своей слож-
ности могут быть проинтегрированы только численно на электронно-
вычислительных машинах, тем не менее, решения порой могут пред-
угадываться исходя из общего интегрального вида уравнений в форме
соотношения Бернулли Д(р + pgh + pV2/2) = pV(dVx/dy) + (p/L)(dVx/dy),
где L - характерный размер неоднородности потока, а под значком Д
/дельта/ по-прежнему понимается изменение величины параметра, в
данном случае величины (р + pgh + pV2/2).
Первый член в правой части соотношения Бернулли условного вида
ДРвихр = pV(dVx/dy) учитывает образование вихрей /с переходом посту-
пательной скорости во вращательную/. Второй член условного вида
Дртр = (|j/L)(<9Vx/<9y) учитывает внутреннее трение внутри жидкости /вяз-
кость/. Вклады этих членов соотносятся численно между собой как кри-
терий Рейнольдса (Дрвихр)/(ДрТр) = Re = pVL/p. Если же Дрвихр и ДрТр
равны нулю, то получаем прежний вид уравнения Бернулли для тече-
ний ламинарной идеальной жидкости (р + pgh + pV2/2) = const.
Рис. 135. Потери давления /сопротивление
как уменьшение тяги/ в прямой вертикаль-
ной трубе поперечным сечением 0,12x0,12 м
/в “полкирпича’7 с температурой 400°С,
плотностью горячих газов 0,5 кг/мЗ и кине-
матической вязкостью р/р = 0,4 см2/сек: 1 -
потеря давления за счет сопротивления тре-
ния при ламинарном потоке газа по формуле
Пуазейля с линейной скоростью V м/сек, 2 -
потеря давления за счет сопротивления тре-
ния при турбулентном потоке газа по фор-
муле Блазиуса с линейной поступательной
скоростью турбулентного потока V м/сек, 3 -
тяга трубы Др = pV2/2, ускоряющая поток
газа от нулевой скорости до V м/сек.
122
Дровяные печи
Физический смысл Дрвихр и ДРтр становится ясным из уравнения
Бернулли (р-1 + pgh-j + pV^/2) = (р2 + pgh2 + pV22/2) + Дрвихр + Дртр, где
индексами 1 и 2 обозначаются состояния потока жидкости /газа/ в раз-
ных сечениях трубки тока. Если мы имеем установившееся горизон-
тальное течение (hi = h2 и Vi = V2), то перепад статического давления
оказывается равным (р>| - р2) = Др = (Дрвихр + ДрТр)- То есть, сумма
(ДРвихр + ДРтр) представляет собой общую потерю /падение/ статиче-
ского давления вдоль по тракту течения. При этом Дрвихр представ-
ляет собой потери давления из-за развития турбулентностей, а Дртр -
потери давления из-за внутреннего трения в жидкости. Вообще гово-
ря, столь четкое разделение потерь давления не является строгим и
используется для удобства анализа. Эти потери не разделимы и не
обратимы, воспринимаются потоком как сопротивление движению.
Потери давления Дртр, обусловленные внутренним трением /вяз-
костью/, принято выражать через коэффициенты сопротивления трения
^тр по формуле Дртр = ^Tp(pV2/2), хотя сама величина ^тр тоже зависит
от линейной скорости V. В свою очередь коэффициенты сопротивление
трения ^тр обычно представляют в виде соотношения Дарси-Вейсбаха
^тр = A((l/d), где Л - так называемый гидравлический коэффициент тре-
ния, I - длина трубы, d - диаметр трубы, (l/d) - геометрический фактор
/длина трубы в калибрах/. Отметим, что и гидравлический коэффициент
трения Л не является константой и зависит не только от V, но и от d.
Для ламинарного течения в круглой трубе справедлива формула
Пуазейля ^тр = 64(l/d)p/(pVd) = 64(l/d)/Re, где Л = 64/Re, a Re = pVd/p
(для трубы L = d в соответствии с определением числа Рейнольдса на
стр. 119). Тогда потеря /перепад/ давле-
ния на один погонный метр трубы соста-
вит Дртр/1 = 32pV/d2 = 128pG/nd4, где V -
линейная скорость в м/сек, G - объемный
расход жидкости в м3/сек, р - динамиче-
ская вязкость [87]. Это чрезвычайно
Рис.136. Удельные потери /перепады/ давления
воздушного потока на турбулентное трение Дртр/1 в
расчете на 1 погонный метр круглого воздуховода
из листового металла [71]. Цифрами на кривых
указаны диаметры воздуховодов d (140мм, 200мм
и 300мм). Указанные зависимости могут быть
использованы и для оценки сопротивления трения
„ w	, металлических дымовых труб классических откры-
Пинеиная скорость воздуха, м/сек
тых каминов.
Движение газов
123
Рис. 137. Критическая линейная скорость дымовых 2 о
газов при температуре Т, отвечающая переходу потока
дыма в турбулентный режим при Re = 2300 [49].
малые потери давления, и в большинстве 1«5
печных случаев ими можно пренебречь по
сравнению с тягой трубы /рис. 135/.
Для турбулентных же течений коэффи-
циент сопротивления трения в трубе опре- 1,0
деляется эмпирической /эксперименталь-
ной, полученной из натурных опытов/ фор-
мулой Блазиуса ^тр = O,32(l/d)Re-o>25, то есть 0 5
Л = O,32Re-o>25. Удельное сопротивление
трения в турбулентном режиме составляет
Дртр/1 = 0,16p°>25p°>75V1 >75d-1 >25	[63].
Эмпирическая формула Ритшеля дает для
Г-	0	200	400	600 800 1000
турбулентного воздуха схожие результаты Температура дымовых газов, ос
Дртр/1 = 8.10"3p°’85V1’92d"1’28 [49].
При эксплуатации печей и вентсистем обычно имеют дело с турбу-
лентными режимами течения /рис. 136/. Во всяком случае ламинарные
течения газов в каналах печей /отвечающие линейным скоростям V < 0,5
м/сек и Re < 2300/ наблюдаются только при растопках печей /рис.137/.
При ламинарном режиме течения потери давления на трение Дртр/1
пропорциональны линейной скорости, а при сильнотурбулентном режи-
ме течения потери давления пропорциональны квадрату линейной ско-
рости. Мы видим, что по формуле Блазиуса потери давления пропор-
циональны V1’75 , а по формуле Ритшеля пропорциональны V1-92. Так
что формула Ритшеля соответствует более турбулентным режимам с
высокими числами Рейнольдса 104 - 105 /отвечающим промышленным
принудительным вентсистемам/, а формула Блазиуса справедлива при
слаботурбулентном течении, когда у стенок трубы сохраняется мед-
ленный ламинарный поток в виде пограничного слоя /рис. 131/.
Важно отметить в связи с этим, что формула Блазиуса не учитывает
наличие шероховатостей стенок реальных труб и называется “форму-
лой для гидравлически гладких труб”. Ясно, однако, что при утоньшении
ламинарного пограничного слоя 62 высоты реальных шероховатостей
рано или поздно смогут выйти за пределы медленного ламинарного
пограничного слоя 62- И скоростное турбулентное обтекание высоких
зубцов шероховатостей а > 62 даст свой вклад в увеличение общих
потерь на пристеночное трение.
124
Дровяные печи
Рис. 138. Характер зависимости
логарифма гидравлического коэф-
фициента трения Л от логарифма
числа Рейнольдса Re. 1 - зависи-
мость Пуазейля для ламинарного
потока, 2 - зависимость Блазиуса
для турбулентного потока в гладкой
трубе, 3 - зависимости Никурадзе
для больших шероховатостей сте-
нок трубы [72]. Цифрами на кривых 3
указаны численные значения степе-
ней шероховатостей стенок трубы
(a/d), где а - высота шероховатостей,
d - диаметр трубы.
Общий характер зависимости сопротивления трения от величины
шероховатостей представлен на рис. 138 в логарифмический масштабе
величин /для “спрямления” степенных зависимостей Пуазейля и
Блазиуса/. При малых Re /то есть при малых скоростях потока/ имеем
в логарифмических координатах линейную зависимость Пуазейля
/сплошная прямая 1/. При больших Re имеем зависимость Блазиуса
/пунктирная прямая 2/. Переход от ламинарного режима к турбулентно-
му при Re = 2300 /то есть при IgRe = 3,36/ происходит скачком с повы-
шением гидравлического коэффициента трения Л по штрихпунктирной
кривой 3.
Штрихпунктирная кривая 3 учитывает шероховатость стенок трубы а
и носит название зависимости Никурадзе. Видно, что при низких шеро-
ховатостях, например, при (a/d) < 0,001 /где а - высота выступов, d -
диаметр трубы/, формула Блазиуса остается справедливой вплоть до
IgRe = 4,6 (то есть до Re = 40000) и выше. А вот при высоких шерохо-
ватостях отклонения кривых Никурадзе от прямой Блазиуса наблю-
даются уже при относительно низких Re. Так, для кирпичных труб при
шероховатости стенок (a/d) > 5% зависимость Никурадзе начинает про-
являться уже при появлении турбулентности при Re = 2300, и формула
Блазиуса не справедлива вообще /рис. 138/.
Сопротивление трения для турбулентного потока - это уже весьма
значительная величина. Потери давления от трения порой сопоставимы
с величиной потерь давления на ускорения и повороты потоков газа в
печах/рис. 135/. Так что при расчете длинных прямых воздуховодов про-
мышленных вентсистем и высоких вытяжных /дымовых/ труб вклад
сопротивления трения может оказаться решающим. А вот в коротких и
“извилистых” внутридомовых водопроводах и в многооборотных дымо-
Движениегазов
125
вых каналах бытовых кирпичных печей потерями давления на трение
порой можно пренебречь по сравнению с “гидродинамическими” поте-
рями давления Дрвихр, возникающими при поворотах потоков из-за
возникновения мощных вихревых турбулентностей, где кинетическая
энергия поступательного движения потока в значительной степени пре-
образуется в кинетическую энергию вращения жидкости /газа/ в вихрях.
2.5.4.	Гидрогазодинамические потери давления
Вышерассмотренная турбулентность Блазиуса является “ленивой”
крупномасштабной “круткой” жидкости в трубе, когда пространственный
масштаб турбулентности соответствует геометрическим размерам
трубы /диаметру и длине трубы/. При этом в каждой локальной точке
трубы поток выглядит ламинарным /’’микроламинарным’7, хотя в целом
по трубе микрообъемы жидкости могут двигаться “клубами” /завитка-
ми/ в произвольных /хаотических/ направлениях с разными скоростя-
ми. В печах такая картина является типичной и общеизвестна по харак-
теру истечения дыма из дымовой трубы.
При резких же заужениях или поворотах трубы может наблюдаться
переход от крупномасштабной турбулентности в более мелкомасштаб-
ную /рис. 118-121/. При этом в соответствии с теорией “прямого энерге-
тического каскада” каждый ламинарный “завиток” крупномасштабной
турбулентности может делиться поэтапно на множество все более и
более мелких “завитков” /вихрей/, которые в конце концов на микро-
скопическом уровне переходят за счет вязкости в энергию отдельных
молекул - в тепло [88]. С уменьшением пространственного /геометри-
ческого/ масштаба турбулентности длинноволновые возмущения жид-
кости превращаются в коротковолновые, что сопровождается увеличе-
нием частоты звуковых колебаний и повышением уровня звука - от глу-
хих шумов в трубе до свиста и рева, что даже используется практически
в частотных расходомерах газов и жидкостей.
Рис.139. Оценочные значе-
ния величин коэффициентов
газодинамического сопротив-
ления резких изменений тече-
ний ^гд, относящиеся к
величинам скоростей V в
местах расположения стре-
лок.
£гд = 0.5 £гд - 1.0
$гд=1.5
$гд = 2,0
126
Дровяные печи
$гд = 0,6
fo = 0,3
^гд - 0.03 ^гд -0,05
Рис.140. Коэффициенты
газодинамического сопротив-
ления входа в трубу: а - труба
выступает /выдается/, б - ост-
рые кромки, в - затупленные
кромки R=0,1d, г - закруглен-
ные кромки R=0,5d, д - кромки
под углом 45°.
Потери давления из-за таких мелкомасштабных вихрей также учи-
тываются формулой общего вида Дрвихр = ^гд(рУ2/2), где ^гд - коэффи-
циент “газодинамического сопротивления”. Часто ^гд обозначают как
коэффициент местного сопротивления с, поскольку потери давления
в этих случаях образуются преимущественно локально при резких
местных изменениях скоростей и направлений движений жидкости.
Вообще говоря, общее физическое понятие коэффициента газоди-
намического сопротивления ^гд охватывает и ламинарные, и турбу-
лентные течения. При ламинарности исходного потока коэффициенты
газодинамического сопротивления ^гд могут зависеть от линейной ско-
рости потока /от числа Re/ очень сильно из-за возможности появления
турбулентности “за поворотом” [72]. Но поскольку в каналах печей, как
правило, наблюдается уже сформировавшаяся крупномасштабная тур-
булентность, то для таких уже турбулизированных потоков ^гд обычно
слабо зависят от числа Рейнольдса при Re > 104 -105 [89-91].
В печной практике полезно помнить в уме порядок величин коэф-
фициентов ^гд для основных случаев сужения, расширения, поворота
и разворота потока /рис.139/. Для определения общего газодинамиче-
ского сопротивления газодымовой системы надо арифметически про-
суммировать все величины местных газодинамических потерь давления
Др = ЕДрвихр = £ Йгд(рУ2/2)] вдоль по всему тракту течения.
Сложив ориентировочные значения коэффициентов газодинамиче-
ского сопротивления открытой дверки поддувала ^гд = 0,5, колосниковой
решетки ^гд = 1,5, поворота в топке ^гд = 1,5, хайла ^гд = 0,5, двух дымо-
разворотов ^Гд = 4 и выхода из дымовой трубы ^гд = 1 получаем ориен-
тировочный коэффициент газодинамического сопротивления каналь-
ной бытовой кирпичной печи порядка £^гд =10. При средней скорости
течения газов в каналах 2 м/сек общее газодинамическое сопротивле-
ние такой кирпичной печи составит ориентировочно 20 Па.
Сопротивление же трения при общей длине тракта печи 10 метров
составит ориентировочно 5 Па /рис.136/. Таким образом, газодинами-
ческие потери давления вносят основной вклад в сопротивление печи,
Движение газов
127
Рис.141. Коэффициенты газодинамического сопротивления трубных переходов.
а с учетом повышенного сопротивления полуоткрытых дверок и задви-
жек, полузаваленности решетки углями - определяющий.
В связи с этим, в многооборотных кирпичных печах возникает
потребность снижения газодинамических сопротивлений для обес-
печения достаточно высокого расхода воздуха на горение дров в печи.
Такая потребность обусловлена, в частности, тем, что скорость гази-
фикации дров в раскаленных массивных топливниках кирпичных печей
может быть очень высокой.
А вот в металлических печах и котлах скорости газификации дров в
топках могут быть существенно меньшими за счет низкой температуры
стенок, интенсивно охлаждающихся теплоотводом во внешнюю среду.
Поэтому в металлических печах стараются порой, наоборот, увеличить
газодинамические сопротивления для предотвращения чрезмерного
поступления воздуха в топку. Главным образом это касается установки
“отбойников” /горизонтальных дымооборотов/ перед дымовой трубой.
128
Дровяные печи
О 0,5 1,0 1,5 а/в
Рис. 142.Коэффициенты газодинамического
сопротивления колена трубы прямоугольного
сечения [71].
Первым, наиболее действенным
фактором снижения газодинамических
потерь является округлость поворотов
и плавность расширений и сужений
потока /рис. 140/. Плавности переходов
устраняют застойные зоны /очаги воз-
никновения турбулентности/ и “сду-
вают” вихри в момент их зарождения.
Вторым важным фактором снижения коэффициентов газодинами-
ческого сопротивления является округлость поперечных сечений кана-
лов печей, поскольку в углах прямоугольных труб создаются застойные
зоны, где и могут возникать вихри. Обычно квадратные трубы в местах
расширений или поворотов /в коленах/ имеют газодинамические сопро-
тивления на 20-50% большие, чем круглые трубы. А вот трубы прямо-
угольного сечения в местах поворота могут иметь еще большие сопро-
тивления, причем именно в случаях “просторной широкой дороги на
повороте” в плоскости чертежа /рис. 142/. Это может показаться весьма
неожиданным, поскольку печники обычно интуитивно стремятся делать
подвертки и перевалы высокими /и “глубокими” - вытянутыми по направ-
лению движения газа в первичном канале/, чтобы поворот газового
потока был бы не столь ’’крутым”. Но как раз именно в этих случаях
образуются благоприятные условия для образования застойных зон “за
углом”. Так что теоретически /не учитывая досадных особенностей
зольных осаждений/ целесообразней
выполнять горизонтальные каналы в
виде широких щелей малой высоты,
причем так, чтобы газовый поток при
поворотах сразу утыкался бы в стен-
ку вторичного канала и как можно
круче поворачивал.
Рис. 143. Коэффициенты газодинамическо-
го сопротивления круглого всасывающего пат-
рубка с разными размерами и углами раскры-
О 30	60	90 120 а, град тия раструба [90].
Движениегазов
129
Третьим важным фактором снижения коэффициентов газодинами-
ческого сопротивления является малая шероховатость стенок каналов
в местах поворотов. Так, для прямоугольного колена трубы квадратно-
го сечения с гладкой поверхностью первоиспытатель гидравлических
сопротивлений Вейсбах определил величину ^гд = 1. Впоследствии
выяснилось, что для технически гладких труб это значение повышает-
ся до £гд = 1,1. А для шероховатых труб получен большой разброс экс-
периментальных данных в диапазоне ^гд = (1,1 - 2,0). Для прямоуголь-
ного колена кирпичного канала квадратного сечения можно условно
принимать ^гд=1,5, а для прямоугольного сечения - до ^гд = 2 [49].
В производстве каминов важным фактором является угол раскры-
тия раструба вытяжного зонта /дымоуловителя/. Наименьшим газоди-
намическим сопротивлением обладают раструбы с круглым попереч-
ным сечением с полным углом раскрытия конуса а от 30 до 90 градусов
в расчете “от стенки до стенки” /рис. 143/.
Незатопленное истечение жидкости в отверстие
/рис. 117/ сопровождается сжатием струи, что воспри-
нимается потоком жидкости как гидравлическое сопро-
тивление /см. раздел 2.4.9/. Это сопротивление “входа”
жидкости в отверстие выражается в уменьшении объ-
емного /массового/ расхода жидкости G = eG0 =
£S(2Ap/p)°>5, где Go = S(2Ap/p)°>5 - теоретический объ-
емный расход при отсутствии сужения, £ - коэффици-
ент сжатия струи, S - площадь отверстия, £S - пло-
щать суженного участка струи /см. стр. 108/.
При затопленном истечении жидкости в жидкость,
в области сжатия струи в периферийной пристеноч-
ной зоне образуется кольцевая вихревая зона /типа
рис. 118/. Вихревое движение жидкости за счет вязкости
испытывает торможение на стенках, что воспринима-
ется как добавочное сопротивление трения. Расход
жидкости еще больше уменьшается G = cpcGo = pGo,
где ф - добавочный “коэффициент скорости”, учиты-
вающий трение, а суммарный коэффициент р = ф£
Рис. 144. Пример металлической печи с дымооборо-
тами [94]: а - места возможных завихрений, б - сгла-
живание поворотов устраняет наличие вихревых зон.
130
Дровяные печи
Рис. 145. Коэффициенты газодинамического
сопротивления затопленного выхода из прямо-
линейной трубы квадратного или круглого сече-
ния при различных исходных поперечных рас-
пределениях скорости газа в струе: а - равно-
мерное распределение V(r) = Vo, б - параболи-
ческое распределение V(r) = Vo[1 - (r/R)2].
носит название “коэффициента расхода”. Коэффициент скорости ф можно выразить через
коэффициент сопротивления трения ^Тр по формуле ф = (1 + ^тр)-0,5> которая следует из
соотношения Бернулли pV2/2 = Др - ДрТр = Др - ^Tp(pV2/2). Характерные величины коэф-
фициентов для отверстия в тонкой стенке составляют е = 0,62, ф = 0,98, р = 0,61, = 0,06
и могут уточняться в зависимости от числа Re по формулам [90].
Аналогичная ситуация самопроизвольного сужения потока может происходить и при
вращательном истечении жидкости в отверстие /рис.125-а/. С той лишь разницей, что
сужение происходит за счет образования осевой воздушной воронки, которая в случае про-
никновения в отверстие снижает пропускную способность отверстия. Критический напор
НКр, при котором происходит прорыв воздушного ядра воронки в донное отверстие, опре-
деляется формулой [90]: HKp/d = 0,5V°’56(gd)"0,28, где d - диаметр отверстия, V - сред-
няя скорость в сжатом сечении струи /примерно на 0,5d ниже плоскости отверстия/.
При прямоточном истечении жидкости не через отверстие, а через удлиненный наса-
док, сужающийся участок/рис. 118/ может оказаться затопленным так, что в зоне сужения
давление станет меньше, чем давление во внешней среде, поскольку внешняя среда не
будет иметь непосредственного контакта с зоной сужения. Так что линейная скорость в
месте сужения, а также объемный расход жидкости при подключении насадка может
существенно повышаться: е = 1,0, ф = 0,82, р = 0,82, = 0,49 [63]. Повышенная в месте
сужения скорость по мере продвижения жидкости по насадку снижается с повышением
давления до уровня давления внешней среды.
Рассматривая втекание жидкости в трубу /рис.139-а/ как истечение жидкости через
длинный насадок, можно вместо коэффициента газодинамического сопротивления входа
^Гд = 0,5 формально ввести понятие инер-
ционного сужения потока жидкости на входе
в трубу € = (1 + Sr-д )'0’5 = 1.5-°’5 = 0,82.
Рис. 146. При истечении затопленной струи
в пространство, заполненное жидкостью,
возникают инерциальные течения за счет
подсоса внешней среды в область понижен-
ного давления /инжекция/ и вязкостные тече-
ния за счет увлечения неподвижной внешней
среды движущейся струей /эжекция/.
Движениегазов
131
Рис. 147. Схема образования турбулентного
пограничного слоя в свободной затопленной
струе. Крупные белые стрелки - вихри истекаю-
щего газа. Черные стрелки - вихри подсасывае-
мого /эжектируемого) газа внешней среды.
Подробней с численными значе-
ниями коэффициентов газодинамиче-
ского сопротивления можно познако-
миться в монографиях [89-92].
Таким образом, о высоком сопротивлении потоку газа можно судить
в первую очередь по наличию сильных вихрей в каналах. Поэтому в
классических каминах издавна пытались устранять вихри, особенно в
порталах, тем более, что вихри приводили и к выбросам дыма в поме-
щение [93]. На примере известной садовой металлической печи [94]
можно проследить последствия устранения завихренностей путем сгла-
живания резких поворотов /рис.144/. Напомним, что кондуктивная теп-
лоотдача в стенки печи определяется именно уровнем сопротивления
трения /из-за схожести физической сути трения и теплопроводности/.
2.5.5.	Свободная затопленная струя вязкой жидкости
Ранее в разделах 2.4.2 - 2.4.4 мы рассматривали струю жидкости,
истекающую в воздух, то есть в среду не просто малоплотную, но и
крайне низковязкую, слабо воздействующую механически на саму
струю жидкости /рис.99,100,115,117/. Но если жидкость истекает в жид-
кость, то картина изменяется кардинально. Истекающая жидкость уты-
кается в вязкую /липкую/
инерционную массу с малой
подвижностью и не способ-
Рис. 148. Линейные скорости газа
в турбулентной затопленной осе-
симметричной струе, истекающей
из отверстия диаметром do со ско-
ростью Vo- Внизу - график умень-
шения скорости движения газа на
оси струи по мере удаления от
отверстия по теоретической фор-
муле Vx = 6Vo(do/x).exp(-74,5y2/x2).
132
Дровяные печи
Рис. 149. Схема слияния отдельных прямоточ-
ных струй в единый фронт движущегося газа.
на своим скоростным напором “про-
биться” на большую глубину.
Струя называется затопленной, если
жидкость струи истекает в такую же
жидкость /например, вода в воду или
воздух в воздух/. Жидкость, выталкива-
ясь из сопла в объем жидкости, испытывает сопротивление на так назы-
ваемый “удар” [90]. При этом наибольшее противодействие получают
низкоскоростные струи. Поэтому струя с равномерным поперечным рас-
пределением продольной /поступательной/ скорости испытывает мень-
шее сопротивление, чем струя с “параболическим” распределением
скорости /при одной и той же осевой скорости/, поскольку медленные
периферийные слои струи просто не могут “раздвинуть” жидкость,
чтобы продвинуться вперед /рис. 145/.
Ясно, что струя жидкости в объеме внешней среды вначале имеет
большую скорость, а потом затормаживается. Значит, вдоль струи ста-
тическое давление повышается в соответствии с уравнением Бернулли
р + pV^/2 = const. При этом на периферии струи возникает обратный
поток жидкости, подсасывающейся в начало струи, что и формирует
вихрь вокруг струи. Это явление называется инжекцией, оно вызвано
перепадом давления и не обусловлено наличием вязкости /рис. 146/.
Одновременно, движущаяся струя за счет сил трения тянет /увле-
кает/ за собой неподвижную внешнюю жидкость. Это явление вовлече-
ния в струю неподвижной жидкости за счет наличия вязкостных сил
называется эжекцией. При этом говорят, что струя “повышает свою
массу”. Обычно граница неподвижной и подвижной жидкости взвихри-
вается с образованием так называемого турбулентного пограничного
слоя /рис.147/. Скорость эжекции при этом резко повышается.
Одновременно уменьшается линейная скорость жидкости за счет вяз-
кого и турбулентного сопротивлений /фактически по закону сохранения
кинетической энергии из-за увеличения массы движущейся жидкости/.
Рис. 150. Коэффициенты газодина-
мического сопротивления свободного
выхода из прямолинейного канала
круглого или квадратного сечения не
изменяются при удлинении выступаю-
щей трубы за пределы плоскости.
Движение газов
133
Рис. 151. Коэффициенты газодинамиче-
ского сопротивления свободного выхода
затопленной струи из расширяющегося
сопла /диффузора/ с разными углами рас-
крытия конуса диффузора о.
В соответствии с общеприняты-
ми теоретическими моделями счи-
тается, что прямоточная струя 2
/рис. 115/ с равномерным /“столбикообразным”/ поперечным распреде-
лением поступательной скорости /рис.145-а/ способна “растолкать”
внешнюю жидкость на расстоянии шести калибров, то есть проникает на
глубину шести диаметров сопла х = 6d0 внутрь неподвижной жидкости
с сохранением величины осевой скорости /рис. 148/. Затем скорость на
оси струи начинает снижаться обратно пропорционально расстоянию
от сопла, а сама струя “рассыпается” на вихри с образованием “турбу-
лентного следа”, расширяющегося конусом с полным углом раскрытия
примерно 25°. Так, струя с начальной скоростью в сопле 1 м/сек, исте-
кающая из прямоточного сопла диаметром 10 см с начальным расхо-
дом воздуха 28 мЗ/час, на расстоянии 3 м имеет диаметр 1,2 м, ско-
рость на оси 0,2 м/сек и расход 280 мЗ/час. Коэффициент эжекции р,
характеризующий интенсивность присоединения к струе массы окру-
жающей среды на единицу длины струи за счет вязкости и вихреобра-
зования, достигает при этом значений р = (G/G0)/(x/d0) = 0,34 [70].
Отдельные струи могут сливаться в единый фронт/рис. 149/.
Рассмотренные турбулентные процессы в затопленной струе соз-
дают газодинамическое сопротивление истечению потока жидкости
ДРвихр = Srfl(pV2/2). При этом коэффициенты
газодинамического сопротивления ^гд равны
единице вне зависимости от формы сопла
/рис. 150/. Это фактически означает необрати-
мую потерю струей всей своей кинетической
Рис.152. Экран 2 за цилиндрическим выходом или за
диффузором 1 с углами расширения о < 30° всегда вызы-
вает увеличение газодинамического сопротивления. Экран
за криволинейным /с увеличивающимся углом расшире-
ния/ диффузором или за конусным диффузором с углами
расширения о > 30° может значительно уменьшать газо-
динамическое сопротивление истечения /при соответ-
ствующем выборе расстояния от экрана до диффузора/ за
счет “сдува вихрей” [91].
134
Дровяные печи
Рис. 153. Схема газового струйного аппа-
рата: 1 - сосуд повышенного давления /реси-
вер, подкачиваемый насосом/, 2 - сопловой
тракт, 3 - подсос воздуха /эжектор/, 4 - откры-
тая с торцов на атмосферу внешняя труба
/камера смешения/, 5 - турбулентная граница
струи, 6 - инжекция, 7 - эжекция. Внизу - про-
дольное распределения давления и посту-
пательной скорости в приосевой Айв пери-
ферийной /пристеночной/ зонах, р>| - давле-
ние в ресивере, Р2 - давление в атмосфере.
энергии. Причем торможение про-
исходит путем вязкого и вихревого
смешения струи с массами непо-
движной среды.
2.5.6.	Стесненная затопленная струя вязкой жидкости
Если струя /то есть поток газа из трубки-канала в полость-простран-
ство/ может касаться неких стенок, то она называется стесненной /огра-
ниченной, полуограниченной/ и приобретает новые свойства.
Так, если выход затопленной струи дополнить длинным патрубком-
диффузором /конически расширяющимся участком/, то стенки диффу-
зора не позволят неподвижным массам окружающей среды подсасы-
ваться-подмешиваться в струю /и тем самым тормозить струю/. В
результате, газодинамическое сопротивление выходу струи в про-
странство резко снизится /рис. 151/.
Но если угол раскрытия конуса диф-
фузора уменьшать /то есть превра-
щать диффузор в трубу/ или уве-
личивать /сверх угла “естественно-
го” расширения турбулентной струи
25°/, то все преимущества диффузо-
ра пропадают из-за возобновления
подсоса внешней среды, и коэффи-
Рис.154. Уменьшение вихреобразования
при уменьшении резкости расширения
трубы: а - внезапное раширение, б - посте-
пенное, в - плавное.
Движение газов
135
Рис.155. Поведение затопленных струй в
полостях: а - тупиковая /возвратная/
полость, б - прямоточная /транзитная/
полость. 1 - вход струи, 2 - выход струи, 3 -
граница расширяющейся струи, 4 - встреч-
ный /обратный/ поток, 5 - захват /увлече-
ние/ струей внешней среды, 6 - тупиковая
застойная зона, 7 - граница сужающейся
струи, 8 - образование обратного потока, 9 -
число стрелок показывает расход в потоке,
10 - начало стесненного расширения струи.
циент газодинамического сопро-
тивления будет вновь расти, стре-
мясь к единице, если не предпри-
нять иные меры /рис. 152/.
Можно пространственно ограничить не начальный, а промежуточ-
ный /конечный/ участок струи. Например, в струйном аппарате струя 5
сначала расширяется свободно без контакта с преградами /рис.153/. И
только затем касается стенки внешней трубы 4. При этом струя захва-
тывает внешнюю среду инжекционным всасыванием 6 и одновременно
увлекает эжекцией 7 /вязкостью и турбулентностью/, в результате чего
реализуется подсос внешней среды 3 /например, воздуха/.
Отметим, что подобные струйные аппараты иногда называют инжекторами (если они
служат для нагнетания газа или жидкости через правый торец трубки 4) или эжекторами
(если они служат для для удаления газа или жидкости через левый торец трубы 4). Так что,
разные авторы понимают термины “инжекция” /инъекция/ и “эжекция” по-разному [63].
Можно пространственно ограничить и всю струю целиком /рис. 154/.
Так, если в струйном аппарате преградить подсос воздуха 3, то полу-
чится канал с внезапным расширени-
ем сечения /рис.154-а/. Однако, при
этом подсос в струю внешней среды
не предотвращается - в качестве
внешней среды начинают выступать
встречные возвратные потоки /вих-
ревые/. При сглаживании расшире-
ние. 156. Траектории движения (а) и эпюры
скоростей (б) в газовой /жидкостной/ струе,
затопленной в прямоточной полости.
136
Дровяные печи
Рис. 157. Разновидности стесненных затопленных газовых /жидкостных/ струй в поло-
стях: во встречном потоке, в тупике и в сквозном спутном протоке [72].
ний канала вихреобразование уменьшается /рис. 154-6/ и может ичезнуть
совсем /рис.154-в/. Строго говоря, только безвихревое течение на
рис.154-в и является полностью стесненной струей, поскольку на
рис.154-а и рис.154-б имеются участки свободного расширения струи.
Если расширившийся участок канала затем вновь сужается, то такой
расширенный участок канала понимается как затопленная полость в
канале /рис. 155-157/. В случае тупиковой полости /рис.155-а/ струя 1
сначала расширяется обычным образом 3 /’’свободно” в том смысле,
что “не чувствует” ограждающих стенок/ с захватом внешней среды до
заполнения 22-25% площади поперечного сечения полости. Затем струя
начинает чувствовать стеснение 10, и угол
расширения струи постепенно снижается.
Когда сечение струи достигает 42-45% пло-
щади поперечного сечения полости, захват
/увлечение/ окружающей среды в струю ста-
новится невозможным вследствие “увели-
ченного сопротивления”. Имеется в виду, что
линейная скорость встречных /возвращаю-
щихся из тупика/ потоков 4 сравнивается с
линейной скоростью жидкости в струе. С
этого момента струя уже не в состоянии
увлечь за собой встречные массы внешней
среды. Образуется некая стоячая турбу-
лентная зона 6 /застойная/, в которой струя
просто перемешивается с противоположно
направленным встречным потоком 4. Иными
словами, полость “запирается”, и если ее
длину увеличить, то ничего не изменится.
Это означает, что можно говорить о неком
Рис. 158. Схемы полуограниченных струй газа /жидкости/.
Движение газов
137
Рис. 159. В полуограниченных потоках газа
/жидкости/ скорость в отверстиях преград не
может превышать скорость набегающего
потока /скорость воздуха в “форточке” здания
не может превышать скорость ветра/. В пол-
ностью ограниченных потоках скорость в
отверстиях преград увеличивается обратно
пропорционально площади отверстия.
понятии “дальнобойности” струи в
тупиковой полости. Если дальнобой-
ность струи больше длины полости,
то тупик полости считается пол-
ностью проточным. А если дальнобойность струи меньше длины поло-
сти, то тупик полости является непроточным. Аналогично, и струя воды
/”из шланга”/, падая на поверхность бассейна, уходит вглубь лишь на
конечную глубину и может не достичь дна бассейна.
Подчеркнем, что струя в тупиковой полости “затапливается” не в
некой произвольной “жидкости полости” , а во вполне определенной
жидкости, а именно в той, что ранее вошла в тупиковую полость. Другой
жидкости в полости попросту быть не может. Так что струя развивается
фактически во встречном потоке жидкости /рис.157-а/.
Струя жидкости в транзитной полости /рис. 155-6/ сначала развива-
ется подобно струе в тупиковой полости, захватывая очень большие
массы внешней жидкой среды - много большие, чем вводятся самой
струей через патрубок 1. Но выйти через патрубок 2 может только то
количество жидкости, которое вошло через патрубок 1. А это означает,
что захватываемые струей массы внешней жидкости должны постоянно
возвращаться к истоку струи, создавая тем самым встречный поток 4
/“ветер”/, который характерен и для тупиковых струй.
Полуограниченные /настильные-стелющиеся, обтекающие, набе-
гающие/ струи подобно неограниченным /нестесненным/ струям также
подсасывают внешнюю газовую среду, в том числе и с образованием
вихревых турбулентностей /рис. 158/, но подсасывают далеко не со всех
сторон. В результате, дальнобойность полуограниченных струй больше,
чем неограниченных /рис.158-а/. Вместе с тем, и в полуограниченных
течениях не удается создавать /даже нагнетателем/ повышенный ста-
тический напор из-за самопроизвольных расширений потока /в отличии
от ограниченных/. Поэтому в полуограниченных течениях скорость пото-
ка не может быть повышена выше исходной скорости, поскольку стати-
ческий напор создается только динамическим напором /рис. 159/.
138
Дровяные печи
3.	Движение горячих газов
В предыдущем разделе были рассмотрены особенности движения
изотермического газа на модели течений однородной жидкости.
В этом же разделе будут рассматриваться движения в среде неизо-
термического /пространственно неоднородно нагретого/ вязкого газа.
Особенностью неизотермического газа является наличие объемов
локально нагретых /нагревающихся/ газов с пониженной плотностью,
самопроизвольно всплывающих под действием архимедовых подъ-
емных сил в среде холодных /охлаждающихся/ газов.
Следует подчеркнуть, что газ приходит в самопроизвольное движе-
ние только при непосредственном контакте /соприкосновении/ нагре-
тых и не нагретых газов. Если же горячий газ отгорожен со всех сторон
стенками и всюду нагрет равномерно, то и плотности горячего газа
будут всюду одинаковы, и самопроизвольные всплытия становятся
невозможными. Однородно нагретый газ ведет “внутри себя” также, как
однородный не нагретый газ, и сопоставительные понятия “холодный”
и “горячий” теряют свой смысл. Эти факты бывают порой на удивление
далеко не очевидными для “житейского разума”.
3.1.	Подъемная сила
При нагреве газ расширяется, и его плотность снижается с величи-
ны рх до меньшей величины рг = рхТх /Тг, где Тх - абсолютная темпе-
ратура (в °К) холодного газа /до нагрева/ и Тг - абсолютная температу-
ра горячего газа /после нагрева/. Становясь малым по весу /легким/,
локально нагретый объем газа стремится самопроизвольно всплыть
/вытолкнуться вверх/ в окружении ненагретого газа под действием подъ-
емной силы Архимеда /см. раздел 2.3/. А локально охлажденный объем
газа стремится самопроизвольно утонуть /вытолкнуться вниз/ в окру-
жении теплого газа. Возникают взаимно противоположные перемещения
/течения/ горячих и холодных объемов газа.
Согласно гидравлической аналогии /именно аналогии явления, а не
согласно численному подобию/, всплывающий объем горячего газа
Движение горячих газов
139
Рис. 160. Гидравлическая модель сферического объема горячего	а
газа, всплывающего под действием подъемных сил в среде холодного
ra:r.rop™a„.X.Wara..V.^b.h.._Wa.
часто рассматривают условно /с точностью “до наобо-
рот”/ как каплю жидкости, падающую /свободно ускоряю- h'2 хтх\
щуюся вниз/ в воздухе под действием сил тяготения тО/
/рис.101/. Локальный объем горячего газа Г, всплывая,
раздвигает окружающим холодный газ и направляет его 1
из лобовой части в тыльную по стрелке X /рис. 160/.	/4\\
При отсутствии вязкости эти перетоки холодного газа —	)
не испытывают сопротивления, и локальный объем газа
Г свободно ускоряется вверх под действием подъемной
силы Архимеда д(Рх-Рг) = дАр, рассчитанной на единицу объема /см.
стр.89/. Чем больше объем горячего газа, тем больше подъемная сила,
но тем больше и масса объема горячего газа. В результате, ускорение
объема горячего газа вверх Дрд/рг не зависит от величины его объема.
Поэтому, объем горячего газа можно формально разбить на неограни-
ченное количество микрообъемов, изображаемых условно маленьки-
ми белыми кружочками /рис. 161-а/ или даже точками /рис. 161-б/.
Причем все эти микрообъемы в отсутствии вязкости будут ускоряться с
одинаковыми ускорениями дДр/рг, не изменяя форму исходного состав-
ного объема /шара-сферы в случае рис. 160/.
При наличии же вязкости, объем самопроизвольно всплывающего
горячего газа будет испытывать силу сопротивления трения окружаю-
щего холодного газа. При сферической форме объема всплывающего
горячего газа эта сила сопротивления трения по формуле Стокса равна
F = 3npVd, где п = 3,14 - безразмерное число Пифагора, р - коэффици-
ент динамической вязкости, V - скорость движения объема горячего
газа, d - диаметр сферического объема горячего газа /см.стр.120/.
Поэтому объем горячего газа будет ускоряться вверх лишь до достиже-
Рис.161. Всплытие объема горячего воз-
духа Г в окружении холодного газа X: а,б -
при отсутствии вязкости форма объема не
меняется /при одновременном “старте” всех
частей объема/, холодный газ X ламинарно
перетекает из лобовой части всплывающего
объема в тыльную, в - при наличии вязкости
/трения обтекания/, г - при возникновении
турбулентности при большой скорости V.
140
Дровяные печи
в)
Рис. 162. Холодный газ “подлезает” под объем
горячего газа: а - под объемом горячего газа Г
(белые кружочки) располагается зона пониженно-
го статического давления (р0+Дрг) < (р0+Дрх),
куда и устремляется окружающий холодный газ X
(черные кружочки) по стрелке V, б - в отверстии-
"форточке” горячий газ Г /область с точками/
устремляется вверх в зону холодного газа X, в -
пояснение вышеуказанных явлений с помощью
гидравлической модели сообщающихся сосудов
с разными весами колен. 1 - умозрительная /вооб-
ражаемая/линия разделения горячего и холодно-
го газов, 2 - реальная разделительная стенка с
“форточкой”, 3 - умозрительная линия разделе-
ния потоков горячего и холодного газов.
ния величины скорости подъема V = (2gAphKp/pr)0>5, равной величине
скорости витания VBMT = 0,056d2gAp/p, когда подъемная сила
0,167пс|ЗдДр сравнивается с силой сопротивления трения 3npVd.
Численные оценки свидетельствуют, что при характерных темпера-
турах горячего газа Тг = (100 - 1000)°С силы трения /вязкости/ не суще-
ственны при обычных поперечных размерах объемов всплывающих
горячих дымовых газов более d > (10-3 -10-2) м.
В то же время численный анализ показывает, что явления турбу-
лентности проявляются при Тг = (100 - 1000)°С как раз при значитель-
ных размерах объемов горячего газа d > (10-3 -10-2) м, соответствующих
числам Рейнольдса Re = pVd/p > 40 /см.стр.119/.
Таким образом, малые одиночные объемы горячих газов с харак-
терным поперечным размером 0,001м и менее, всплывая, разрушают-
ся за счет трения /рис.161-в/. А большие одиночные объемы горячих
газов с характерным “печным” поперечным размером 0,1м и более,
всплывая, разрушаются за счет турбулентности, похожей на облако
ядерного взрыва /рис.161-г, а также см. рис.121/. Действительно, дым из
трубы, истекающий в неподвижный воздух, турбулизирован. А дымок
от потухшей свечи, хоть и имеет извилистую траекторию, ламинарен.
3.2.	Природа течений горячего газа
При непрерывном локальном нагреве газа в среде охлаждаемого
газа возникают стационарные потоки горячего газа в холодной среде.
Причиной появления самопроизвольных течений в среде неизотер-
мического газа является не сама по себе легкость /по весу/ отдельного
Движение горячих газов
141
Рис. 163.Естественная /гравитационная/ венти-
ляция и циркуляция на примере черной бани: 1 -
каменка, 2 - дверь, 3 - вентиляционная траектория
потоков, 4 - циркуляционная траектория потоков, 5
- застойная зона, 6 - имитация каменки /горящих
дров/ неким подовым нагревателем, 7 - имитация
каменки неким настенным нагревателем.
объема локально нагретого газа, а нали-
чие перепадов статического давления
газа в разных точках пространства на
одном высотном уровне /рис 162-а/. Но
эти перепады статического давления вызваны разными весами стол-
бов газа над различными точками среды. Под нагретым объемом газа
располагается зона пониженного давления, в которую устремляются,
если не препятствуют стенки, горизонтальные потоки холодного газа,
выталкивающие нагретый объем газа вверх/модель метеоциклона/.
Такая модель позволяет объяснить причину всплытия объема
горячего газа, не окруженного со всех сторон холодным газом, а только
контактирующего сбоку с объемом холодного газа. Фактически речь
идет о разных весах столбов газа, образующих колена сообщающихся
сосудов /рис.162-в/. Тем самым может быть пояснен механизм само-
произвольного подтекания холодного воздуха под самовсплывающие
горячие дымовые газы в кострах и русских печах.
3.3.	Гравитационная конвекция
В дальнейшем при описании движений газа внутри объема неизо-
термического газа будем использовать понятие конвекции.
Конвекцией называется явление/факт/ непрерывного перемещения
вещества в пространстве физически неоднородного газа. Понятие кон-
векции является более узким понятием, чем понятие “движений-пере-
мещений объемов /масс/ газа вообще”, поскольку подразумевает, что
движение развивается в неоднородном газе и сопровождается перено-
Рис.164. Типы схем принудительной приточной
вентиляции помещений: а - схема смешения с пода-
чей турбулентной струи свежего воздуха X с
неизбежным образованием сквозняков и застойных
зон, б - схема вытеснения с ламинарным подтека-
нием фронта свежего воздуха через перфорирован-
ную стенку /пористую, волокнистую/.
142
Дровяные печи
Рис.165. Структура гравитационной конвекции в замкнутом помещении: а - развитие
восходящей конвективной струи над локальным источником тепла 1 ведет к образова-
нию в помещении единого моноциркуляционного контура с подсосом холодного воздуха
в основание конвективной струи, б - восходящий фронт теплого воздуха от горячего пола
2 разбивается на многочисленные восходящие струйки и многочисленные нисходящие
струйки выдавливаемого сверху холодного воздуха, что создает многоячеистую структу-
ру конвекции, в - многоячеистая структура конвекции является динамически неустойчивой
и может самопроизвольно трансформироваться в единую моноциркуляционную траекто-
рию, г - нисходящие потоки воздуха, охлаждаемого у холодного потолка 3, создают мно-
гоячеистую структуру конвекции, д - многоячеистая конвекция неустойчива, при локальных
переохлаждениях 4 переходит в моноциркуляционную конвекцию.
сом /перемещением/локальных параметров газа /плотности, темпера-
туры, химического состава и т.п./ из одних пространственных зон в дру-
гие. Так, например, “конвективный теплоперенос” в отличие от “диффу-
зионного теплопереноса” /молекулярной теплопроводности/ происхо-
дит только в подвижном воздухе. В однородном газе физические пара-
метры газа всюду одинаковы, и смещения объемов не влекут за собой
изменения пространственного распределения параметров газа.
Конвекция подразделяется на естественную /свободную/ и вынуж-
денную /принудительную/. Естественная конвекция возникает само-
произвольно при пространственно неравномерном нагревании газа в
поле тяготения. То есть естественная конвекция имеет чисто гравита-
ционную природу. Вынужденная (принудительная) конвекция возникает
под действием каких-либо внешних механических воздействий, то есть
с помощью воздуходувок, компрессоров, вентиляторов, вееров.
В этой книге рассматривается только естественная /гравитационная/
конвекция, поскольку в бытовых дровяных печах дымососы /принуди-
тельная вытяжка/ и воздухонагнетатели /принудительное дутье/, как
правило, не используются. Естественная конвекция известна печникам
также под названием ’’вольного движения воздуха” [60, 95-98], впервые
введеным М.В.Ломоносовым [99].
Естественную /вольную, свободную, гравитационную/ конвекцию
будем в дальнейшем называть для краткости просто “конвекцией”.
Движение горячих газов
143
3.4.	Пространственный контур конвекции
Под контуром конвекции будем понимать пространственную траек-
торию газовых потоков. В замкнутом объеме /например, в помещении с
закрытыми дверями 2/ имеет место циркуляционный контур конвекции
- замкнутые траектории течений газа 4 / рис. 163/. В незамкнутом объе-
ме может иметь место также и вентиляционный контур конвекции - неза-
мкнутые /в пределах рассматриваемого объема/ траектории течений
газа 3. Ясно, что “незамкнутые” траектории все же замыкаются где-то
вдали ”на бесконечности”/например, выходя из помещения и вновь воз-
вращаясь/. В силу условия сохранения давления соблюдается принцип
- откуда уходит, туда одновременно столько же по объему и приходит
/причем рано или поздно может придти то, что только что ушло/.
Чем больше пространственная протяженность контура конвекции,
тем сильнее может быть выражены последствия конвекции, поскольку
конвективные потоки переносят “климатические условия” на большие
расстояния. Так, погоду в Восточной Европе определяют ветры из дале-
кой Атлантики. Кстати, и турбулентности /в том числе и атмосферные
циклоны/ - это тоже конвекция со своим контуром циркуляции, причем
крупномасштабные турбулентности имеют более существенные
последствия, чем мелкомасштабные.
Циркуляция осуществляется внутри помещения и имеет не столь
протяженный контур, как вентиляция. Последствия циркуляции менее
существенны, чем последствия вентиляции. Вентиляция приносит в
помещение воздух издалека - из воздушной атмосферы /рис. 163/. И
Рис. 166. Структура нестесненной
гравитационной конвективной струи,
создающейся над локальным источ-
ником тепла мощностью 20 кВт.
Расчетные формулы:
ДТ(°С) = 24,5[W2(kBt)/x5(m)]0,33,
Vox( м/сек) = 1,33[W(kBt)/x(m)]°’33i
где ДТ - превышение температуры
воздуха в струе над температурой
подсасываемого из помещения воз-
духа, Vx(r) - продольная /аксиаль-
ная/ составляющая скорости, в том
числе Vox = Vx(r=0) непосредственно
на оси турбулентной струи в неогра-
ниченном пространстве [70].
Х.м
V°x I
1 /
Расчет для /
W = 20 квт / /
/ ДТ
ДТ,°С 200 100
—-----1--1---1—
Vox, м/сек 4	2
144
Дровяные печи
с	Рис.167. Гравитационная конвекция в полуограниченном
"Э1.	пространстве: 1 - горячая стенка, 2 - ламинарный участок кон-
вективного потока, 3 - турбулентный /струйный/ участок кон-
"5*' J	вективного потока, 4 - конвективный поток горячего газа, рас-
„	.... Ь/ текающийся по потолку, 5 - нестесненная струя горячего газа.
з	этот вентиляционный воздух может кардинально
j	отличаться от “воздуха” /а фактически дымовых
х 2	газов/ в черной бане. Поэтому именно вентиляция
поставляет кислород на горение дров в печи.
—	Черная баня - это по-существу деревянная дровя-
ная топка /типа курной сводовой русской печи/.
Последствия конвекции определяются и способами организации вен-
тиляции и циркуляции. Так, различают смесительную /струйную со
сквозняками и застойными зонами/ и вытеснительную /фронтальную/
вентиляцию/рис. 164/. Качество смесительной вентиляции определяет-
ся условиями смешения, то есть по сути формируется циркуляцией /в
том числе, в плане обтекания воздухонаправляющих препятствий/.
Вытеснительная же вентиляция исключает возможность циркуляции.
Циркуляция, в принципе, тоже несет в себе некие смесительные и
вытеснительные признаки . Так, ламинарный восходящий поток тепло-
го воздуха от горячего пола /или нисходящий поток охлажденного воз-
духа у холодного потолка/ неизбежно разбивается в замкнутом про-
странстве на множество микроциркуляционных /’’турбулентных смеси-
тельных”/ячеек из-за необходимости пропускать встречные потоки воз-
духа. Но и микроячеистая структура такой “смесительной” циркуля-
ционной конвекции является динамически неустойчивой и может само-
произвольно трансформироваться из-за вязкости в “вытеснительную”
циркуляцию со струйным моноциркуляционным контуром /рис. 165/.
3.5. Конвективные струи
Конвективные течения /потоки/ при нагреве самопроизвольно уско-
ряются вверх и стремятся превратиться в струи /в струйные течения/.
Струей называют локальный поток газа, перемещающийся в окру-
жающем газе в определенном направлении на расстояния многих своих
поперечных размеров [100 -102]. Основной параметр струи - вектор
количества движения, указывающий направление импульса и скоро-
стной напор pV2. Понятие струй введено математиками, заинтересо-
вавшимися автомодельностью скоростных турбулентных истечений -
Движение горячих газов
145
струя забывает свою предисторию, то есть откуда /из квадратного, тре-
угольного или круглого отверстия/ истекает в турбулентном режиме.
Бытовые же понятия струй, потоков и течений различаются между
собой весьма условно. Неструйные течения /например, типа “помеши-
ваний в стакане”/ - это потоки с плавно меняющимися скоростями, с вяз-
ким пограничным слоем, касающимся стенок /рис.131/. А струи - это
“свободные” локальные течения, ограниченные не стенками, а некими
условными границами внутри газа со скачками поступательной скорости,
но без значительных перепадов статического давления газа /рис. 148/.
Напорная струя газа формируется “струей-источником” /из сопла/,
обладающей достаточно большим начальным количеством движения.
Дальнобойность такой струи равна шести калибрам 6d0 /см. раздел
2.5.5/. Если же струя горячая /в холодной среде/ и направлена вверх, то
ее дальнобойность увеличивается в (Тг/Тх)°>5 раз, где Тг и Тх - абсо-
лютные в °К температуры горячей струи и холодной среды. То есть горя-
чая струя с температурой 900°С в среде с температурой 20°С имеет
длину в два раза большую, чем изотермическая струя, и ее дальнобой-
ность за счет архимедова всплытия повышается до 12 калибров [70].
Безнапорная конвективная струя, образующаяся при нагреве газа
от горизонтального источника тепла ограниченной площади /типа ком-
форки кухонной электроплиты/, “набирает” тепло быстро /’’мгновенно”/
и затем “отрывается” от источника тепла и устремляется “свободно”
вверх. Структура такой “свободной” /в смысле абсолютно не стесненной
стенками/ конвективной струи над локальным источником тепла зависит
только от мощности теплового источника W и в области турбулентной
автомодельности не зависит от его площади /рис. 166/. Такая струя по
Рис. 168. Гравитационная конвекция около нагре-
той стенки печи. Слева - полустесненная гравита-
ционная конвекция в полуограниченном простран-
стве. Справа - стесненная гравитационная конвек-
ция в ограниченном пространстве зазора между
стенкой печи и экраном. 1 - горячие стенки печи, 2 -
экран /кожух/ печи, 3 - ламинарный участок конвек-
тивного потока, 4 - турбулентный участок конвектив-
ного потока, Гт - горячий конвективный поток в полу-
ограниченном пространстве, Г2 - горячий конвек-
тивный поток в ограниченном пространстве, Хн -
поток холодного воздуха, идущий на нагрев стенкой,
Хэ - поток холодного воздуха, эжектируемый горя-
чим потоком /увлекаемый трением/, Хт - поток
холодного воздуха, всасываемый тягой трубы.
146
Дровяные печи
а)
б> |у2
boj
/О И
'оо 
/°О°1
Ьо°о',
&оо\
&°fS\
Рис. 169. Струю горячего газа, восходящую в холодном
газе, можно условно представить как поток микрообъемов
горячего газа /белые кружочки/, всплывающих в среде
холодного газа /черные кружочки/. При ускорении горячих
микрообъемов в струе создается разрежение (а), устраняя
которое, внешние холодные микрообъемы устремляются к
оси и сжимают восходящую горячую струю (б).
мере подъема теряет свою линейную скорость
и температуру за счет смешения с увлекаемы-
ми массами окружающего воздуха.
Безнапорная конвективная струя, образующаяся при нагреве газа
от горячей /нагретой/ вертикальной стены /поз.2 на рис. 167 или поз.Г
на рис. 168/ и не имеющая начальной линейной скорости, увеличивает
свою скорость /точнее, с учетом подмешивания внешних масс газа,
накапливает свое количество движения/ постепенно по мере нагрева
от поверхностей и по мере архимедова всплытия. В результате разгона
конвективная струя может взвихриваться /турбулизироваться/.
Наличие пространственно ограничивающих развитие струи стенок
2 /рис. 168/ способно разрушить струю, превратив ее в “поток газа в
трубе”. Так, в стесненной восходящей струе /поз.Г2 на рис.168/ устра-
няется подсос/увлечение/внешнего воздуха, возникает тяга, появляют-
ся дополнительные газодинамические сопротивления /см. раздел 3.6/.
“Свободная” же /нестесненная/ восходящая струя горячего газа
может условно рассматриваться как совокупность всплывающих горячих
“воздушных шариков”. При разгоне расстояния между “шариками” уве-
личиваются, то есть в струе падает статическое давление р = nkT
/рис.169-а/. Микрообъемы внешнего газа устремляются /инжектируются/
в эту зону разрежения /пониженного давления струи/ и предотвращают
создание значительных разрежений. Тем самым и достигается выше-
указанное условие равенства статического давления на граничных
поверхностях струи. При этом сама струя неизбежно сужается в силу
сохранения потока массы /рис. 169-6/. Эта разгонная ламинарная часть
струи обозначена на рис.166 как зона “подсоса воздуха”. Далее, по мере
увеличения скорости подъема, струя турбулизируется и приобретает
форму расширяющегося конуса /турбулентного следа/.
В любом случае, восходящая конвективная струя горячего газа
является как-бы “затопленной” в том смысле, что распространяется в
плотной среде, которую надо “пробить” своим скоростным напором, то
есть в форме струи воды в воде, а не в форме струи воды в воздухе.
Движение горячих газов
147
Строго говоря, затопленными газовыми потокам в математических моделях называют
потоки, истекающие в безграничное пространство, заполненное абсолютно неподвиж-
ным газом с абсолютно теми же физическими свойствами, что и газ в самом рассматри-
ваемом потоке. Это пространство называют затопленным или неподвижным. Если поток
истекает в поток/то есть в движущийся газ/, то потоки называют спутными, встречными или
ориентированными /под углом друг к другу/. А если поток истекает в неограниченное про-
странство, заполненное газом других физических свойств /например, струя воды в воздух/,
то такие потоки называют “свободными” [67]. Так что поток дымового газа в “неподвижный”
дымовой газ колпака является “затопленным”, а поток горячего дымового газа, истекающий
в поток холодного воздуха, является “свободным”, а не затопленным. А несвободными
потоками называют потоки, вытекающие в полуограниченное или ограниченное /стес-
ненное/ пространство газа иных физических свойств, например, настильные потоки
горячего воздуха /под или над поверхностями/ в холодный воздух /завесы/ или струи воз-
духа, истекающие в дымовой канал, в том числе в топки печей.
Все это влечет за собой порой невероятную терминологическую путаницу. Переход от
термина “вольное движение газов” к “свободной” /но полуограниченной/ конвекции от
нагретой стены приводит к дополнительным недоразумениям. Поэтому приведем неко-
торые встречающиеся варианты терминологии “свободных” течений:
-	свободное всплытие горячего газа в смысле самопроизвольного и беспрепятствен-
ного подъема отдельного объема горячего газа /’’аэростата”/ в холодном газе под дей-
ствием архимедовых сил /даже в отсутствии трубы и в отсутствии тяги/,
-	свободная конвекция в смысле самопроизвольного подъема газа, нагревающегося от
горячей поверхности, без участия внешних механических сил,
-	свободная конвекция в смысле самопроизвольного подъема газа, нагревающегося от
горячей поверхности, при отсутствии потоков газа вдали от поверхности,
-	свободное перетекание горячего газа через барьер на потолке /по аналогии с неза-
топленным переливом жидкости через плотину или свободным истечением из-под щита/,
-	свободное /’’водоводное’7 течение в трубе при неза-
полненном поперечном сечении трубы,
-	свободный конвективный теплообмен в смысле
передачи тепла при нулевой скорости движения газов
вдали от поверхности,
-	свободная струя в смысле отсутствия простран-
ственных ограничений /стеснений/ распространения
б)
Рис. 170. Если горячий поток не заполняет трубу пол-
ностью, то конвекция не стеснена, и тяги нет (а). Это
доказывается мысленным удалением одной из стенок
трубы (б).
ХОЛОД
148
Дровяные печи
Рис. 171. По гидравлической модели невязких
течений не стесненно всплывающая ламинарная
струя горячего газа (а) имеет меньший объемный
расход G = VS, чем стесненно всплывающий поток
горячего газа в трубе (б), из-за меньшего попереч-
ного сечения нестесненной струи на высоте h2-
струи одного газа в другом газе, в том числе горяче-
го газа в холодном,
-	свободная турбулентность в смысле само-
произвольного возникновения вихрей при отсут-
ствии механических мешалок-взвихривателей,
-	свободное движение газов СДГ /Free Gas
Movement FGM/ в трактовке И.В.Кузнецова - “новая система СДГ”, утверждающая, что
“газовый поток, проходя через нижнюю часть колпака, разделяется по составу”, в резуль-
тате чего “неоднократные измерения количества сжигаемых за сутки дров показывают, что
в них содержится меньше энергии, чем выделяется котлом” [103]. Видимо, эта “система
СДГ” базируется на применении закона Архимеда /и статистического понятия температу-
ры/ не только к объемам /потокам, “струйкам’7 газа, но и к отдельным “частицам” /моле-
кулам/ газа, что противоречит классической молекулярно-кинетической теории газов.
3.6.	Конвекция в частично ограниченном пространстве
Течения газов могут сильно изменяться при пространственном стес-
нении потоков, то есть при переходе от неограниченного пространства
к полуограниченному, частично ограниченному или полностью ограни-
ченному /замкнутого/ пространству. В частности, газонепроницаемые
стенки могут разделять между собой горячие и холодные газы, создавая
тем самым, в частности, значительные перепады давления.
В то же время, никакие ограничения или разграничения газового про-
странства стенками не могут предотвратить гравитационную конвек-
цию. Пространственные разграничения могут лишь ослаблять конвек-
цию /например, в волокнистых и вспененных утеплителях в строитель-
стве/ или, наоборот, усиливать конвекцию за счет тяги /самонапора/.
В неограниченном пространстве /костер на бесконечной горизон-
тальной плоскости/ и в полуограниченном пространстве /костер у стены/
могут реализовываться только самопроизвольные всплытия горячего
газа, когда вышерасположенные зоны конвективного потока не влияют
на нижерасположенные. Струю от костра можно перегородить “рукой”,
и нижележащие части конвективного потока не почувстуют этого. То
Движение горячих газов
149
есть это аналог свободно падающей струи воды или незатопленного
течения реки /в том числе с переливом через незатопленную плотину/.
В ограниченных пространствах, например, в колпаках, становятся
возможными и нисходящие потоки нагретых газов. В замкнутом же /пол-
ностью ограниченном/ пространстве реализуются только замкнутые
циркуляционные течения /рис. 165/.
3.6.1.	Конвекция в вертикальных трубах.
Если восходящий поток горячего газа /рис.169-а/ заключить в верти-
кальную трубу, то разрежение, возникающее за разгоняющимся вверх
горячим газом, не может быть устранено радиальным /с боков/ подте-
канием газа из-за газонепроницаемости стенок трубы. Указанное раз-
режение будет невольно устраняться “подтягиванием”-ускорением
газов /и горячих, и холодных/ именно снизу. Именно это разрежение,
“тянущее” вверх нижние слои газа, физически обуславливает возник-
новение явления тяги трубы /chimney effect, stack effect/, в том числе и
“виртуальных труб” /типа коробки здания/ при пожаре.
Тягу трубы иногда называют самотягой /по аналогии с самонапором/,
чтобы подчеркнуть, что движение газов /в том числе и подсасываемых
в трубу холодных газов/ в этом случае обусловлено исключительно
“природными причинами” - собственными свойствами движущегося газа
/гравитационной конвекцией/, а не “дутьем” механической газодувки.
Иногда самотягой называют тягу отдельного участка газового тракта,
например, топливника. В таком случае величина общей тяги газового
тракта будет складываться из величин самотяг отдельных участков газо-
вого тракта, но только при отсутствии “разрывов струи”, то есть при
отсутствии участков с нулевой самотягой по аналогии со случаем “раз-
рыва напора” потока жидкости /раздел 2.4.7/.
Рис.172. При всплытии небольшого/мало-
го по размерам/ объема горячего газа цир-
куляция холодного газа X происходит внутри
трубы (а), а при всплытии большого по раз-
мерам объема горячего газа Г - вне трубы
(б), что и обуславливает тягу трубы /возмож-
ность засасывания холодного газа в трубу
“как пылесосом”/. Для возникновения тяги
горячий газ /белые кружочки/ должен пере-
крывать все поперечное сечение трубы (в).
150
Дровяные печи
простейшей модели
Рис.173. Если столб горячих газов Г от газовой пламенной
горелки /можно кухонной/ начинает перекрывать все попе-
речное сечение вертикальной трубы конечной длины, то в
трубе возникает подсос холодного газа - тяга, что фиксиру-
ется по отклонению пламени спички у стрелки X.
Появление тяги при перекрытии горячими
газами всего поперечного сечения трубы можно
пояснить на примере всплывающего вверх по
трубе горячего газового “поршня” /рис. 172/.
Появление такого “поршня” можно наблюдать на
газовой кухонной горелки с трубой - в момент
заполнения горячим газом всего поперечного сечения трубы появляет-
ся подсос холодного газа в трубу снизу по стрелке X, что можно устано-
вить, поднося спичку к нижнему срезу трубы /рис. 173/.
Объяснений причин и механизмов появления эффекта трубной тяги /разрежения в
трубе относительно внешней атмосферы на одном и том же высотном уровне/ много.
Все они имеют в виду одно и то же явление природы, но объясняют эффект “разным
физическим языком”. Это подобно тому, как линейную скорость свободного падения тела
в поле тяготения можно вычислить либо исходя из закона движения Ньютона, либо исхо-
дя из закона сохранения энергии. Результат окажется одним и тем же, но мыслительный
процесс причинно-следственного осознания явления будет разным.
В гидравлической модели /см. раздел 2.4.3/ повышенный расход через заполненную
трубу объяснялся тем, что при одинаковых скоростях V2 на высоте h2 поперечное сече-
ние свободно падающей струи меньше сечения заполненной трубы S2 /рис.171/.
Однако, в случае газов сужение восходящей струи быстро сменяется турбулентным рас-
ширением, и поэтому гидравлическая наглядность пропадает.
Вообще говоря, различий между падающей водой и всплывающими горячими газами
очень много. Поэтому автор гидравлической теории печей В.Е.Грум-Гржимайло прово-
дил модельные эксперименты все же не с жидкостью в воздухе /см.стр.89/, а с легкой
жидкостью-керосином в среде тяжелой жидкости-воды [60]. И хотя такая модель более кор-
ректна, тем не менее, и такая аналогия не является строгой, поскольку горячие газы могут
смешиваться с холодными газами, а керосин с водой не смешивается [49]. А смешение
газов - это обычное явление во внутрипечных процессах.
Из рис. 172-6 следует, что всплывающий горячий газовый поршень,
толкая газ в трубе, создает повышенное давление перед собой и пони-
женное за собой. Иными словами, наверху трубы создается напор
/выталкивающий газы из трубы/, а внизу трубы создается разрежение
Движение горячих газов
151
/засасывающее газы в трубу/. Сумма напора и разрежения равна
величине гравитационной тяги. Отметим, что напор и разрежение
отсчитываются относительно разных уровней атмосферы, поэтому
абсолютное статическое давление вверху трубы больше, чем внизу.
В формулу величины тяги входит лишь высота участка тракта Н,
заполненного горячим газом Др = (рх - Рг)дН, где рг и рх - плотности газа
в трубе и вне трубы. Форма поперечного сечения трубы не существен-
на для явления возникновения тяги. Для образования эффекта тяги
важно лишь, чтобы все поперечное сечение трубы было заполнено
горячим всплывающим газом. Действительно, если горячим газом
заполнена лишь часть трубы, то можно мысленно “безболезненно” уда-
лить стенки в других частях трубы и получить поток газа, всплывающий
в полуограниченном пространстве /рис. 170/. А в нестесненных/неогра-
ниченных и полуограниченных/ потоках тяга не развивается.
Явление тяги Хт /рис. 168/ в корне отличается от явления нестес-
ненного самопроизвольного /’’бестягового’7 архимедова всплытия
нагревающихся объемов газа Хн у горячей стены и от явления эжек-
ции Хэ /вязко-турбулентного увлечения холодного газа скоростной горя-
чей струей/. Самопроизвольное архимедово всплытие горячего газа
имеет место всегда, но только в стесненных условиях горячий газ спо-
собен дополнительно создать и тягу, то есть осуществить подсос и
подъем в трубе также и холодных газов. Если нестесненные всплытия
горячего газа обычно создают в пространстве перепады статических
давлений величиной не более 0,01-1 Па,
то эффект тяги создает перепады дав- а)
ления на стенке трубы 1-100 Па.	- —
Наличие тяги позволяет существенно
/порой в несколько раз/ увеличить рас-
ход газа через трубу /или через конвек- Н
тивный зазор у стенки печи на рис. 168/
по сравнению со случаем нестесненного
архимедова всплытия горячего газа в • —
неограниченном пространстве.
Рис.174. Поток горячего газа на потолке: а -
математическая гидравлическая модель Есьмана
[60] течения горячего невязкого газа, б - умозри- |-|
тельная гидравлическая модель течения горячего
вязкого газа, ламинарно набегающего на потолок.
V(h) - изменение линейной скорости по толщине
слоя, h(y) - изменение толщины слоя по тракту.
152
Дровяные печи
Рис. 175.Течение горячего газа по горизонтальному потол-
ку (а), течение с перетеканием через плотину (б), течение
над препятствием (в), течение по наклонному потолку (г).
В евростандартах под тягой (при испытаниях
обычно фиксируемой на уровне 12 Па) понима-
ется разрежение в нижней части дымовой трубы,
которое затем перераспределяется внутри печи
так, что в топливнике также создается разреже-
ние (обычно порядка 4 Па по нормам TROL-
2006). В быту же под тягой часто понимается раз-
режение именно в топливнике, которое может
регулироваться задвижкой на дымовой трубе.
Это разрежение в топливнике и затягивает воз-
дух в печь через воздухоподающие заслонки или
через дверку поддувала /рис. 171/.
3.6.2.	Конвекция в горизонтальных трубах
Легкий горячий газ стремится вверх и запол-
няет верхнюю часть горизонтальной трубы. Поэтому анализ этого слу-
чая начнем с особенностей движения горячих газов на потолках.
Как уже отмечалось в разделе 3.5, конвективный поток у нагретой
вертикальной стены, не имеющий начальной скорости, накапливает
свое количество движения постепенно по мере нагрева от поверхно-
стей и по мере архимедова всплытия /за счет перехода потенциальной
энергии в кинетическую/. Но если над нагретой стеной имеется гори-
зонтальный потолок/’’козырек”/, то горячий поток утыкается в него, тор-
мозится, останавливается, накапливается “горкой” /рис.174/ и может
даже полностью заполнить колпак /при его наличии/, как вода запол-
няет водохранилище /рис. 175-6 и рис. 176-а/.
Предположим, что горячий поток от нагретого участка стены образует
на потолке “горку” горячего газа высотой Н. Избыточное давление
/самонапор/ в “горке” горячего газа достигнет величины (рх - Рг)дН у
потолка. За счет этого избыточного давления /самонапора/ нагретый
газ потечет вдоль потолка по горизонтали с неким постоянным массо-
вым /объемным/ расходом G /рис.174/. Расстекаясь по потолку, движу-
щийся нагретый газ приобретет форму слоя с некими толщинами h /глу-
бинами/ по тракту движения, которые рассчитываются по гидравличе-
ской формуле Есьмана G = Ah[2g(H - h)(px - РгУРг]0,5 /см. раздел 2.4.6/.
Движение горячих газов
153
При условии сохранения массового потока тол-
щина слоя h(y) нагретого газа по направлению
движения “у” окажется постоянной h(y) = const,
поскольку переменного решения h(y) уравнение
не имеет/рис. 174-а/. Этот неожиданный результат
в виде “плато” справедлив только для невязкого
газа и свидетельствует о том, что перепады дав-
ления в невязком газе бывают только локальны-
ми в местах нагрева, а также при изменениях
направлений движения /поворотах, разворотах/.
При наличии же вязкости толщина слоя нагре-
того газа на потолке должна уменьшаться по трак-
ту течения для появления самонапора для ком-
пенсации потерь давления на трение /рис. 174-6
и рис. 175-а/. При этом из-за вязкости профиль
скорости течения нагретого газа V(h) в пределах
толщины слоя станет неоднородным - “параболи-
ческим” /в отличие от однородного по толщине
для невязкого газа на рис. 174-а/ - скорость будет
стремиться к нулю на границах потока сверху /на
неподвижной стенке/ и снизу /на неподвижном
окружающем газе/. Из условия постоянства объ-
емного /массового/ расхода горячий газ должен
непрерывно ускоряться вдоль по тракту движения.
Таким образом, стоит появиться вязкости, так
сразу неминуемо появляется ускоряющийся утон-
чающийся поток, а это неминуемо приводит рано
или поздно к появлению турбулентно “бурлящего”
режима течения. Это представляется неожидан-
ным, поскольку при “обычном водопроводном”
течении жидкости в горизонтальных трубах пере-
пад давления из-за трения не вызывает ускорения
потока. Но дело в том, что в заполненных гори-
зонтальных трубах из-за бокового стеснения
“высота” слоя не может изменяться, и перепады
давления возникают из-за сжатия жидкости /а это
Рис. 176. Пояснения к переходу от потолочного течения без
тяги к трубному течению с тягой /см. текст/.
154
Дровяные печи
Рис.177. При малом расходе горячего газа Г и
больших поперечных сечениях труб Г^-Гз восхо-
дящий конвективный не способен заполнить все
трубы (а). При большом расходе горячего газа
или при узких трубах заполняются все трубы (б).
уже характерно для принудительных
течений/. А в открытом русле /в неза-
полненной трубе/ перепады давления могут создаваться только само-
напором - наклонностью верхней /свободной/ поверхности жидкости.
Постоянная толщина слоя горячего газа на потолке будет обеспече-
на лишь при наличии наклонности потолка i /рис. 175-г/. Так, для вязкой
воды справедлив закон Шези - гидравлический уклон установившейся
открытой /свободной/ поверхности воды в открытых руслах рек-кана-
лов равен уклону i дна русла /см.рис.105-в/, а расход воды пропорцио-
нален корню квадратному из величины уклона русла G = Ai°>5S, где S -
площадь поперечного /’’живого”/ сечения потока [68].
Поскольку горячий газ располагается на потолке, то наличие нижних
донных стенок боровов при малых расходах горячего газа порой быва-
ет излишним /рис. 174-6/. Газ течет по потолку горизонтального канала,
не касаясь дна канала и имеющихся на дне препятствий /рис.175-в/.
Однако, по мере увеличения расхода горячего газа поперечное сече-
ние канала все больше будет заполняться горячим газом и, наконец,
переполнится - при отсутствии дна каналов горячий газ будет истекать
в атмосферу, а при наличии дна - поднимать давление в канале /и пере-
водить систему в “водопроводный” режим/.
3.6.3.	Конвекция в проточных полостях и в наклонных трубах
Полости в вертикальных трубных системах могут смещать верти-
кальное восхождение горячих газов. Проанализируем переход от
наклонного движения в полости к течению в наклонной трубе
При отсутствии протока газ, постепенно нагревшийся от стенного
нагревателя 1 /вплоть до температуры
поверхности нагревателя/, займет все
Рис.178. При любом расходе нисходящий
поток горячего газа заполняет все нисходящие
трубы равномерно.
Движение горячих газов
155
Рис. 179. При большом поперечном сечении
выходного отверстия восходящий горячий
газ Г не может заполнить все параллельные
восходящие трубы. При малом же поперечном
сечении выходного отверстия S2 /переполнен-
ного, захлебнувшегося/ восходящий горячий
газ Г заполняет все параллельные восходящие
трубы за счет того, что нисходящий поток Х2 в
сообщающихся сосудах увлекает за собой
горячий газ сверху.
из колпака истекать не будет
пространство полости колпака 2 и
/рис.176-а/. Если же сделать отверстие в потолке колпака 3, то возник-
нет сквозной /транзитный/ проток горячего газа в виде потолочного тече-
ния с наклонной нижней свободной поверхностью 4. Отметим, что в
реальности уклон поверхности 4 может быть значительно меньшим,
чем это графически изображено на рис. 176-6, уклон будет определять-
ся расходом нагретого газа /рис.176-6/.
Если сквозное течение 4 ограничить дном 8 /рис.176-в/, обозначенном
на рис. 176-6 пунктиром 7, то полуограниченное пространство течения
станет ограниченным, стесненным стенками канала 8. Однако, сохра-
нится не заполненной нагретым газом некая угловая зона 9, в которой
может возникнуть вихрь. Наличие зоны ненагретого /холодного/ газа 9 в
канале 8 приводит к отсутствию тяги /самотяги/ на высотном интервале
h, поскольку в этой зоне можно будет удалить стенки, и ничего не изме-
нится /точно также, как на рис.170/. Чтобы устранить холодную зону 9,
надо сделать наклонный потолок канала 6 более крутым так, чтобы ниж-
няя поверхность потока нагретого газа 4 /обозначенная на рис.176-г
пунктиром 5/ стала ниже дна канала 6. В таком случае будет обеспече-
но полное заполнение канала горячими газами, что и обусловит появле-
ние самотяги наклонного канала 6. Чем круче /вертикальней/ будет
канал 6, тем лучше будут условия для образования тяги в канале 6.
Ясно, что размер холодной зоны 9 /не затопленной горя-
чим газом/ является определяющим параметром течения в
полости. Размер зоны 9 в горизонтальном канале 8 умень-
шается с увеличением расхода горячего газа и с увеличени-
Рис.180. Если за параллельными восходящими трубами
следует нисходящий канал, то все восходящие трубы запол-
няются горячим газом.
156
Дровяные печи
Рис. 181. Гравитационный конвективный поток Г2 от настенного
нагревателя Н2 развивается в гравитационном потоке П от настен-
ного нагревателя Н-|.
ем степени его турбулизации. При этом не важно, где и как создается
горячий газ - нагревом ли в пределах горизонтального канала 8
/рис.176-в/ или свободно-конвективным нагревом от стенки где-нибудь
ниже в вертикальной трубе 1 или принудительным нагревом в меха-
нической электронагревательной газодувке. Важно лишь, чтобы соз-
дался бы такой расход горячего газа, при котором “захлебнется”
выпускное /вытяжное/ отверстие в потолке 10 /рис.176-в/, то есть когда
все поперечное сечение отверстия 10 заполнится горячим газом 4.
Тогда вся картина резко изменится - циркуляционные движения в зоне
9 /как течения в сообщающихся сосудах/ затянут горячие газы сверху вниз. Холодная зона
9 исчезнет. При этом высота потолка 3 может влиять на вероятность “захлебывания”
отверстия 10 за счет турбулентности и неизотермичности потока /см.раздел 3.6.6/.
3.6.4.	Конвекция в системах параллельных вертикальных труб
Рассмотрим случай когда всплывающий горячий газ /например, в
виде умозрительного множества воздушных шариков на рис. 169/ под-
нимается не в одну восходящую трубу, как, например, на рис. 176-г, а в
некую систему из параллельных восходящих труб /рис.177/. При этом
может случиться, что весь горячий газ Г сможет беспрепятственно прой-
ти через ближайшую восходящую трубу П, а в остальные восходящие
трубы Г2 и Г3 горячий газ не попадет.
Рис. 182. Пояснения к термину тран-
зитной конвекции: конвективный поток
Г2 развивается в транзитном конвек-
тивном потоке Г-|, вследствие чего
транзитный конвективный поток Г1 вос-
принимается как “принудительный” /не
зависящий от Г2/ поток от некоего гипо-
тетического внешнего механического
движителя воздуха. 1 - нижняя горячая
вертикальная поверхность, 2 - верхняя
горячая вертикальная поверхность, 3 -
горячая горизонтальная поверхность, 4
- холодная /охлаждающая/ коризон-
тальная поверхность, 5 - нисходящие
потоки охлажденного воздуха.
Движение горячих газов
157
Рис. 183. Транзитные потоки через печь, вос-
принимаемые как “принудительные”: 1 - гравита-
ционный конвективный поток горячих дымовых
газов от пламени, 2 - циркуляционные течения в
верхней зоне, 3 и 4 - начало транзитного потока, 5
- холодная стенка, 6 - горячая стенка топливника.
Такое поведение горячих газов легко
поясняется гидравлической моделью -
если падающий поток воды пустить в
одну из параллельных нисходящих
труб, и если эта труба “не захлебнется”,
то в другие трубы вода не попадет /то
есть другим трубам воды “не достанется”/. Собственно, это явление
свойственно даже не параллельным трубам-каналам, а самому про-
странству полости, поскольку и без разделительных стенок картина
будет в точности такой же /рис.177/.
Если же горячий газ подается сверху вниз /за счет вентиляции или
транзитной конвекции, см. раздел 3.6.5/ в систему нисходящих труб, то
в этом случае все нисходящие трубы заполняются горячим газом рав-
номерно вне зависимости от поперечных сечений труб /рис. 178/.
Такое поведение горячего газа тоже легко поясняется гидравличе-
ской моделью - если вода принудительно подается в резервуар, верх-
няя часть которого выполнена в виде восходящих параллельных труб,
то по мере заполнения резервуара все параллельные трубы будут
заполняться равномерно. То есть, верхние свободные поверхности
воды в трубах будут располагаться на одном высотном уровне.
Собственно, это обычный закон гидростатики /см. раздел 2.3/.
Указанные обстоятельства издавна запрещали использование в
печах параллельных восходящих дымоходов во избежание образования
не прогреваемых зон печей. Так, идея Свиязева состояла в том, что
дым от отопительных печей необходимо пускать вверх обязательно по
одному каналу, а опускать дым можно по нескольким каналам одно-
временно. Это обосновало правомочность ныне широко известных кон-
струкций печей с параллельными опускными каналами [104].
Позднее, Грум-Гржимайло развил идею Свиязева в рамках гидрав-
лической модели применительно к металлургическим печам [60]. Было
уточнено, что речь идет не просто о горячих всплывающих газах, а имен-
но о горячих остывающих газах. Толкования исходили не из анализа
возможности заполнения или не заполнения всех параллельных труб, а
158
Дровяные печи
Рис. 184. Гравитационные конвективные движения газов в
топливнике печи: Ц - циркуляционная тректория, Т - вентиля-
ционная транзитная траектория.
от обратного - из предположения, что все восходя-
щие трубы полностью заполнены всплывающим
горячим газом. То есть, рассмотрим случай, когда
трубы 1"1 и Г2 изначально полностью заполнены
одним и тем же движущимся вверх /но остывающим
от холодных стенок канала/ горячим газом с одной и
той же температурой /рис.177-а/.
Теперь дополнительно представим себе, что
температура потока Гд случайно понизилась “на самую малую величи-
ну” [60]. Тогда вес столба Гстанет больше, чем вес столба Г2, и поэто-
му скорость подъема 1"1 окажется меньше, чем скорость подъема Г2-
Уменьшение скорости подъема еще более понизит температуру осты-
вающего горячего газа 1"1. В конце концов, случится так, что поток газа
1"1 исчезнет совсем, и все горячие газы пойдут по каналу Г2 .То есть,
остывающие горячие газы в силу неустойчивости течения будут стре-
миться пройти только по одному из восходящих каналов, а остальные
окажутся не заполненными. /Правда, трудно поверить в то, что горячий
газ пойдет по удаленной трубе Г2, а не по ближайшей трубе FV-
Аналогичный анализ покажет, что холодные /но нагревающиеся от
горячих стенок/ газы стремятся пройти только по одному из нисходящих
каналов. Так что “холодный нагревающийся поток нельзя делить на нис-
ходящие струи”, а надо делить на восходящие [60].
На самом же деле, вышерассмотренное правило Свиязева имеет
ограниченную область действия [49]. Во-первых, правило Свиязева рас-
пространяется только на прямоточные потоки горячего газа с малым
объемным расходом, когда трубы не переполняются /рис. 177-6/.
Во-вторых, если система вертикальных труб соединяется сверху в
единый восходящий канал, и если этот верхний канал переполняется
/затапливается, “захлебывается” при заданном расходе горячего газа/,
то правило Свиязева также не работает /рис. 179/. Действительно, при
переполнении сечения S2 циркуляционный поток X /как в сообщаю-
щихся сосудах/ увлекает вниз горячие газы, которые и заполняют всю
систему параллельных каналов. Собственно, речь идет о заполнении
всей полости горячим газом /как на рис.176-в/.
В-третьих, при наличии за параллельными восходящими трубами
нисходящего канала, все восходящие трубы заполняются полностью
Движение горячих газов
159
даже при малом расходе горячего газа, поскольку холодный газ в этом
случае выдавливается /стекает/ куда-нибудь вниз /рис. 180/, точно так
же, как всплывают вверх в расширительный бачок воздушные пробки в
системах водопровода.
В-четвертых, скорость движения в канале определяется не только
температурой газа /не только скоростью архимедова всплытия/, но и
газодинамическим сопротивлением канала /вязкостью и турбулент-
ностью/. Поэтому, если газодинамическое сопротивление будет боль-
шим, то распределение расходов горячих газов по заполненных парал-
лельным восходящим трубам будет определяться не температурами в
каналах, а соотношениями величин гидродинамических сопротивлений
отдельных труб /см. раздел 2.5.4/, то есть, как и в случае обычных водо-
проводных систем [49]. Ясно, например, что при малых проходных сече-
ниях труб они могут легче переполниться, чем широкие /рис. 177-6/.
3.6.5.	Транзитная конвекция в полостях
Гравитационный конвективный поток Г^| от горячей поверхности Hi,
возникающий в одном узле печи, затем может проникать в другой узел
/рис.181/. И там этот первичный гравитационный поток Г>| будет вос-
приниматься не как собственный, а скорее как посторонний и даже как
далеко не естественный, а именно “принудительный”, том в смысле, что
он “приходит извне” и не определяется обстановкой во втором узле.
Такие “посторонние” /сквозные, чаще всего вентиляционные/ кон-
вективные потоки будем называть транзитными /в отличие от “собст-
венных”/. Понятие транзитной конвекции важно для анализа тепло-
обмена в полостях/см. раздел 4/, поскольку отдача тепла стенкой /или
поглощение тепла стенкой/ сильно зависит от скорости и температуры
потока газа, обтекающего /обдувающего/ поверхность теплообмена.
Сразу отметим, что в теплотехнической литературе тран-
зитные потоки часто называются принудительными, что оправ-
дывают тем, что для теплообмена якобы не важно, создаются
ли скорости течения /обдува/ естественными причинами или
насосными. Но в печах, как мы уже подчеркивали, имеются
Рис. 185. Одна часть транзитного потока Т| усиливает цир-
куляционный поток Ц от нагревателя Н. Другая часть транзит-
ного потока ?2 ослабляет циркуляционный поток Ц.
160
Дровяные печи
Рис.186. Пространственное распределение горячих кон-
вективных потоков с разной температурой >Т2 >Тз в мно-
гоканальной полости.
только естественные гравитационные причины появления кон-
векции. И во избежание недоразумений термины типа “прину-
дительная конвекция” не желательно использовать в печах
даже условно. Если гравитационная конвекция возникает толь-
ко в каком-нибудь одном узле печи, то можно не вводить поня-
тие транзитного потока, а обойтись понятиями вентиляцион-
ных и циркуляционных потоков.
Рассмотрим, например, простейший случай, когда в полости на ниж-
нем ярусе конвективной системы возникает поток горячего газа Г|, а в
полости на верхнем ярусе - поток горячего газа Г2 /рис. 182/. Ясно, что
поток Г2 развивается в потоке Г|, и поток Г1 воспринимается в верхнем
ярусе как поток от внешнего постороннего источника. Поэтому поток Гд
можно назвать “транзитным”, поскольку этот поток Г1 выходит в атмо-
сферу транзитом через верхний ярус.
Особый интерес представляет другой случай, когда поток горячего
газа Г2 не просто всплывает, но и вызывает тягу в верхнем ярусе
/рис. 182/. Тогда возникает сквозной поток газа и через нижний ярус, и
этот поток будет восприниматься там как посторонний, то есть транзит-
ный. Так, в частности, транзитной конвекцией является сквозной вен-
тиляционный поток газов в печи, обусловленный тягой дымовой печи.
Например, нисходящий поток холодного воздуха 4, обусловленный
тягой трубы 7 и нагреваемый от стенки печи 6, не выглядит с первого
взгляда грвитационным /“вольным”/, но тем не менее является вполне
естественным транзитным гравитационным потоком /рис. 183/.
Поток свежего воздуха, с напором втекающий в топливник через воз-
духозаборные заслонки, также является транзитным для топливника
/рис. 184/. Этот транзитный поток Т смешивается с циркуляционными
потоками Ц дымовых газов в топливнике. При сильно разгоревшемся
пламени циркуляционная траектория Ц может разорваться с образова-
нием только прямоточной вентиляционной траектории Т, как это наблю-
далось на примере черной бани /рис. 163/. При этом транзитный поток Т
усиливает /частью Т|/ циркуляцию Ц именно в области нагревателя и
ослабляет/частью Т2/ циркуляцию Ц вдали от нагревателя /рис.185/.
Транзитный поток может полностью изменить картину конвективных
течений. Так, появление продува холодного газа снизу способно устра-
Движение горячих газов
161
нить переполнение горячими газами поперечного сечения патрубка S2
на рис 179-6 и препятствовать появлению самотяги в объеме полости.
3.7.	Неизотермичность горячих газов
Ранее, мы рассматривали горячие газы, нагретые условно до некой
единой температуры Тг, превышающей температуру окружающих
холодных газов Тх/рис. 176-180/.
Но в реальности изотермических горячих газов не существует.
Горячие дымовые газы в печах могут иметь разную температуру, а поэ-
тому и разную плотность. Горячие газы могут охлаждаться около холод-
ных стенок и становиться более тяжелыми. Горячие газы могут также
продолжать нагреваться и становиться еще более легкими.
В результате получаются горячие газы с самой разной температу-
рой. И чуть более горячие газы начинают всплывать в чуть менее горя-
чих газах. И в сообщающихся сосудах колено с чуть более горячими
газами становится чуть легче колена с чуть менее горячими газами, и
возникает конвективное течение газов.
Сразу подчеркнем, что для подобных явлений простейшая гидрав-
лическая модель, строго говоря, не справедлива. Гидравлическая
модель оперирует только с двумя участниками движения - с тяжелой
водой и с легким воздухом. Но вода не может превращаться в легкий
воздух, а воздух не может превращаться в тяжелую воду.
3.7.1.	Продольная и поперечная неизотермичность
Рассмотрим два случая неизотермичности. В первом случае темпе-
ратура горячих газов неизменна по всему поперечному сечению канала
или полости, но изменяется /увеличивается или
уменьшается/ вдоль тракта. Такая ситуация наибо-
лее распространена в печах с турбулентными тече-
ниями в каналах /в “дымопроводах”/ и будет обсуж-
дена в разделе 4 в части динамики газа и в разделе
7 в части теплообмена. Во втором случае темпера-
тура горячих газов изменяется по поперечному сече-
Рис.187. Пространственное распределение горячих конвек-
тивных потоков с разной температурой Т^ >Т2 >Тз в тупиковой
полости.
162
Дровяные печи
Рис.188. Моделирование двухколпаковой печи
И.С.Подгородникова [96]: а - гидравлический ана-
лог [6], б - ход горячих газов в холодных колпаках,
в - ход холодных газов в горячих колпаках [98].
нию проточной полости или канала,
вследствие чего возникают циркуляцион-
ные потоки и даже встречные движения
горячих газов, особенно в колпаках.
Так, например, при конвективном
нагреве у горячей стенки самую высокую температуру приобретают глу-
бинные слои потока Т>| /рис. 186/. Они наиболее энергично всплывают
вверх и проходят через ближайший восходящий канал. Потоки же с
более низкой температурой Т3 распределяются по восходящим каналам
более равномерно и с большей вероятностью переполняют /затапли-
вают/ каналы хотя бы потому, что их объемный расход обычно велик.
При этом вся полость заполняется преимущественно менее горячими
газами Т3, и именно они создают самотягу полости /как элемента сети/.
А наиболее горячие газы Т>| тяги не создают, а лишь самопроизвольно
всплывают в потоке медленно всплывающих менее горячих газов Т3.
Именно для этих самых горячих газов Тлучше всего работает пра-
вило Свиязева, например, в топливниках печей для высокотемпера-
турных пламён над горящими дровами. Именно эти раскаленные огнен-
ные факелы, имеющие малый расход горящих горючих газов, устрем-
ляются в то или иное хайло многохайлового топливника. А большие
количества менее нагретых газов Т3 - продуктов горения, окружающих
факел, переполняют, как правило, все вертикально восходящие каналы
/’’захлебывают сливные отверстия”/ и создают самотягу топливника и
восходящих каналов /см. далее в разделе 5/.
Для оценки значимости уровня собственной конвекции в проточной
полости высотой Н, имеющей перепады абсолютной температуры воз-
духа АТ, в теории вентиляции вводится понятие безразмерного числа
Архимеда Ar = (рх - pr)gH/pVT2 = gHAT/TVT2 как соотношения кинетиче-
ских энергий собственного /в том числе циркуляционного/ конвективного
потока горячего воздуха pVc2/2 = (рх - Рг)дН в полости и сквозного тран-
зитного потока pVT2/2 с линейной поступательной скоростью VT. Ясно,
что чем выше перепады температур ДТ в полости и чем больше высо-
та полости Н, тем большую роль в траектории потоков будет играть
собственная конвекция в полости. И для самых горячих газов с высокой
Движение горячих газов
163
величиной ДТ факт наличия транзитных потоков может оказаться мало
существенным. Так, например, верхняя часть пламен в топливнике все
равно будет подниматься вверх даже в случае нисходящих движений
холодного воздуха, входящего в топливник сверху.
Циркуляцию-круговорот в полостях /в том числе и колпаках/ в отсутствии протока
вызывают в первую очередь высокотемпературные потоки. Но именно они как наиболее
горячие стремятся также и “выскользнуть вверх” через отверстие в потолке и превра-
титься в вентиляционные потоки даже при отсутствии сквозного транзитного протока /то
есть при отсутствии тяги/. При этом становятся важными величины поперечных сечений
вентиляционных отверстий полости. Действительно, поднявшийся в верхнюю часть поло-
сти циркуляционный горячий газ оказывается перед дилеммой - вернуться ли вниз к нагре-
вателю /и замнуть тем самым циркуляционную кривую/ или всплыть в отверстие в потол-
ке полости /и создать тем самым вентиляционный поток/. И величина вентиляционного
потока будет при этом определяться не только температурой горячего газа /или самотягой
полости/, но и размером отверстий полости и их геометрическим расположением.
3.7.2.	Модель “вольного” движения
Поперечная неизотермичность может возникать не только при нагре-
ве холодного газа, но и при охлаждении горячего газа. Охладившийся газ
становится тяжелее. А поэтому он более склонен опуститься вниз к
нагревателю и замкнуть тем самым циркуляционную кривую. Так, напри-
мер, горячий газ, поступая в холодный колпак, не накапливается беско-
нечно в нем, а постепенно охлаждается и опускается вниз /рис.187/.
Такое явление не может быть описано простейшей гидравлической
моделью. Действительно, если вода поступает в наполненный стакан, то
согласно простейшей гидравлической модели она
должна тотчас слиться через края стакана, в част-
ности, в нижерасположенный стакан /рис.188-а/.
Вода не может пойти сначала на дно стакана и
только потом вылиться из стакана - для этого
необходимы дополнительные уточнения и услож-
нения гидравлической модели /учет наличия более
Рис. 189. Движение дыма от сигареты в перевернутом ста-
кане. Ц - циркуляционные потоки, П - выход дыма с “пода” ста-
кана, Т - выход дыма с тягой трубки, С - стенка-перегородка.
164
Дровяные печи
Рис.190.Схемы печей с “вольным” движением дыма: а -
колпаковая /струйная/ печь В.Е.Грум-Гржимайло, патент
России №1219 от 14.03.1917, б - отопительная печь
И.С.Подгородникова “двойной колпак” [96].
тяжелой холодной воды и более легкой горячей
воды, а также учет наличия у воды поступа-
тельной скорости, то есть запаса кинетической
энергии, достаточного, чтобы пробить непо-
движную воду на некоторую глубину/.
Точно также, в рамках простейшей гидравлической модели, горячий
газ не может войти в колпак, имеющий ту же температуру /или более
высокую/, поскольку горячий газ не может самопроизвольно всплывать
в горячем газе той же температуры /или в более горячем газе/. В рамках
простейшей гидравлической модели горячий газ может войти только в
холодный колпак/точнее в “пустой” от горячего газа колпак с холодным
газом/ и заполнить этот колпак, выдавив оттуда весь холодный газ,
после чего последующие порции горячего газа будут переливаться
через края колпака вверх.
Теперь же попытаемся усложнить такую простейшую гидравличе-
скую модель, предполагая, что горячий газ в колпаке постоянно охлаж-
дается и, утяжелившись, самопроизвольно опускается и покидает кол-
пак, выдавливаясь под напором непрерывно поступающих в колпак
“свежих” легких горячих газов /рис. 188-6/.
Такую ситуацию рассмотрел И.С.Подгородников на своем известном
примере поведения “дыма в опрокинутом стакане” [96]. К краям стакана
приклеивается кружок бумаги с отверстием по центру для входа дыма и
с отверстиями П сбоку для выхода дыма /рис.189/. Одно из выходных
отверстий П можно оснастить трубочкой Т для имитации дымовой
трубы. Стакан опрокидывается, и к центральному отверстию бумажно-
го кружка подносится горящая папироса. Можно видеть, что струйка
Рис.191. Печи обжига кирпича с
“прямой” (а) и “обращенной” (б)
тягой [60]. 1 - топка, 2 - труба
дымовая с задвижкой, 3 - штабель
сырого кирпича, 4 - труба дымо-
вая для удаления дыма с уровня
пода, 5 - напорный канал, 6 -
камера обжига
Движение горячих газов 165
табачного дыма не идет сразу в боковые отверстия П, а направляется
сначала вверх, охлаждается у донышка стакана, поворачивает вниз и
вдоль стенок стакана стекает к нижним боковым отверстиям П, в част-
ности, может выйти через имитатор дымовой трубы. Часть опускающе-
гося дыма подсасывается центральной восходящей струйкой дыма и
вновь увлекается вверх, образуя циркуляционный поток Ц.
Такое поведение горячего дыма И.С.Подгородников, ссылаясь на
работы М.В.Ломоносова, назвал “вольным” движением газов [98]. Но
М.В.Ломоносов под вольным движением называл гравитационную кон-
векцию вообще. А И.С.Подгородников рассматривал именно колпак с
горячим газом, в котором холодный опускающийся газ может появиться
лишь за счет охлаждения горячего газа. Причем такое “вольное” дви-
жение газов И.С.Подгородников приписывал как достоинство именно
печных колпаков. Хотя ясно, что точно такое же “вольное” движение воз-
никает и в оборотных каналах как сообщающихся сосудах при разных
весах колен, например, при разделении опрокинутого стакана на кана-
лы коаксиальной трубчатой стенкой-перегородкой С/рис. 189/.
Так или иначе, колпаковым схемам уделяют в печном деле особое
место /рис. 190/. Так, в частности, в ГОСТ 2127-47 отмечалось, что в кол-
паковых печах газы движутся “свободно внутри полостей” /см.раздел
4.3/. То есть считается условно, что в каналах печи дым движется якобы
“принудительно” /а фактически транзитно/ под тягой трубы, а вот в кол-
паках печи дым движется “вольно” /“свободно”/ без участия тяги трубы.
3.7.3.	Модель обращенной тяги
В.Е.Грум-Гржимайло при объяснении характера движения пламени
/как движения легкой жидкости в тяжелой/ использовал опыты с “обра-
щенной” тягой на примере кирпичеобжигательных печей [60].
Печи для обжига кирпича ранее представляли собой огнеупорную
камеру обжига 6, в которую подавались горячие дымовые газы из топки
1 /рис. 191-а/. Горячий дым поднимался вверх к своду и выходил в дымо-
166
Дровяные печи
Рис.193. Схема циркуляций: а - система
водяного отопления, б - система воздушно-
го отопления помещения, в - восходящий
горячий газ в холодной трубе. 1 - котел для
нагрева воды, 2 - прибор водяного отопле-
ния /конвектор, радиатор, регистр, “бата-
рея”/, 3 - конвектор, 4 - холодные стены.
дымовой трубе, добивались того,
что бы камера обжига все больше и
больше заполнялась бы горячим дымом сверху. Наконец, горячий дым
касался пода, на котором установлен штабель обжигаемого кирпича 3.
В этом режиме и обжигали кирпичи. Однако, режим обжига являлся
неустойчивым - при снижениях скорости сгорания топлива уровень
дыма в камере обжига поднимался вверх и уже не достигал пода, вслед-
ствие чего качество обжига кирпича снижалось. Такие печи В.Е.Грум-
Гржимайло назвал печами с “прямой тягой” /’’печами-уродами’7.
Впоследствии, дымовое окно в своде исключили совсем, и выпуск
всего горячего дыма из печи стали делать снизу /191-6/. Такие печи
В.Е.Грум-Гржимайло назвал печами с “обращенной тягой” [60]. В таких
печах потоки горячего дыма /’’пламя”/ всегда достигали пода, чем и
обеспечивалась повышенная равномерность обжига кирпича.
Более детальный механизм движения горячих газов следующий. При большом раз-
мере отверстия в потолке колпака весь горячий газ беспрепятственно всплывает через
отверстие, не вызывая появления тяги в колпаке /рис.192-а/. При уменьшении же разме-
ра отверстия /при фиксированном расходе горячего газа/ отверстие “захлебывается”, ста-
новится не способным пропустить весь всплывающий горячий газ. Горячий газ начинает
накапливаться в колпаке, создавая наверху слой горячего газа толщиной h /рис. 192-6/. Этот
слой /’’мешок”, ’’пирог”/ горячего газа создает напор горячего газа вверх, и за счет этого уве-
личивается расход горячего газа через отверстие, обеспечивая удаление горячего газа с
прежней скоростью/рис. 193-в/. Наконец, при неком размере отверстия слой горячего газа
достигает краев колпака. Уже не в состоянии пройти весь через отверстие, горячий газ
начинает изливаться через края колпака /рис.192-г/. Все эти этапы наглядно описывают-
ся простейшей гидравлической моделью на примере кухонной раковины с нижним сливом.
Теперь учтем, что горячий газ может остывать у холодных стенок колпака, в предель-
ном случае превращаясь в совсем холодный газ. В рамках простейшей гидравлической
аналогии “обращенной реки” это означает, что жидкость, наполняющая стакан, исчезает
/как-бы “испаряется”, превращается в газ/, и стакан становится “бездонным” - сколько
жидкости ни лей, заполнить его жидкостью невозможно /вливается жидкость, а выливается
газ/. Так же и в случае бесконечно большого колпака - сколько ни подавай горячего газа
Движение горячих газов
167
/дыма/, все равно газ остынет и выйдет из колпака /выдавится/ в холодном состоянии.
Это и есть переход к модели “вольного” движения И.С.Подгородникова. Но в реальности,
в печах столь “громадных” /и столь сильно охлаждающих/ колпаков нет, и приходится оце-
нивать, насколько сильно горячий газ может охладиться в каждом конкретном колпаке.
Но “громадные” колпаки в быту все же есть. Это, в частности, жилые помещения, в
которых расположен нагреватель малой мощности /рис. 193-6/. Так, приехав зимой на
дачу и включив электроплитку, дачник тут же убеждается, что все тепло улетает вверх и
вниз уже не возвращается. Но стоит только поставить вентилятор, обдувающий электро-
плитку, так тотчас тепло сверху начинает достигать пола /см. раздел 4.6/.
3.7.4.	Модель сообщающихся сосудов
Принцип вольного движения воздуха по М.В.Ломоносову в корне
отличается от модели “вольного” движения С.И.Подгородникова.
Вольным движением М.В.Ломоносов называл любую гравитационную
конвекцию, проявляющуюся не только в колпаках и полостях, но и в
стволах горных шахт/рудников/, то есть в каналах /вертикальных колод-
цах/. Причиной движения воздуха в каналах по М.В.Ломоносову являют-
ся разные веса колен сообщающихся сосудов - ведь столб теплого воз-
духа легче столба холодного воздуха [99]. Для определения траекторий
горячих газов достаточно лишь рисовать любые замкнутые контуры и
“взвешивать” колена. При таком анализе можно исключить дополни-
тельные поясняющие модели, поскольку сообщающиеся сосуды в
жизни человека столь же обыденны, как и река.
Модель сообщающихся сосудов включает в себя и модель вентиля-
ционно-циркуляционной конвекции /раздел 3.4/. Эта модель пригодна
как для водоводных, так и для водопроводных систем. Так, модель
сообщающихся сосудов часто привлекается для объяснения работы
систем водяного и воздушного отопления зданий /рис.193-а и рис. 193-6/.
Отметим, что самопроизвольные тонущие /нисходящие относитель-
но внешней атмосферы/ движения остывающих дымовых газов воз-
можны только как циркуляционные. А для открытых с торцов дымовых
труб нисходящие пристеночные потоки остывающих дымовых газов не
характерны /хотя именно обратное часто утверждается в литературе
по каминам/. Действительно, остывающий в трубе дым всегда остается
более теплым, чем воздух “на улице”, и должен подниматься вверх
относительно атмосферного воздуха. Если же все же охлаждающийся
дым опускается, то это значит, что выше по трубе имеется сильное
заужение, нарушающее связь с атмосферой /рис.193-в/.
168
Дровяные печи
4.	Газодинамика конвективных систем
Продолжим анализ движений горячих газов на примере конвективных
систем дровяных печей.
Под конвективной системой печи будем понимать весь тракт течения
газов в печи, начиная от воздухозаборной заслонки топливника и кончая
устьем дымовой трубы. Поступающий воздух вступает в реакцию горе-
ния с дровами в топливнике, образующиеся горячие дымовые газы
поступают для утилизации тепла в систему теплосъемных каналов и
полостей и затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.
Таким образом, конвекционная система печи является вентиляционной,
имеющей участки нагрева и охлаждения газов /рис. 163/.
Часто под конвективной системой печей понимают лишь систему над-
топочных теплосъемных каналов и полостей [105]. Такое формальное
функциональное выделение отдельного узла из состава печи по сути
ничего не дает, кроме порой непреодолимых методических трудностей.
Дело в том, что система теплосъемных каналов находится под дей-
ствием напора со стороны топливника и тяги со стороны дымовой
трубы, и при анализе явлений необходимо рассматривать всю конвек-
тивную систему печи без разрывов причинно-следственных связей. С
этой точки зрения, в состав конвективной системы печи приходится
порой условно включать и внепечные пространства окружающей воз-
душной атмосферы, хотя они, конечно, не могут считаться частью печи.
В литературе имеются и терминологические разночтения. Так, каналы
внутри печи часто называют газоходами, а каналы вне печи /например,
дымовые трубы, соедининительные патрубки, борова/ - дымоходами
[105-107]. В то же время, в ГОСТ Р 53321-2009 под дымоходом понима-
ется канал, “по которому осуществляется движение продуктов горения
внутри печи”, а под дымовым каналом или дымовой трубой понимается
“канал для отвода дыма от печей и аппаратов и создания тяги”. В СНиП
41-01-2003 и СП7.13130.2009 под дымоходом понимается “вертикаль-
ный канал прямоугольного или круглого сечения для создания тяги и
Газодинамика конвективных систем
169
Рис.194. Конвективные системы кирпичных
печей (а), металлических печей (б) и каминов (в). 1
- топливник/топка, камера сгорания/, 2 - дымовые
каналы /газоходы/, 3 - дымовая труба /дымоход/, 4
- дымовой соединительный канал /дымоотвод,
перекидной рукав, боров, дымоотводящий патру-
бок/, 5 - дымосборник, 6 - дымовая камера, 7 -
дымовой зуб.
отвода дымовых газов от теплогенера-
тора /котла/, печи и дымоотвода их
вверх в атмосферу”, а под дымоотводом понимается “канал для отвода
дымовых газов от теплогенератора до дымохода или наружу через
стену здания”.
Во избежание подобных терминологических разночтений, будем назы-
вать условно все горячие газы - дымовыми, каналы внутри печи - “дымо-
выми каналами” 2, канал для создания тяги и удаления дыма в атмо-
сферу - “дымовой трубой” 3, дымоотводящий патрубок от печи до дымо-
вой трубы - “дымовым соединительным каналом” 4 /рис. 194/.
4.1.	Гидравлические типы печных устройств
В конвективной системе наибольший интерес представляют законо-
мерности перемещения горячих газов. Как уже отмечалось (см. стр.89),
Грум-Гржимайло сравнивал течения горячих газов /именно горячих/ с
“обращенной рекой” [60]. Попытаемся расширить эту гидравлическую
аналогию в надежде сделать анализ течений газов в печных устрой-
ствах более наглядным. Ведь с перемещениями воды все знакомы на
бытовом уровне с детства. Во всяком случае, гидравлическая аналогия
не позволит нам “пропустить” важные технические особенности.
Вспомним, что помимо водоводных (’’рекой”) способов транспорта
воды существуют и иные: ёмкостные (’’ведрами”), водопроводные само-
напорные (гравитационные трубные) и водопроводные насосные (по
трубам с механическим принудительным напором).
4.1.1.	Емкостные схемы транспорта
Емкостной способ водотранспорта - это перемещение бочек и цис-
терн. Поскольку вода тяжелее воздуха, то можно использовать и откры-
тые емкости - ведра, стаканы, ковши, в том числе и в составе непре-
рывно работающих ведерных круговых водочерпалок/рис. 195-а/.
170
Дровяные печи
Рис.195. Водотранспортные схемы: а - пере-
мещение емкостями-сосудами, б - водоводы
/беснапорные сети/, в - водопроводы самона-
порные, г - водопроводы насосные. 1 - подача
воды, 2 - емкость передвижная с системами
наполнения и слива-перелива, 3 - труба неза-
полненная, 4 - жёлоб /лоток, канал, река/, 5 -
накопительная емкость /водохранилище/, 6 -
переливная труба, 7 - бак напорный, 8 - водо-
проводная труба герметичная заполненная , 9
- бак-водонакопитель, 10 - водовыпускные
устройства, 11 - бак напорно-гидроаккумули-
рующий мембранный, 12 - водяной насос, 13 -
автоматика отключения насоса.
Аналогичный способ газотранспорта - это перемещение баллонов с
газом, в том числе и под давлением. Поскольку горячие дымовые газы
являются легче воздуха, то появляется возможность транспорта горяче-
го дыма колпаками /рис.196-а/ или “дымочерпалками”. Практического
значения такой вид дымотранспорта не имеет.
Тем не менее, поскольку термин “колпак” широко используется в печ-
ной практике, поясним, что идеальный колпак - это абсолютно не про-
точный сосуд с горячими стенками, имеющий /как и опрокинутый стакан/
только одно отверстие, причём обязательно внизу, постоянно открытое
в атмосферу так, чтобы давление газа на нижнем срезе никогда бы не от-
личалось от атмосферного.
Если горячий идеальный колпак заполнен горячими (относительно
окружающей среды) дымовыми газами, то во всём колпаке возникает
избыточное давление: в любом месте можно просверлить отверстие
и убедиться, что газ выходит наружу точно также, как из отверстия в дне
стакана всегда вытекает вода. Максимальное значение избыточного
давления достигается в верхней части колпака, и в этом плане колпак ни-
чем не отличается от тёплого помещения, открытого снизу /рис.93-94/.
Колпак принципиально невозможно переполнить горячими газами -
излишки горячего газа тотчас выйдут из-под колпака точно так же, как
и излишки воды всегда и немедленно перельются через края стакана.
Что касается так называемых печных дымовых колпаков /куполов,
колоколов/, то под этим термином чаще всего подразумеваются не иде-
альные колпаки с одним отверстием, а различного рода тупиковые или
слабопроточные полости с двумя и более отверстиями в сети дымовых
каналов водоводного или водопроводного типов или даже полнопро-
точные зонты-дымосборники /рис.194-в/.
Газодинамика конвективных систем
171
4.1.2.	Водоводные схемы транспорта
Водоводные способы транспорта являются простейшими непрерыв-
но-проточными транспортными приемами /рис. 195-6/, хорошо извест-
ными в природе в форме отрытых “на атмосферу” последовательно-
стей рек-ручьев, прудов-водохранилищ и водопадов-сливов-переливов.
Реки могут быть даже “взяты в трубу” - лишь бы вода текла “свободно”,
не “переполняя” /не заполняя, не перекрывая всё сечение/ трубы.
Движения воды в водоводах возникают благодаря толкающему дей-
ствию самонапора воды сзади. “Всякое движение всякой жидкости есть
результат расхода напора" [49,60]. Тянущее же разрежение /тяга/ спе-
реди отсутствует. Появление запруд выше или ниже по течению воды
ощущается не сразу. Действительно по уровню воды в Волге у Твери
невозможно сразу определить, открылась или закрылась задвижка пло-
тины ГЭС где-нибудь под Волгоградом. Реки могут течь тысячами кило-
метров под толкающим самонапором /при перепаде уровня воды/лишь
в десяток метров. Такие напоры в технике считаются малыми, и водо-
водные течения считаются условно безнапорными. При этом перепады
давления в воздушной атмосфере (до 400 мм водяного столба) не могут
препятствовать течению воды под самонапором. Ветер может свободно
дуть над водой в ту или иную сторону и лишь при больших скоростях
способен повернуть реку вспять /как Неву в Санкт-Петербурге/.
Рис. 196. Газотранспортные схемы /приме-
нительно к легким горячим дымовым газам/: а
- перемещение в горячем колпаке /как в пере-
вернутом стакане/, например, с подвесом
разогретой болванки в транспортируемом
колпаке, б - дымоводы /безнапорные сети
самотечные/, в - дымопроводы самонапорные,
г - дымопроводы насосные /с воздуходувками,
вентиляторами, компрессорами/. 1 - техноло-
гическая болванка, 2 - горячий колпак транс-
портируемый, 3 - источник горячего конвек-
тивного потока /газонагреватель, топка/, 4 -
колпак проточный, 5 - обечайка, 6 - зонт /дымо-
уловитель/, 7 - беспрепятственно текучие
потоки холодного воздуха, 8 - картер, 9 - топ-
ливник, 10 - канал восходящий, 11 - канал нис-
ходящий, 12 - труба, 13 - бункер с пеллетами,
14-камера сгорания, 15-теплообменник, 16-
вентилятор, 17 - двигатель, 18 - дымосброс.
172
Дровяные печи
Рис.197. Древние водоводные способы
непрерывного нагрева воды: а - древне-
греческий способ, б - древнеримский спо-
соб. 1 - периодическая подача холодной
воды из переносных сосудов, 2 - бронзо-
вый сосуд на треножнике, 3 - открытый
огонь, 4 - ванна /баня/ лаконикума, 5 -
печь, 6, 7, 8 - нагреваемые сосуды, 6 -
фригидарий, 7 - тепидарий, 8 - кальдарий.
Водоводный способ транспорта использует тот факт, что вода тяже-
лей воздуха и не может “выскочить” вверх из русла через берега реки.
Применительно к горячим дымовым газам /более легким, чем окру-
жающий воздух/ это означает, что их также можно транспортировать
“реками”, только “обращенными”.
Мысленно переворачивая «вверх ногами» водоводную схему, заме-
няя воду на горячие дымовые газы, а воздух на холодный воздух, полу-
чаем дымоводную схему течения горячих дымовых газов /рис. 196-6/.
Такая схема отвечает идеальной гидравлической модели Грум-Гржи-
майло «вольного движения горячих газов». Всем известны свободнокон-
вективные потоки /’’столбы”/ горячих дымовых газов, поднимающиеся
над кострами, “свободно” расстилающиеся по потолкам, перетекающие
слоями под наклонными сводами, заполняющие дымовые колпаки и пе-
ретекающие из колпака в колпак, например, как в курных избах, русских
печах, каминах, вентиляционных зонтах и т. п. /рис.163 /.
Горячие дымовые потоки, текущие горизонтально или наклонно под
сводами /под перевёрнутыми лотками-желобами/, могут быть, в прин-
ципе, “взяты” снизу в “картер” 8 /поддон, кожух/. А горячие дымовые
струи, не стесненно восходящие вверх /по аналогии с водопадами-
переливами/, можно окружить с боков обечайкой 5 /рис. 196-6/. Во всех
этих случаях горячие газы будут течь /всплывать/ под собственным
Рис.198. Древние дымоводные схемы
транспорта горячих дымовых газов в печ-
ных системах: а - жаровня в древнегрече-
ском лаконикуме, б - гипокауст в древне-
римских термах. 1 - подсос свежего возду-
ха, 2 - дымовые газы, 3 - вентиляционное
отверстие, 4 - скамья, 5 - топка гипокауста,
6 - столбики, 7 - труба, 8 - фригидарий, 9 -
тепидарий, 10 - кальдарий, 11 - подача
воды кувшинами, 12 - вычерпывание.
Газодинамика конвективных систем
173
самонапором /но без тяги/, лишь бы трубы и кожухи не “переполнялись”,
то есть лишь бы горячие газы не перекрывали всё проходное сечение
трубы. Действительно, если бы где-нибудь случайно появилось бы
тянущее разряжение всплывающего горячего газа, то “свободные” пере-
мещения холодных газов тотчас устанили бы возникшее разрежение.
Таким образом, в дымоводных схемах горячие газы /и в простран-
стве, и в трубах/ контактируют со “свободными” холодными газами 7
/рис. 196-6/, которые могут течь произвольно /«как хотят»/ - могут течь
спутно с горячими газами, могут встречно. Трубные участки газоводных
сетей обязательно должны иметь ограниченную длину (или же должны
быть не герметичными), чтобы холодный газ в трубе был бы частью
атмосферы. При этом давление в горячих газах строго равно давлению
в холодных газах (в том числе и в атмосфере) в месте соприкосновения
на том же высотном уровне (в отличие от газопроводных систем).
Водоводные схемы водогазотранспорта были первыми в мире спо-
собами непрерывной доставки больших масс воды, их нагрева, а также
перемещения дымовых газов в печах/рис. 197-199-а/.
4.1.3.	Водопроводные самонапорные схемы транспорта
Водопроводные способы транспорта принципиально отличаются от
водоводных тем, что течение воды осуществляется не по открытым
каналам, а по герметичным трубам /рис.195-в/. Трубы должны быть
заполнены водой полностью, и воздух в них должен отсутствовать.
Так, если открытый канал водовода 4 /рис.199-а/ “взять” в герметич-
ную трубу, а затем эту трубу опустить в низменность рельефа местно-
сти, то вода из трубы вылиться не сможет. Образовавшаяся система из
двух колен сообщающихся сосудов позволит транспортировать воду с
вершину на вершину без строитель-
ства моста-акведука. Более того, в
Рис.199. Гидравлические аналогии: а -
водовод /акведук/, б - водопровод, в - дымо-
вод, г - дымопровод самонапорный. 1 - рель-
еф местности, 2 - опоры, 3 - подача воды, 4 -
открытый канал, 5 - отвод воды, 6 - герметич-
ная труба, 7 - источник гоячего дымового газа
/костер/, 8 - перевернутый желоб, 9 - герме-
тичные дымовые каналы, 10 - вывод дыма.
174
Дровяные печи
а) б) в) г)
Рис.200. Переход от дымоводных
систем к дымопроводным: а - курная
духовая печь /арочная или сводовая
топка/, б - белая сводовая печь /горни-
ло/, в - камин классический, в - печь гол-
ладского типа с дымооборотами.
водопроводной системе транс-
портирующая труба может воз-
вышаться над начальной и конечной точками сети и работать как сифон.
Каждый объем воды в водопроводе испытывает тягу спереди и напор
сзади. Перекрытие потока впереди или сзади в любом случае тотчас
ощущается во всех участках водопроводной сети как “удар”.
В случае остановки непрерывного течения воды, водопроводы /как
и водоводы/ тотчас перестают быть транспортными системами и пре-
вращаются в емкостные системы - в неподвижные водоемы, полностью
заполненные водой и имеющие только напор на стенки /рис.195-в/.
Переворачивая вверх ногами водопроводную схему /рис. 199-6/,
получаем газовый аналог - горячую (именно горячую!) газопроводную
схему - дымопроводную /рис.199-г/. Такая дымопроводная система
должна быть всегда заполнена только горячими газами, холодные же
газы могут располагаться только в окружающей воздушной атмосфере.
Характерной особенностью дымопроводных схем является возмож-
ность транспорта горячих дымовых газов сверху вниз, затем снизу
вверх, или сначала снизу вверх, а потом сверху вниз /дымообороты/. В
дымоводных схемах это не возможно - горячий газ попросту улетит в
них вверх при попытке опустить потолочное русло дыма.
Как и водопроводы, дымопроводы должны быть герметичными, по-
скольку/в отличие от дымоводов/ имеют внутри себя давление газов, от-
личное от атмосферного. Газы в печи движутся под напором всплы-
вающих горячих дымовых газов топливника и под тягой всплывающих
горячих дымовых газов дымовой трубы. Соотношение величин напора и
тяги определяется степенью открытости нижней /поддувальной/ и верх-
ней /трубной/ задвижек печи на атмосферу.
Если в топке имеется разряжение, то печная система точно и без-
оговорочно является «водопроводной». Сообщающиеся же сосуды, как
мы уже отмечали, всегда являются водопроводами. Поэтому перевер-
нутые сообщающиеся сосуды /дымообороты с перевалом/ всегда
являются газопроводами для горячих газов даже при сколь угодно широ-
ких каналах и полостях.
Газодинамика конвективных систем
175
4.1.4.	Водопроводные насосные схемы транспорта
Водопроводные системы с механическим напором отличаются тем,
что напоры или разряжения /тяга/ воды создаются не только собствен-
ным весом самой воды /самонапором и самотягой/, но и внешними уст-
ройствами принудительного напора - насосами /рис.195-г/ Причем
насосы могут быть нагнетательными /напорными/, проточными /сете-
выми/ или откачивающими /всасывающими/.
Дымопроводные аналоги также широко известны как дымососные или
дутьевые системы, которые позволяют отказаться от дымовой трубы
как источника движения газов в отопительных котлах. Специфическим
свойством дымососов является способность отводить горячие дымо-
вые газы вбок и даже вниз. При этом открывается возможность охлаж-
дения дымовых газов вплоть до температуры окружающей среды, что
дает возможность не только повысить КПД устройств, но и очищать
дымовые газы перед выбросом в атмосферу. Распространились также
и бытовые вентиляторные аппараты на гранулированном древесном
топливе /так называемые пеллеточные печи/, способные непрерывно
работать на древесных /прессованных из древесной щепы и стружки/
таблетках-пеллетах /рис. 196-г/.
4.1.5.	Комбинированные схемы транспорта
Механические насосы могут использоваться не только в водопро-
водных, но и в водоводных системах, например, при передаче воды
фонтаном /брандсбойтом/. А водоводные участки сети /реки/ могут
переходить в емкостные /водочерпалки/, потом в самонапорные водо-
проводные /трубы/, затем и в водоводные /оросительные каналы/.
Комбинирование видов водотранспорта может осуществляться не толь-
Рис.201. Образование тяги в водо-
проводе: а - на дне стакана с водой
избыточное давление /относительно
воздушной атмосферы/, в переверну-
том стакане наверху образуется раз-
режение, в которое прорывается воз-
дух, б - в едином сосуде наверху
образуется разрежение, а внизу
избыточное давление, г - при паде-
нии капли разрежение не образуется.
176
Дровяные печи
Рис.202. В сети с горячими дымовыми газами
напор и тяга не зависят от наличия оборотных
каналов /поскольку движение происходит по
сообщающимся сосудам/.
ко последовательно, но и параллель-
но. Так, например, параллельно
напорному водопроводу может идти
безнапорный водовод /открытый водный поток/ или целая сеть водово-
дов в грунте, в частности, из вытекающих из водопровода протечек.
Отсюда можно предположить, что аналогичным образом могут ком-
бинироваться дымоводные и дымопроводные участки печного тракта -
последовательно и параллельно. Действительно, весь путь развития
печных устройств - это переход от дымоводных систем к дымопровод-
ным /в том числе насосным/ через различные их комбинации.
Наиболее древние печные устройства - открытые очаги /костры/ и курные духовые
печи /арочные или сводовые/ были чисто дымоводными конструкциями, в которых дым
течет и вытекает из помещения аналогично реке с водопадами /рис.200-а/. Первые
“белые” /не выводящие дым непосредственно в помещение/ печи тоже были дымоводными
с широкими вертикальными дымоотводами /дымниками, дымарями над устьем/, способ-
ными в открытом состоянии пропускать наряду с горячим дымом снизу и холодный воздух
сверху 7 /рис. 196-6/. Впоследствии “белые” печи стали обустраиваться боровами /гори-
зонтальными участками в дымоотводе/, способными превращать бестяговый дымник в
тяговую дымовую трубу - дымопровод /рис.200-б/, однако дымоводный характер движений
газов внутри горнила сохранился. В каминах же начало трубы /хайло/ располагалось уже
в самом открытом топливнике /рис.200-в/. И если открытый топливник камина всегда
является дымоводным, то дымовая труба камина может быть как дымоводной /очень
широкой без тяги/, так и дымопроводной /меньшего поперечного сечения с тягой дымовых
газов/. Современные отопительные и отопительно-варочные печи являются дымопро-
водными. Например, к чисто дымопроводным печам относятся отопительные печи “гол-
ладского” типа с закрывающимися дверками топливника и с дымооборотами /рис.200-г/.
Подобный анализ позволяет разделить печь на отдельные узлы с разными характерами
газовых течений /см. таже далее раздел 6/.
Параллельные дымоводные и дымопроводные течения в печах не
актуальны. Но их можно наблюдать при поддымливаниях каминов
через портал или при растопке холодной печи - дымление от разгораю-
щихся дров идет не только в трубу, но и сочится через неплотности при-
леганий чугунной варочной плиты.
Газодинамика конвективных систем
177
4.2.	Тяга в водопроводной системе
Характерной чертой водопроводных транспортных систем является
наличие напора /способности толкать/ и тяги /способности затягивать/.
Иногда поясняют, что слово “тяга” не совсем точно отражает смысл
явления в том смысле, что жидкости не способны тянуть как веревка
[60]. Но тяга - это создание локальной области /пространственные зоны/
пониженного статического давления /разрежения/, что приводит к
появлению напора со стороны окружающей внешней жидкости, нахо-
дящейся при прежнем /нормальном или избыточном/давлении.
Еще раз поясним механизм появления тяги на примере сосуда, запол-
ненного водой и находящегося в окружении воздушной земной атмо-
сферы /рис.201/. Если этот сосуд разделен горизонтальной перегород-
кой, то сверху образуется “стакан” с избыточным давлением у дна /за
счет напора весом жидкости вниз/, а снизу образуется “перевернутый
стакан” с пониженным давлением /разрежением/ у потолка /за счет
“тяги” - растяжения весом жидкости вниз/. В это разрежение у потолка
устремляется /пробулькивает/ внешний воздух, что приводит к вытека-
нию воды из опрокинутого стакана. Для предотвращения вытекания
заузим отверстия вверху и внизу сосуда /рис.201-а/.
Теперь удалим перегородку в сосуде. Распределение давлений в
сосуде тут же кардинально изменяется - давление на уровне дна быв-
шего стакана и давление на уровне потолка бывшего перевернутого
стакана сравниваются. Но перепады давления внутри сосуда сохра-
няются /рис.201-б/. Сосуд превращается в транспортную систему. Вода
опускается вниз, создавая пониженное давление /разрежение/ в верхнем
отверстии и избыточное давление /напор/ в нижнем отверстии.
Пониженное давление в верхнем отверстии затягивает /воду или воздух,
в первое мгновение это безразлично/, и этот эффект называют явлени-
ем тяги. В действительности же, как уже указывалось, величиной тяги в
технической литературе принято называть степень разрежения, а
силой, затягивающей в верхнее отверстие, является давление снаружи
/точнее перепад давлений вне и
внутри сосуда/. Тяга возникает в
Рис.203. Горячий газ, поднимаясь вверх,
набирает статическое давление р0 (а) и рас-
ходует его на набор скорости V (б) и на опус-
кание вниз - по каналу (в) или фонтаном (г).
178
Дровяные печи
Рис.204. Принципиальная схема мартеновской печи.
момент появления транзитного течения в сосу-
де. Если же вода не заполняет все поперечное
сечение сосуда, то “поршень воды”, движу-
щийся вниз, как-бы ’’имеет дырку”, и такой пор-
шень не способен с достаточной силой затяги-
вать /всасывать/. Если “дырка” большая, то ни
тяга, ни напор возникнуть не может. Так, если в
сосуде падает капля воды, не касающаяся стенок сосуда, то перетоки
воздуха происходят внутри сосуда, и перепады давления в верхнем и
нижнем отверстиях сосуда не появляются /рис.201-в/.
В дымопроводных системах тяга возникает в нижнем отверстии, а напор - в верхнем
отверстии /рис.202/, вне зависимости от того, разделен ли сосуд на каналы или нет. Ведь
в сообщающихся сосудах, заполненных изотермическим газом, вес одного колена урав-
новешивается весом другого.
Горячий газ, расположенный в низу канала /колена/, “растягивается” под действием
подъемных сил вышележащих слоев горячего газа и тем самым создает разрежение.
Горячий газ, расположенный в верху канала /колена/, сжимается под действием подъ-
емных сил нижележащих слоев горячего газа и тем самым создает напор. Этот напор при
появлении течений расходуется на набор кинетической энергии, преодоление сопротив-
лений и на опускание горячего газа вниз /рис.203/.
Напор и тяга дымопровода используются в качестве естественных/не
механических/движителей газов. Так, в бытовых печах тяга засасывает
воздух в топливник. А в мартеновских печах регенераторы /раскаленные
камеры с огнеупорной насадкой/ засасывают своим разрежением /как
всасывающим насосом/ воздух и доменные газы, разогревают их до
1000°С /для создания высоких температур пламени/, а затем подают
их под напором /как нагнетающим насосом для создания нисходящего
фонтана пламени/ в рабочую /плавильную/ зону печи скоростными
струями на поверхность ванны с расплавленным металлом /рис.204/.
Давление газов в рабочей зоне равно атмосферному, поскольку рабочая
зона имеет негерметичные загрузочные окна. Поэтому отработанные
горячие газы из печи удаляют разрежением /тягой/ дымовой трубы
через другую пару регенераторов /и при этом нагревают их/.
Направление движения газов в печи периодически изменяют на проти-
воположное переключением перекидных клапанов так, чтобы нагре-
вающие и нагревающиеся регенераторы поменялись местами.
Газодинамика конвективных систем
179
4.3.	Классификация печей по геометрии каналов внутри печи.
Сочетание дымоводных и дымопроводных участков характерно для
конвективных систем каминов, русских печей и барбекю. Современные
отопительные и отопительно-варочные печи /металлические и кирпич-
ные/ имеют исключительно дымопроводные конвективные системы.
Государственный стандарт ГОСТ 2127-47 /отмененный без замены с
01.01.1976г./ классифицировал теплоемкие отопительные печи по дви-
жению газов внутри печи /рис.205/:
-	печи с движением газов по каналам, соединенным последовательно:
однооборотные /черт.1/, двухоборотные /черт.2/, многооборотные с вос-
ходящим движением газов и с короткими вертикальными каналами
/черт.З/,
-	печи с движением газов по каналам, соединенным параллельно:
однооборотные /черт.4/, двухоборотные /черт.5/,
-	печи с движением газов без каналов, свободно внутри полостей
печи: колпаковые /черт.6 и 7/,
-	печи с движением газов по комбинированной системе каналов -
последовательных, параллельных и без каналов: нижнего прогрева
/черт.8, 9, 10, 11,12/, с воздухонагревательной камерой /черт.13/.
Рис.205. Классификация теплоемких отопительных печей по ГОСТ 2127-47.
180
Дровяные печи
Рис.206. Колпаковые системы: а - кол-
пак дымоводный /истинный/, б,в - колпаки
дымопроводные над перевалами оборот-
но-канальной /противоточной/ системы с
тягой на участке Н, г - колпак с фонтаном
дымовых газов за счет заужения хайла.
Все вышеприведенные схемы
являются дымопроводными, то
есть “водопроводного типа” /с разрежением в топливнике/. Сомнения
могут вызывать только колпаковые печи, в которых дымовые газы дви-
жутся якобы “свободно внутри полостей”, и, казалось бы, не подвер-
гаются влиянию тяги дымовой трубы. То есть предполагается, что кол-
паки строго изолированы от печи и текущих в ней газов. Но “колпаки” в
колпаковых печах вовсе не являются изолированными объектами, в них
может создаваться даже пониженное давление за счет тяги трубы.
“Колпаки” хоть и являются тупиковыми отводами, но они не “мертвые” -
в них происходит постоянный обмен веществ с печью, в них постоянно
входят и выходят газы /рис.206-а/. То есть по низу колпака постоянно
течет поток газов, способный вовлекать в движение содержимое кол-
пака. Более того, горячие дымовые газы подаются в колпак чаще всего
снизу вверх, например, транзитным потоком в “колпаки” над перевала-
ми канальных систем /рис.206-в и рис.206-г/. При этом в “колпаке” могут
возникать течения за счет разности весов колен /рис.206-6/. А печи
В.Е.Грум-Гржимайло предусматривают даже разгон дымовых газов для
интенсивного вдува дымовых газов в колпак/рис.205, черт.6 и 7/.
4.4.	Анализ конвективных систем с помощью эпюр давления
Причинами появления горизонтальных движений /ускорений/ газов в
печах являются перепады статического давления. При гравитационной
конвекции эти перепады статического давления возникают из-за разни-
цы весов газов в коленах сообщающихся сосудов /раздел 3.7.4/.
Возникшие перепады статического давления /в виде напора или тяги/
в случае движения расходуются на разгоны газа: статическое давление
/статический напор - энергия сжатия газа/ переходит в динамическое
давление /в скоростной напор - в кинетическую энергию движения газа/.
При наличии вязкости перепады статического давления расходуются и
преодоление сопротивлений на трение и завихрения, что и положим в
основу анализа с помощью эпюр давления по методике [6].
Газодинамика конвективных систем
181
4.4.1.	Эпюра давлений при отсутствии протока газов
Представим себе горячую прямоточную печь как систему сообщаю-
щихся сосудов /рис.207/. А именно, добавим к дымовой трубе 1 и печи
2 умозрительный стояк холодного воздуха с присоединительными кана-
лами 3, имитирующий внешнюю воздушную атмосферу. Полученный
гипотетический замнутый круговой канальный контур соединим с внеш-
ней воздушной атмосферой вертикальным патрубком-газоходом 4.
Рассмотрим сначала распределения давлений при отсутствии течения
газов, то есть когда хотя бы одна из указанных задвижек закрыта.
Рис.207. Эпюры /графики распределе-
ния/ статического давления газов в газохо-
дах /стояках, каналах, столбах/ внутри
прямоточной печи /справа/ и во внешней
воздушной атмосфере /слева/ при отсут-
ствии потоков газа: а - при открытой
задвижке сверху /на дымовой трубе/ и
закрытой задвижке снизу /на поддувале/,
б - при закрытой задвижке сверху и откры-
той задвижке снизу, в - при закрытых
задвижках сверху и снизу и открытой
задвижке на срединном дымоходе.
Пространственные элементы: Ов, Он и
Ос - базисные точки отсчета давлений, 1 -
дымовая труба, 2 - печь/топка/, 3 - гипоте-
тические газоходы, имитирующие внеш-
нюю атмосферу, 4 - гипотетический газо-
ход, имитирующий воздействие /давле-
ние/ вышележащих слоев атмосферы, 5 -
гипотетический срединный газоход /тяго-
прерыватель/.
Обозначения: р - давление, Др - пере-
пад /разница/давлений между внутрипеч-
ной средой и внешней воздушной атмо-
сферой, р - плотность газа, н /нижний
индекс/ - низ системы, в /нижний индекс/ -
верх системы, г/верхний индекс/ - горячий
газ /дымовые газы внутри печи и трубы/, х
/верхний индекс/ - холодный газ /воздух
атмосферы/, Н - высота печи с трубой, g -
ускорение свободного давления, стрелки
- направления движения газок при при-
открытиях задвижек.
182
Дровяные печи
Рис.208. Круговые эпюры статических давлений
внутри прямоточной печи и во внешней воздушной
атмосфере при наличии циркуляционного потока
газов: 1 - колено, имитирующее внешнюю воздуш-
ную атмосферу, 2, 3, 4 - задвижки в хайле на устье
печи и поддувале топки, 5 - давление в атмосфере
при отсутствии потока газа, 6 - давление в атмо-
сфере при наличии потока газов с учетом потерь
давления на трение, 7 - давление в неподвижных
газах печи, 8 - давление в подвижных газах печи.
Тогда в отсутствии газовых потоков
эстранственные распределения стати-
ческих давлений в коленах газовой системы будут определяться по
законам гидростатики как алгебраические суммы давления в некой
базисной точке отсчета /Ов, Он или Ос/ и весов газов рдН в правом горя-
чем /печном/ и левом холодном /воздушном/ коленах контура.
Графики пространственного распределения статических давлений
будем называть условно для краткости эпюрами статического давле-
ния. Распределения давлений по высоте будем называть высотными
эпюрами давлений, а распределения давлений по замкнутому контуру
циркуляции - круговыми эпюрами давления.
При закрытой нижней задвижке /то есть при закрытом поддувале/ и
открытой задвижке на трубе за базисную точку отсчета примем верх-
нюю точку Ов, общую как для устья трубы, так и для внешней воздушной
атмосферы на том же высотном уровне /то есть рвх = рвг/. Поскольку вес
стояка с горячим печным газом ргдН меньше веса стояка с холодным
атмосферным воздухом рхдН, то статическое давление внутри печи на
уровне колосниковой решетки рнг /или пода печи/ будет меньше, чем
статическое давление в воздушной атмосфере рнх на том же высот-
ном уровне. То есть, величина Др = (рнх - Рнг) > 0 всюду имеет поло-
жительное значение. Это значит, что во всем объеме печи мы будем
иметь тягу /разрежение/ - воздух всасывается в любую возможную
неплотность в стенках печи и трубы, в том числе и в приоткрывающее-
ся поддувало /рис.207-а/. Первичной физической причиной появления
тяги является разница весов колен Др = (рнх - рнг) = (рх - рг)дН.
При открытой нижней задвижке /то есть при открытом поддувале/ и
закрытой задвижке на трубе за базисную точку отсчета примем нижнюю
точку Он, общую как для колосниковой решетки /пода/ печи, так и для
внешней воздушной атмосферы на том же высотном уровне /то есть
Газодинамика конвективных систем
183
рнх = рнг/. В этом случае статическое давление внутри печи рвг всюду
будет больше, чем статическое давление в воздушной атмосфере рвх на
том же высотном уровне. То есть величина Др = (рвх - рвг) < 0 всюду
имеет отрицательное значение. Это значит, что во всем объеме печи
мы будем иметь напор /избыточное давление/ - дымовые газы будут
выбрасываться наружу через любую возможную неплотность в стенках
печи и трубы, в том числе и через приоткрывающуюся трубу/рис.207-б/.
При протопке печи открыты и устье трубы, и дверка поддувала. То
есть реализуется некая промежуточная схема, когда в поддувале име-
ется тяга /воздух засасывается в печь/, а в устье печи тяга имеется
напор /дымовые газы выбрасываются из печи/. При этом неизбежно
возникает ситуация, когда на неком высотном уровне Ос тяга становит-
ся равной нулю - на этом высотном уровне можно сделать дырку 5 в
работающей печи, и воздух в нее засасываться не будет, точно также, как
не будут выбрасываться дымовые газы /рис.207-в/. Отвечающая такому
случаю эпюра давлений в отсутствии протока газов отвечает ситуации,
когда верхняя, и нижняя задвижки закрыты, а открыта некая средняя
задвижка в патрубке 5, и при этом рсх = рсг. Отверстие 5 называется
“разрывом дымовой струи”, а в газовых котлах “тягопрерывателем”.
Высотное расположение уровня нулевой тяги 5 /’’нейтрального уровня”/
может изменяться в ходе протопки как из-за изменения положения
задвижек, так и из-за изменения характеристик горения дров.
Рассмотренные эпюры давлений в печах аналогичны эпюрам давле-
ния в вентилируемых теплых зданиях /рис.94/. В реальных ситуациях эти
эпюры статических давлений в печах и зданиях приходится согласовы-
вать между собой, особенно в случаях открытых очагов и каминов.
4.4.2.	Эпюра давлений при наличии протока газов
При появлении протока газов вышерассмотренный замкнутый контур
превращается в циркуляционный, по сути аналогичный циркуляцион-
ному контуру системы водяного отопления здания, но заполненного не
водой, а воздухом и дымовыми газами /рис.193-а/.
Единственно возможной базисной точкой отсчета в этом случае может
быть только верхняя точка контура Ов, поскольку ни при каких потоках
газов в циркуляционном контуре численное значение величины стати-
ческого давления в ней рвх измениться не может. Статическое давле-
ние рвх в точке Ов всегда равно весу/напору/ воздушного столба невоз-
мущенной атмосферы над этой точкой /рис.208/. Поэтому при анализе
приходится исходить из статической эпюры давлений, реализующейся
184
Дровяные печи
Рнх
Рис.209. Высотные эпюры статических дав-
лений в прямоточной печи: 1 - эпюра в невоз-
мущенной неподвижной воздушной атмосфе-
ре вне печи, 2 - “коридор” возможных измене-
ний давления внутри печи, 3 - “уточненный
коридор” возможных изменений давления
внутри печи, 4 - эпюра статических давлений
внутри печи в потоке дымовых газов при нали-
чии местных скачкообразных газодинамиче-
ских потерь на завихрения, 5 - местное сопро-
тивление в дверке поддувала, 6 - местное
сопротивление в хайле, 7 - местное сопротив-
ление в приоткрытой задвижке, 8 - местное
сопротивление в устье трубы.
при закрытой нижней задвижке
/рис.207-а/. Эта высотная эпюра дав-
лений в отсутствии протока газов
перерисовывается в круговую эпюру давлений 7 /рис.208/ с единствен-
ным перепадом давления - тягой Дрг на закрытой нижней задвижке 4
/на закрытой дверке поддувала/.
Как только нижняя задвижка 4 /дверка поддувала/ приоткрывается,
тотчас появляется проток газа. При этом единственный перепад стати-
ческого давления Дрг в замкнутом контуре перераспределяется -
появляются локальные перепады статического давления в местах мест-
ных гидродинамических сопротивлений /в нашем случае на задвижках/
из-за завихрений /турбулентностей/ и распределенные перепады дав-
ления по тракту течения из-за трения. Перепад статического давления
на нижней задвижке /дверке поддувала/ снижается, однако сумма пере-
падов статических давлений по замкнутому тракту течения не изме-
няется и сохраняется равной исходному движущему круговому перепа-
ду статического давления Дрг /эпюра 8/.
Каждый из перепадов статического давления в местах сопротивлений тратится на раз-
гон газов, но эти разгоны тотчас расходуются на преодоление /компенсацию/ сопротив-
лений движению. Так, например, постепенные перепады статического давления по трак-
ту, казалось бы, должны были бы разгонять газ, но ведь эти перепады статического дав-
ления и образовались только из-за необходимости противодействия появляющимся поте-
рям на трение. То есть, перепады статического давления /потенциальной энергии сжатия/
должны были бы расходоваться на повышение скорости движения - на повышение дина-
мического давления /кинетической энергии/. Но вследствие необходимости компенсации
потерь на турбулентности и трение этого не происходит /в отличие от случая идеальной
жидкости/. Можно рассуждать и наоборот - возникающие сопротивления вызывают
появление перепадов давления для сохранения поступательного движения газов.
Газодинамика конвективных систем
185
Собственно именно в этом проявляется тезис о снижении полного давления /суммы
статического и динамического давлений/ из-за сопротивлений. Так что, несмотря на нали-
чие перепадов статического давления, кинетическая энергия в контуре сохраняется.
Сохраняется и общая сумма перепадов статического давления в контуре, равная сумме
сопротивлений в контуре /см.стр.126/.
Говоря о круговом перепаде статического давления Дрг в контуре,
надо напомнить, что само понятие статического давления здесь по
физической сути является вторичным. Первичным же понятием являет-
ся вес столба газа /колена газа/, который и компенсируется появлением
статического давления газа /сжатия газа внизу/ так, чтобы столб газа не
падал бы самопроизвольно вниз под действием силы тяжести. По зако-
ну гидростатики при отсутствии движений газа статическое давление
внизу столба газа алгебраически равно /но не тождественно по физи-
ческому смыслу/ весу столба газа р = pgh. А горизонтальный перепад
давления вызывается разностью весов колен сообщающихся сосудов.
Вышеуказанное замечание сохраняет свою силу и при круговой цир-
куляции газа при наличии разности весов колен сообщающихся сосудов
/см.раздел 3.7.4/. Рассмотрим любую точку внизу контура вне задвижки
поз.4 /рис.208/. Параметры газа чуть левей от этой точки обозначим с
индексом “х”, а чуть правей - индексом “г”. При расположении этих точек
бесконечно близко друг к другу, можно принять, что статическое дав-
ление рх равно статическому давлению рг, а скорость Vx равна скорости
Vr. При равенстве высот колен hx = hr = h получаем из уравнения
Бернулли (рх + pxghx + pVx2/2) = (рг + prghr + pV2/2) + Дрвихр + Дртр уело-
вие движения (рх - pr)gh = Дрвихр + Дртр. То есть вся разность весов
колен оказывается равной невосполнимым потерям статического дав-
ления на завихрения и на трение. Вот эта величина разности весов
колен (рх - pr)gh и обозначена условно как круговой перепад Дрг /как
расчетный перепад статического давления при отсутствии протока/.
4.4.3.	Эпюра давления в допустимом “коридоре” значений
Невосполнимые потери давления /на завихрения и трение/ в левом
колене, имитирующем столб внешнего атмосферного воздуха, всегда
пренебрежимо малы по сравнению с невосполнимыми потерями дав-
ления внутри печи /рис.208/. Поэтому при экспресс-анализе можно рас-
сматривать вместо круговой эпюры некую высотную эпюру статических
давлений внутри печи, построенную на основе следующих соображений.
Распределения статических давлений в печи не могут выйти за пре-
делы “коридора” базисных величин рвх и рнх, задаваемых состоянием
186
Дровяные печи
Рис.210. Принципиальная схема модельной печи двух-
оборотная. Распределение статических давлений с при-
п.х. вязкой к базисным точкам приведено на рис.211.
атмосферы на уровнях устья трубы и подду-
вала /пода печи/ и изображенных штрихпунк-
тирными прямыми 2 /рис.209/. То есть стати-
ческое давление в любой точке печи не может
Б быть меньше, чем статическое давление в
воздушной атмосфере на уровне устья трубы,
а также не может быть больше, чем статическое давление в воздушной
атмосфере на уровне поддувала /пода/ печи. При этом прямая 1 отве-
чает эпюре статического давления в воздушной атмосфере вне печи.
Более того, распределения давлений в печи не могут выйти за пре-
делы “коридора” допустимых значений, ограниченного диштрихпунк-
тирными прямыми 3. Это обусловлено тем, что разница статических
давлений внутри печи и вне печи не может превышать величину круго-
вого перепада статических давлений Дрг. При этом правая прямая 3
отвечает эпюре статических давлений при закрытой трубе, а левая пря-
мая 3 - эпюре статических давлений при закрытом поддувале.
Задаваясь конкретными величинами коэффициентов сопротивле-
ния трения и коэффициентов газодинамического сопротивления /см.
стр. 126/, рассчитываем скорость газового потока V по известной
величине кругового перепада статических давлений Дрг = Z [£(pV2/2)J, а
затем рассчитываем величины перепадов давления. Например, в про-
стейшем случае безоборотной печи с четырьмя местными газодинами-
ческими сопротивлениями /поддувалом 5, хайлом 6, приоткрытой
задвижкой на трубе 7 и устьем трубы 8/ имеем эпюру статических дав-
лений 4 с четырьмя локальными перепадами давления /рис.209/.
Ломаная линия 4 вьется вокруг прямой 1, которая отвечает эпюре
статических давлений в воздушной атмосфере вне печи /или внутри
печи при полном отсутствии сопротивлений движению/. В результате
имеем участки всасывания /тяги/ после мест сопротивлений и участки
дымлений /напора/до мест сопротивления. Сумма величин локальных
перепадов статических давлений равна, как и прежде, величине круго-
вого перепада статического давления Дрг = (рх - pr)gh. Так, прикрывая
дверку поддувала, мы увеличиваем разрежение в топливнике, а при-
крывая задвижку на трубе мы уменьшаем разрежение в топливнике,
хотя в том и другом случае мы снижаем расход газов через печь.
Газодинамика конвективных систем 187
Для снижения перепада статического давления в устье дымовой
трубы /и повышения пожаробезопасности путем снижения избыточного
статического давления в трубе/ ранее, преимущественно в открытых
каминах, применяли расширяющиеся оголовки труб. Ведь раструб
уменьшает сопротивление истечения дыма из-за предотвращения эжек-
ционного увлечения внешнего воздуха и, вследствие этого, из-за сни-
жения торможения потока дыма /см. рис.151/. Из эпюры на рис. 209
видно, что снижение сопротивления устья трубы приводит к повыше-
нию разрежения /к снижению статического давления/ в топливнике.
4.4.4.	Эпюра давления в многооборотной печи
Рассмотрим печь /как и прежде в однородно нагретом состоянии/ мно-
гооборотную с закрытыми задвижками прямого/летнего, растопочного/
хода ПХ /рис.210/. Расчет эпюры давлений произведем по методике
предыдущего раздела. В качестве вертикальной пространственной
координаты примем не высоту, а расстояние по тракту течения от под-
дувала до устья трубы вдоль дымовых каналов /рис.211/.
Характерным отличием многооборотной печи является наличие уча-
стков с возрастающим статическим давлением вдоль по тракту течения
газов. То есть газ движется в опускных каналах
в сторону возрастания статического давления.
Такая ситуация зачастую ложно оценивается
печниками как невероятная, поскольку обычно
считается, что газ всегда самопроизвольно
стремится именно в сторону пониженных дав-
лений, а горячий газ - именно вверх. Поэтому
печники часто полагают, что нисходящие каналы
якобы “с трудом” пропускают горячие газы,
поскольку приходится преодолевать “противо-
давление”. Вследствие этого нисходящие кана-
лы стараются сделать пошире, чтобы дымовые
газы “легче шли” вниз.
Рис.211. Схематический вид эпюр статического давле-
ния вдоль тракта дымоходов L в модельной двухоборот-
ной печи с неизменной температурой газа в каналах.
Обозначения те же, что и на рис.209. Схема печи и распо-
ложение базисных точек приведены на рис. 210.
188
Дровяные печи
а)	6)
Рис.212. Высотные эпюры ста-
тического давления в модельной
печи с двухоборотным дымоходом
с учетом снижения температуры
дымовых газов вдоль по тракту
печи: а - при отсутствии потока
газов при закрытом поддувале, б
- при наличии потока газов с уче-
том местных газодинамических
потерь давления на завихрения
потоков газа. Обозначения и рас-
положения базисных точек те же,
что и на рис.209-211.
Вопреку этому расхожему
мнению, в факте повыше-
ния статического давления вдоль по тракту течения нет ничего необыч-
ного. Никого ведь не смущают вертикальные волны /изгибы/ на шланге,
по которому вода течет, например, из бака на эстакаде в бочку на земле,
хотя вода в шланге попеременно то поднимается вверх, то опускается
вниз. Действительно, повышение статического давления - это просто
следствие самопроизвольного сжатия объемов газа под действием веса
вышележащих объемов газа /при погружении объемов газа на большую
глубину/. А волны шланга /обороты/ - это просто сообщающиеся сосуды.
Для определения возможности движения газа надо сравнивать не
просто перепады статического давления, а перепады статического дав-
ления в газе именно на одном и том же высотном уровне /по горизонта-
ли/. Поэтому вернемся к высотным эпюрам, которые хотя и более гро-
моздки графически, но позволяют наглядно проводить подобные сопо-
ставления. Тем более, что такие эпюры могут легко учитывать снижение
температуры дымовых газов вдоль по тракту течения газов.
За базисную точку примем точку над устьем трубы А, где давление в
печи при отсутствии потока газа равно давлению во внешней атмосфе-
ре /рис.210/. Высотная эпюра статического давления во внешней воз-
душной атмосфере задана прямой 1 /рис.212/. Высотная эпюра стати-
ческого давления внутри печи для случая отсутствия потока газов
строится сверху из точки А вниз, как и прежде, путем добавления к
базисному давлению в точке А веса столба дымового газа внутри печи.
То есть сначала находим статическое давление в точке Б как сумму ста-
тического давления в точке А плюс вес столба газа АБ. Затем находим
статическое давление в точке В как разность статического давления
в точке Б минус вес столба газа БВ. И так далее по другим каналам.
Газодинамика конвективных систем
189
Если температура в колене АБ ниже, чем в колене БВ /а значит и вес
столба газа АБ больше, чем вес столба газа БВ/, то отрезок БВ рису-
ется круче, чем отрезок АБ. Продолжая такие построения, получаем
ломаную линию АБВГДЕ, отвечающую случаю отсутствия потока газов,
но наличия снижений температуры газов вдоль по тракту печи от топки
до устья трубы /рис.212-а/. Ясно, что при отсутствии снижения темпера-
тур (при равенстве температур всюду во всех коммуникациях печи)
отрезки ломаной линии АБВГДЕ сливаются воедино в некую прямую
АЕ. Если же температура меняется не только скачками в местах пово-
ротов (разворотов) потоков, но и постепенно /непрерывно в пределах
каждого канала из-за охлаждения на стенках/, то отрезки прямых меж-
ду буквами превращаются в кривые (без изменения качественных зако-
номерностей).
Из рис.212-а видно, что при отсутствии потока газов статическое давление в точках Б и
Г оказывается большим, чем в точке Е. Это означает, что если при закрытом поддувале
делать некие малые пробные отверстия /байпасы, прогары, “сухие швы’7 из точек Б или Г
в точку Е, то появится встречный поток газа - циркуляционный. В частности, это является
причиной появления циркуляций дыма в топливнике при растопке печи. Как будет показано
ниже, при открытии поддувала возможность появления такого явления пропадает.
В случае открытого поддувала /при появлении потока газов/ в точках
разворотов потоков газа возникают местные газодинамические сопро-
тивления на завихрения. Эпюра давлений при этом резко изменяется
/рис.212-6/. Появляются перепады давления в поддувале и в устье
дымовой трубы, а также в точках разворотов, “растаскивающие” отрез-
ки АБ, БВ, ВГ, ГД, ДЕ “в стороны”. Статическое давление в точках Б и Г
становится меньшим, чем в точке Е, то есть возможность циркуляцион-
ных явлений в байпасах исчезает. Интересен факт наличия в точках В и
Д большего статического давления, чем в устье дымовой трубы. Это
означает не просто возможность появления дымления из щелей печи в
окрестностях этих точек, но и возможность выбивания пламени нару-
жу, несмотря на наличие тяги трубы. В то же время в точках Б и Г имеют-
ся значительные разряжения, повышающие пожарную безопасность
печи при возможных нарушениях герметичности стенок в этих точках.
4.4.5.	Эпюра давления в двухярусной печи
Аналогичный анализ конвективных явлений можно произвести по
высотным эпюрам статического давления и для двухярусных печей: кол-
паковых /рис.213-а/ и канальных оборотных-противоточных /рис.213-б/.
190
Дровяные печи
Рис.213. Эпюры статического давления в двухярусной печи с учетом снижения темпе-
ратуры дымовых газов вдоль по тракту течения: а - схема колпаковой печи, б - схема
канальной печи, в - высотная эпюра при отсутствии потока газов, г - высотная эпюра при
наличии потока газов. Базисные точки идентифицированы заглавными буквами.
Сплошная прямая линия 1 - распределение статического давления во внешней воздуш-
ной атмосфере. Пунктирная ломаная линия 4 - распределение статического давления
внутри печи при наличии протока газов с учетом местных газодинамических потерь.
Качественный вид эпюр давления в колпаковой и канальной печах
одинаков как в случае отсутствия потока газов /рис.213-в/, так и при
наличии потока газов /рис.213-г/. Подтверждается высокое значение
величин статического давления у перекрыт колпаков и в перевалах
каналов в точках В и Д, особенно при наличии потока газов /рис.213-г/.
Разница давлений в точках Б и Д, не существенная в случае малых
потоков газа /рис.213-в/, становится значительной при больших пото-
ках газов, то есть задвижка прямого /летнего/ хода должна с очевид-
ностью прикрываться на стадии активного пламенного горения дров.
Отличие колпаковой схемы /рис.213-а/ от канальной оборотной-про-
тивоточной схемы /рис.213-б/ заключается в возможности циркуляции
газа /обратного тока/ в колпаке при малых расходах газов через печь
под действием повышенного давления в точке Б относительно точки И
/рис.213-в/. В канальной же схеме такая циркуляция предотвращена
глухими стенками подъемного канала. Но при большом расходе газа
наличие местных газодинамических потерь давления прекращает цир-
куляционное движение газов в колпаках обоих ярусов, поскольку дав-
ление в точке И становится больше, чем давление в точке Б., а давле-
ние в точке Е становится больше, чем давление в точке Г /рис.213-г/.
Газодинамика конвективных систем
191
4.5.	Особенности течений в полостях и каналах
Таким образом, из расчетных эпюр рис.213 следует общий нетриви-
альный вывод - при малых расходах газов в полостях (колпаках) преоб-
ладают циркуляционные процессы, а при увеличенных расходах газов
в полостях (колпаках) преобладают проточные процессы с подавлени-
ем циркуляций газов.
Этот важный результат является следствием двух принятых фактов -
наличия постепенного снижения температуры /охлаждения/ дымовых
газов вдоль по тракту печи /а значит, и наличия разных весов столбов
газов в сообщающихся коленах/ и наличия сопротивлений /необрати-
мых потерь давления/ на трение или завихрения.
Любая печная конвективная система (как последовательность полостей и каналов) по
крайней мере в двух точках соединена с внешним пространством. Как уже неоднократно
напоминалось, в этой системе можно «нарисовать» два типа замкнутых кривых траек-
торий движения газов.
Первый тип - это сквозные траектории, проходящие по всему внутреннему тракту
печи, выходящие наружу и затем вновь входящие в печь. Это вентиляционные траектории,
замыкающиеся вне печи.
Второй тип - это круговые траектории, располагающиеся только внутри печи и не вы-
ходящие наружу. Это циркуляционные траектории, замыкающиеся “сами на себя” внутри
печей /см.раздел 3.4/.
Вентиляционные течения обусловлены наличием гравитационной самотяги печи, в
том числе и дымовой трубы. Тем не менее, такие течения печники часто называют услов-
но «вынужденными или принудительными движениями газов», поскольку они подобны
/но далеко не тождественны/ приточно-вытяжным течениям, возникающим с помощью
механических вентиляторов. Ранее, описывая такие самопроизвольные вентиляционные
течения, мы воспользовались термином “транзитных движений газов”, чтобы пояснить
физическую природу течений и дистанцироваться от действительно принудительных дви-
жений газов под действием механических вентиляторов /см.раздел 3.6.5/.
Циркуляционные течения обусловлены температурной и газодинамической неодно-
родностью потоков газов в полостях. Именно циркуляционные течения часто называют
условно «свободными движениями газов внутри полостей» в том смысле, что они не оп-
ределяются самотягой печи, в том числе и дымовой трубы.
Если раньше считалось, что итоговые течения в печи оцениваются
суммированием движений по сквозным вентиляционным и внутренним
циркуляционным.траекториям, то сейчас уточняется, что при больших
192
Дровяные печи
Рис.214. Различия течений газов в поло-
стях и каналах: а - исчезновение турбулент-
ности при переходе потока газа из канала в
полость /колпак/, б - появление циркуляции
газов при переходе потока горячего газа из
канала в холодный колпак.
расходах газов сквозные вентиля-
ционные течения становятся пре-
обладающими, а внутренние цирку-
ляционные течения - несуществен-
ными. Полости приобретают свойства прямоточных каналов. То есть,
колпаковые печи /рис.205, черт.6 и 7/ “со свободными движениями газов
внутри полостей” при больших расходах дымовых газов могут превра-
титься по сути в канальные печи /с изменяющимися сечениями кана-
лов, но с однонаправленными вентиляционными потоками/.
4.5.1.	Разграничение понятий полостей и каналов
Печные полости /и колпаки/ соединены между собой и с внешней
атмосферой различного рода отверстиями и каналами /в том числе воз-
духозаборными отверстиями-поддувалами и дымовыми трубами/. Так
что печь представляет собой последовательную совокупность полостей
и каналов, соединенных воедино гидравлически и объединенных
общим /одним и тем же/ сквозным вентиляционным потоком газа.
Полости печи отличаются от каналов в первую очередь чисто геомет-
рически - большей площадью поперечного “живого” проходного сече-
ния. По сути, полости - это расширенные каналы или повороты.
Во-вторых, поскольку массовый расход газов по тракту печи остается
неизменным, то линейные скорости продвижения дымовых газов по
каналам оказываются более высокими, чем по полостям. Значит, поло-
сти - это каналы с малой скоростью транзитных течений. При такой
постановке вопроса ясно, что снижение скорости газового потока в печи
эквивалентно трансформации каналов в некие проточные полости.
В-третьих, в печной практике обычно полагают, что каналы имеют
однонаправленные потоки газов, а в полостях возможны и разнона-
правленные /встречные, циркуляционные/ потоки, в том числе и “сво-
бодные”, не зависящие от факта наличия протока газов через всю печь.
Ясно при этом, что переходы газов из каналов в полости /и наоборот/
могут сопровождаться перестройками характера течений газов.
Газодинамика конвективных систем
193
Чем больше вязкость газа /то есть, чем горячей газ/, тем меньше веро-
ятность возникновения разнонаправленности потоков /в том числе и
турбулентностей/, поскольку за счет вязкости один поток может увлечь
за собой другой поток /даже встречный, но малоэнергичный/. Такое
явление вязкого увлечения называется эжекцией /см. раздел 2.5.5/.
Для качественной оценки возможности сосуществования разнона-
правленных потоков, надо сопоставить импульс газа (инерцию) pV2 с
силой вязкого взаимодействия потоков /в том числе и с силой противо-
действия встречному движению/ pdV/dx = pV/L, где dV/dx - градиент ско-
рости, L- поперечный размер канала, р - коэффициент динамической
вязкости /рис.81/. Полученное безразмерное соотношение указанных
величин Re = pVL/p называется числом Рейнольдса /см.раздел 2.5.2/.
Число Рейнольдса отражает, образно говоря, время /продолжитель-
ность/, за которое встречные потоки станут спутными, то есть как
быстро силы вязкости подавят имеющиеся встречные движения газов.
Малые величины числа Рейнольдса означают, что встречные потоки
погасят сами себя быстро и превратятся в спутные. То есть малые
числа Рейнольдса отвечают не просто ламинарным потокам, но и обя-
зательно спутным /при наличии непосредственного контакта потоков/. Из
числа Рейнольдса следует, что при фиксированной величине линейной
скорости V малым диаметрам проходов /то есть каналам/ соответству-
ет однонаправленное /ламинарное/ движение, а большим диаметрам
проходов /то есть полостям/ соответствует возможность разнонаправ-
ленных/турбулентных или циркуляционных/ движений газа.
Однако, в печах фиксированы /то есть неизменны по тракту течения/
не линейные скорости потоков, а массовые расходы газов G = pVS, где
S = L2 - площадь поперечного сечения канала или полости. Тогда из
числа Рейнольдса Re = G/Lp, выраженного через массовый расход,
следует, что при сохранении массового потока газа G = const в после-
довательно соединённых каналах и полостях числа Рейнольдса будут
больше именно в каналах/с малыми L/, а не в полостях/с большими L/.
То есть газ в печи, подвергнутый /может быть, и однократно/ механи-
ческому возмущению в какой-либо точке, будет «успокаиваться»
быстрее в полости, чем в канале. В соответствии с этим и турбулент-
ность возникает при Re = 2300 вначале в каналах, и лишь потом в поло-
стях, а в крупных полостях может не возникнуть вовсе. Это известный
факт - пульсации газа в трубах затухают медленнее, чем в сосудах
/ресиверах/. Так, в системах автомобильного выхлопа рев двигателя
удается подавить отнюдь не трубами, а именно полостями - глушите-
лями /в том числе с тупиковыми ответвлениями - резонаторами/.
194
Дровяные печи
Рис.215. Общий характер тече-
ний газов в полостях и каналах: а -
продув холодного газа через холод-
ную печь /’’модель глушителя”/, б -
малая скорость горячих газов, в -
средняя скорость горячих газов, г -
высокая скорость горячих газов.
Применительно к печам это
означает, что в каналах,
например, с проходным сечением 12x12см /”в полкирпича’7, турбулент-
ность наступает в случае температуры газа 20°С при линейной скоро-
сти газа 0,25 м/сек (при объемном расходе газа 14 нмЗ/час), а в случае
температуры газа 300°С - при линейной скорости газа 1,0 м/сек (при
объемном расходе газа 50 нмЗ/час). При характерных объемных рас-
ходах газов в типичных печах 50-200 нмЗ/час (то есть “нормальных
кубов” - приведенных к температуре 20°С) газ в каналах находится в тур-
булентном состоянии, а в полостях (с проходными сечениями в
несколько раз большими) - в ламинарном состоянии /рис.214-а/.
Такой результат представляется с первого взгляда неожиданным -
ведь печники обычно считают, что именно для полостей характерны
“свободные закрутки” газов. Но печники имеют ввиду не турбулентные
встречные движения в полостях, а именно циркуляционные встречные
движения в полостях за счет упорядочных всплытий горячих газов.
Поэтому сопоставим силу архимеда всплытия (Px-Pr)QH = рдНДТ/Т с
силами вязкости pV/L, где ДТ - разница абсолютных/то есть в градусах
Кельвина/ температур газа и стенок, Н - высота полости (колпака), L-
размер проходного сечения потока газа. Полученное отношение ука-
занных величин Gr = pgHLAT/pVT = р2дН1_Здт/р6Т называется числом
Грасгофа и отражает, образно говоря, время /продолжительность/, за
которое силы вязкости подавят в полости циркуляции газов - встречные
движения восходящих горячих и нисходящих холодных газов.
Большие значения числа Грасгофа Gr отвечают «активной» полости,
в которой всё бурлит /циркулирует/ от «свободного движения всплы-
вающих газов» /рис.214-6/. Активность циркуляций в полости снижает-
ся при росте массового расхода газов G /именно сквозного транзитно-
го/, с уменьшением разницы температур горячего газа и холодных сте-
нок ДТ и особенно с уменьшением размеров полости Н1_3 /рис.215/.
Малые значения числа Грасгофа Gr отвечают “мертвой” полости, в
которой потоки газа не только ламинарны, но и однонаправлены.
Газодинамика конвективных систем
195
4.5.2.	Виды встречных течений
Ранее /см. раздел 3.7.1/ было введено понятие безразмерного числа
Архимеда Аг = (рх - Рг)дН/р\/2 = дНДТ/Т\/2 как соотношения кинетиче-
ских энергий циркуляционного и вентиляционного /сквозного/ потоков
газов в полости. Видно, что безразмерное число Грасгофа равно про-
изведению безразмерных чисел Архимеда и Рейнольдса Gr = ArRe.
Отсюда следует, что встречные течения могут реализовываться либо
при больших числах Архимеда Аг /то есть при свободноконвективных
циркуляциях/ или при больших числах Re /то есть при турбулентностях/.
Напомним, что сквозные вентиляционные течения являются по сути также циркуля-
ционными /рис.172-а/, но замыкающимися во внешней воздушной атмосфере /рис. 172-6/.
При этом вентиляционные течения в печах могут быть и встречными /рис.216/. То есть в
печи в принципе могут существовать не только восходящие вентиляционные течения 1
/’’прямая тяга’7, но и нисходящие 2 /’’обращенная тяга’7.
Ясно, что одновременное присутствие восходящих и нисходящих вентиляционных
потоков отвечает случаю отсутствия тяги /однонаправленности/, когда газы могут “течь
свободно” /в том числе хаотично, произвольно, неупорядоченно/. Но в то же время, нис-
ходящие вентиляционные потоки не могут рассматриваться как “тонущие” в горячих газах,
поскольку любой столб газа в печи /как колено сообщающихся сосудов/ легче /поскольку
теплей/, чем столб газа вне печи /см. раздел 3.7.4/. Иными словами, восходящие горячие
течения могут просто “вольно” всплывать в среде произвольно опускающихся холодных
газов /например, из-за порывов ветра/. Но нисходящие
течения могут стать и упорядоченными /и подавить вос-
ходящие/ за счет “обратной тяги”, когда нисходящий
поток нагревается в топке от горящих дров и исходит не
через трубу, а через дверцу топливника.
Указанные встречные вентиляционные течения
можно формально рассматривать как суперпозицию
многочисленных контуров циркуляционных /’’свобод-
ных”/ течений, которые в смежных точках взаимно ком-
пенсируют /’’зануляют”/ свои встречные течения. Так, в
точке 3 течение в нижнем контуре компенсируется
а)
б)
Рис.216. Вентиляционные /восходящие 1 и нисходя-
щие 2/ и циркуляционные Ц течения. Г - горячий газ, X -
холодный газ.
196
Дровяные печи
Рис.217. Виды течений в полости: а - турбулент-
ный поток в канале становится ламинарным в поло-
сти, б - медленный горячий поток растекается по
потолку и равномерно опускается по всему сечению
“колпака” к выходному отверстию, в - ускоренный
горячий поток, опускаясь преимущественно струей
у правой стенки, создает в полости свободно-кон-
вективную циркуляцию Ц за счет разных весов стол-
бов газа в разных зонах полости, г - струя газа за
счет вязкости увлекает за собой газ Э в полости
/эжекция/, д - струя газа засасывает газ И из полости
в области пониженных статических давлений около
узких входных и выходных отверстий /инжекция/.
встречным течением в верхнем контуре, и два цир-
куляционных контура сливаются в один /рис.216-6/.
По этому механизму все циркуляционные контуры
могут преобразовываться в единый вентиляцион-
ный контур, замыкающийся вне печи. И, наоборот, вентиляционные траектории могут пре-
образовываться в циркуляционные контуры, если впереди появляется препятствие для
вентиляционного потока /например, заужение/, когда каналы по сути превращаются в
полости. Известно, что при прикрытии задвижки на дымовой трубе в топке перед откры-
той дверкой могут появиться “клубы дыма” 4 /рис.216-6/.
Кроме турбулентностей и циркуляций к встречным движениям можно
отнести также эжекционные и инжекционные течения /см. раздел 2.5.5/.
Для развития эжекционных течений необходимы изменения /гради-
енты/ скорости газов поперек течений/нужны проскальзывания слоев/,
чтобы в полости возникли силы вязкости. Если циркуляционные течения
могут течь встречно транзитному потоку на границе горячей струи
/рис.217-в/, то эжекционные течения на границе потока всегда спутные
и могут быть встречными только на стенках полости /рис.217-г/.
Отметим, что эжекционные течения могут создавать эффект тяги -
засасывания газов /рис. 153/. В частности в горячей трубе возникает
пристеночный конвективный поток нагревающегося газа, который увле-
кает за счет вязкости приосевые зоны холодного газа вверх/рис.218/. В
результате, вследствие постоянства величины массового расхода газа
по трубе, на входном /нижнем/ участке трубы появляется разрежение и
поток холодного газа в трубу. Такой эжекционный механизм появления
тяги отличен от традиционного механизма, обусловленного всплытием
транзитного горячего газа в ограниченном пространстве трубы /рис.219/,
Газодинамика конвективных систем
197
Рис.218. Компьютерный расчет меха-
низма появления тяги в горячей трубе
500°С диаметром 50 мм и длиной 500
мм - нагревающийся и поднимающийся
у горячих стенок трубы газ увлекает за
собой за счет вязкости холодный при-
осевой газ / А.Г.Богаченков/.
тем, что горячий газ не заполняет
все сечение трубы. Но ведь и при
заполнении всей дымовой трубы
горячим газом, у стенок всегда
остаются пристеночные зоны
холодных газов, которые увле-
каются вверх именно вязкостью.
Для развития инжекционных течений в полости необходимы высо-
кие линейные скорости в районе входных или выходных отверстий
полости, чтобы разрежения там стали значительными /рис.217-д/.
4.5.3.	Течения остывающих газов в каналах
Банальной особенностью печей является неуклонное охлаждение
горячих дымовых газов вдоль по тракту конвективной системы. Это
обусловлено тем, стенки печи изначально холодней дымовых газов, и
стенки нагреваются за счет охлаждения дымовых газов. Собственно,
охлаждение дымовых газов и является основной задачей печи.
При охлаждении газ “сжимается” в том бытовом смысле, что умень-
шается объем газа из-за повышения плотности газа р, хотя статическое
давление при изобарическом охлаждении не повышается. Значит, в
канальных печах с постоянным /неизменным/ проходным сечением
каналов S линейная скорость V движения дымовых газов неуклонно
снижается из-за сохранения массового расхода G = pVS по тракту печи.
ши
Рис.219. Если трубу 1 установить над пламенем 2, а потом трубу 1
сдвинуть вбок, то пламя 3 будет по прежнему стремиться в трубу
/эффект тяги/. Это объясняется тем, что горячий газ в трубе, поднима-
ясь, засасывает “как поршень” холодный газ через нижний срез трубы,
а потоки холодного газа Хт в свою очередь увлекают за собой в трубу и
потоки горящих горючих газов /пламена/.
198
Дровяные печи
р
р
т
Рис.220. Снижение температуры Т2 <Т-| /при постоянстве
проходного сечения канала S/ приводит к снижению линейной
скорости V, к повышению плотности газа р и статического
давления р, что обнаруживается по появлению обратного
/встречного/ потока в шунте /термоинжекция/.
Но если линейная скорость газа в канале
постоянного проходного сечения неуклонно сни-
жается, то, значит, неуклонно повышается стати-
ческое давление вдоль по тракту /рис.220/.
Действительно, само по себе охлаждение газа не обладает способ-
ностью к механическому воздействию, и торможение потока остываю-
щего газа возможно лишь при возрастании статического давления.
Из уравнения Бернулли р + pV2/2 = р + GV/2S = р + G2/2pS2 = const сле-
дует, что при постоянстве массового расхода газов G статическое дав-
ление р в потоке “самопроизвольно” возрастает либо при расширении
канала /то есть при увеличении проходного сечения канала S при посто-
янстве плотности газа р/, либо при снижении температуры Т /то есть при
увеличении плотности газа р при постоянстве проходного сечения S/.
Иными словами, охлаждение горячего газового потока в трубе посто-
янного сечения /рис.221-б/ газодинамически эквивалентно расширению
холодного потока /рис.221-а/, поскольку при расширении потока линей-
ная скорость потока тоже снижается.
Это значит, что для обеспечения посто-
янства статического давления по трак-
ту надо уменьшать проходное сечение
охлаждающегося потока /рис.221-в/, то
есть, в частности, делать каналы кон-
вективной системы уже, чем топливник.
Указанные обстоятельства являлись
не существенными при рассмотрении
невязких газов, в которых статические
Рис.221. Сужение трубы для потока холодного
газа (а) газодинамически эквивалентно нагреву
газа в трубе постоянного проходного сечения (б).
Для обеспечения постоянства статического дав-
ления нагре газа надо сопровождать расширени-
ем потока (в).
Газодинамика конвективных систем
199
Рис.222. Канальная печь: а - обычная тра-
диционная схема с каналами неизменного
проходного сечения /максимальная скорость
дымовых газов достигается в хайле/, б -
схема с расширяющимися каналами, имити-
рующая схему (а) при продувке холодным
газом, в - схема с сужающимися каналами /с
постоянством динамического давления/.
давления восстанавливались при
т3 < т2 < т.
а)
В)
возвращении величин проходного
сечения и температуры к исходным значениям. Но в реальных газах
имеются необратимые потери давления Дрг из-за турбулентности и
вязкости, пропорциональные динамическому напору Дрг = ^(pV2/2). Так
что уменьшение общего сопротивления печи требует обеспечения
постоянства статического давления вдоль по тракту печи.
На практике это требование соблюдается далеко не всегда, и не толь-
ко из-за недоучета потерь, но и из-за сложностей технического вопло-
щения каналов с изменяемой геометрией. Так, в традиционной оборот-
ной канальной печи максимальная скорость дымовых газов достигает-
ся в месте сужения потока в хайле /рис.222-а/. Это приводит в перегре-
ву и растрескиванию кирпичной кладки в этом месте /из-за повышен-
ной теплопередачи при высокой скорости горячего потока/, а также к
неоправданным потерям давления из-за повышенных сопротивлений
^pV2/2 = ^GV/2S. По сути, схема рис.222-а газодинамически эквива-
лентна холодному аналогу с расширяющимися каналами рис.222-б.
Схема рис.222-а может быть газодинамически оптимизирована введе-
нием сужающихся каналов /рис.222-в/, обеспечивающих постоянство
линейной скорости /или постоянство статических и динамических дав-
лений/остывающих дымовых газов вдоль по тракту печи. Графическая
оценка по расчетным эпюрам давле-
ния показывает, что расширение
хайла приводит к снижению сопротив-
ления печи и к повышению разреже-
ния в топливнике /рис.223/.
Рис.223. Эпюры статического давления: а -
для традиционной схемы рис.222-а, б - для
условно оптимизированной схемы рис.222-б.
200
Дровяные печи
Рис.224. Медленные ламинарные течения: а - в
горячем /теплоизолированном/ горизонтальном кана-
ле, б - в холодном /охлаждаемом/ горизонтальном
канале, в-в холодном /охлаждаемом/ колпаке или
перевале.
Охлаждение газа при течении в канале по-житей-
ски м представлениям может трактоваться как умень-
шение количества газа или даже как “исчезновение”
объема. Например, представим себе, что по трубе
течет газообразный водяной пар, и вдруг на некото-
ром участке водяной пар конденсируется - образуется
вакуум, который и засасывает новые порции водяного
пара из трубы. То есть, охлаждение газа, казалось бы,
должно производить действие всасывающего насоса и проявляться как некая тяга в кана-
ле в сторону более холодных зон потока /”в зону охлаждения”/.
Но такой подход справедлив только для нестационарных условий, например, когда гер-
метичная канистра с воздухом, охлажденная на морозе, при открытии крышки хлопком вса-
сывает внешний воздух, поскольку в ней при охлаждении воздуха образовалось пони-
женное давление. Мы же рассматривали стационарный режим, то есть те процессы, кото-
рые произошли бы в канистре после первичного всасывания в условиях, но когда “вса-
сывание” надо было бы продолжать бесконечно долго. В таком случае пришлось бы уста-
навливать не просто систему постоянного охлаждения, но и насос для откачки газа и про-
должения всасывания. Но мы в печи никаких насосов не имеем. Поэтому и картина тече-
ния оказывается кардинально иной, нежели в момент открытия охлажденной канистры.
При течении в горизонтальном охлаждаемом канале объемы осты-
вающего газа стремятся стекать струями в нижнюю придонную часть
канала. При турбулентном течении хаотические вихри все смешивают в
канале и выравнивают температуру газа по сечению канала. Но при
ламинарном течении неизбежно возникает высотное расслоение газа по
температурам с образованием припотолочного слоя горячего газа
/рис.224-б/. Вместо обычной самотяги канала /как полностью запол-
ненной горячим газом полости/ появляется абсолютно иной эффект в
виде напора “реки горячего газа” на потолке, когда утоньшающийся /за
счет охлаждения/ слой горячего газа растекается по потолку “как вода
под уклон” /см. рис.174/. Этот напор не зависит от величины самотяги
трубы, аналогичен напору водоводного течения и символизирует пере-
ход канала в “режим колпака” /рис.224-в/.
Газодинамика конвективных систем
201
4.5.4.	Течения остывающих газов в полостях
В ламинарных полостях /колпаках/ горячие газы тоже стремятся само-
произвольно всплыть вверх к потолку/перекрыше/, затем, накапливаясь
на потолке “горкой” /по гидравлической аналогии рис. 106/, растекаются
по потолку, охлаждаются и “пропадают” - превращаются в холодные
газы, которые опускаются /вернее, вытесняются/ вниз.
Горячие течения дымовых газов и в настоящем разделе могут быть и “водоводными”, и
“водопроводными”. Но сама гидравлическая модель для случаев остывающих газов не
вполне удачна, так как горячие газы, охлаждаясь, превращаются в холодные /то есть по
гидравлической аналогии вода сама по себе как-бы куда-то исчезает, например, быстро
“испаряется”/. Так что термины “водоводные” и “водопроводные” тоже весьма условны.
Особо отметим, что при высоких линейных скоростях перемещения /при наличии доста-
точно большого импульса движения/ горячие потоки могут двигаться по инерции вопреки
“естественному” стремлению всплыть вверх. При этом горячие потоки могут “проскакивать”
мимо колпаков, закручиваться, поворачивать в любом направлении, в том числе и с дви-
жением вниз. Инерционные движения зависят исключительно от конструктивных осо-
бенностей конкретной схемы аппарата, поэтому здесь рассматриваться не будут.
Простейший случай подобных течений
- потоки газов в курной избе /рис. 163/.
Известно, что курные помещения пред-
ставляли собой первые древние печи, у
которых топливником служило само
отапливаемое помещение - пещера,
нора, яма, землянка [108-111]. Курные
помещения являются также и прототи-
пом горнила духовых сводовых печей .
При слабом огне /то есть при малых
мощностях теплового источника/ горячие
дымовые газы, поднимаясь и растекаясь
вдоль по потолку, быстро охлаждаются.
Известно, что в большом высоком холод-
ном /например, промороженном/ поме-
Рис.225. Течения горячего дыма в курной избе
при разных степенях разгорания дров в очаге
/каменке/: а - с выпуском дыма в верхнее выпускное
отверстие /дымник/, б - с выпуском дыма в дверь.
большая мощность очага
202
Дровяные печи
Рис.226. “Водоводные” течения горячего газа в
колпаках: а - при малом расходе горячего газа
/струйка сигаретного дыма в опрокинутом стака-
не/, б - затрудненность входа горячего газа в узкие
зазоры /колпачки/ наверху колпака, в - при боль-
шом расходе горячий газ не успевает входить в
колпак, г - подача горячего газа с разгоном вверх.
Обозначения: г - горячий газ, х - охладившийся газ.
щении все тепло от маломощной элек-
троплитки уходит “куда-то” вверх и
назад не возвращается. Так что картина горячих течений не сильно
изменяется при переносе вытяжного отверстия /дымника/ с потолка
/рис.225-а/ в проем двери /рис.225-б/, то есть при переходе от проточной
полости к тупиковому колпаку.
При увеличении мощности теплового источника /или, что одно и то
же, при утеплении стен помещения/ все тепло уже не успевает /или не
может/ поглотиться потолком помещения. При организации выпуска
дыма через потолочное отверстие нагревается лишь потолок, а при
выпуске через проем двери прогреваются и верхние части стен. Здесь
уже начинает в какой-то степени выполняться гидравлическая аналогия,
поскольку первично горячий газ в какой-то степени начинает покидать
помещение в горячем состоянии.
И наконец, при большой мощности теплового источника горячий
дымовой газ уже не в состоянии “свободно” вытечь через потолочное
вытяжное отверстие, накапливается в виде припотолочного горячего
слоя /’’пирога” по банной терминологии или “мешка” по терминологии
В.Е.Грум-Гржимайло/, что создает напор в вытяжном отверстии и при-
водит к увеличению расхода горячего газа через отверстие и к возмож-
ности удалять все возникающие при горении дымовые газы. Если же
даже и при наличии избыточного давления у потолка горячие газы “не
успевают” выйти через потолочное отверстие /дымник/, то они начинают
вынужденно выходить через верх дверного проема. То есть, при умень-
шении проходного сечения потолочного вытяжного отверстия горячие
дымовые газы все больше заполняют помещение “теплом” сверху вниз.
Аналогично обстоит дело и в печных колпаках, расположенных внут-
ри печи в виде вертикальных тупиковых ответвлений в печных каналах
/рис.226/. Так при малых скоростях подачи горячие газы подобно “дымку
от сигареты” поднимаются вверх к потолку и опускаются только охла-
дившись /рис.226-а/. Но по мере увеличения расхода горячий газ все в
Газодинамика конвективных систем
203
Рис.227. Течения “водопроводного типа” под действи-
ем тяги трубы: а - в проточных полостях, б - в тупиковых
колпаках, в-в проточном колпаке, г - горячие дымовые
газы, х - охладившиеся дымовые газы, и - “избыточный”
воздух, не нагревшийся от пламени.
большей степени заполняет объем колпака,
что затрудняет подъем новых порций горячих
газов в колпак из-за снижения величины сил
Архимеда. Еще большие затруднения могут
вызвать силы вязкости, в наибольшей степе-
ни проявляющиеся в узких высоких колпаках.
Ведь возвращающиеся сверху охлажденные
газы препятствуют входу в колпак снизу “све-
жих” горячих газов.
Так что, расхожее среди части печников
утверждение о том, что печные колпаки могут
иметь произвольную форму /без снижения
эффективности отбора тепла/, не соответ-
ствует действительности. Так, если колпак наверху разбить еще на мно-
жество узких колпачков /рис.226-б/, то доступ тепла к потолку может
совсем прекратиться из-за устранения доступа горячего газа к потолку.
Это известное явление /’’огонь в пещеру не идет”/ лежит в основе утеп-
ляющих свойств меха животных /рис.226-в/. Для заполнения колпака
горячим газом приходится вводить порой горячий газ энергично с боль-
шой скоростью снизу вверх, чтобы силами инерции “пробить колпак”
доверху /рис.226-г/. Не выдерживает критики и другое расхожее утвер-
ждение, что колпак имеет большую эффективность отбора тепла по той
причине, что горячие газы, мол, долго “крутятся” в колпаке, не имея воз-
можности выйти, не охладившись. Но ведь если горячий газ долго “кру-
тится” там, то, значит, и “свежий” горячий газ долго не может войти туда.
В реальных печных колпаках максимум
температур газов может достигаться не на
потолке /перекрыше/, а в центральных
Рис.228. Схема пламенной отражательной печи: 1 -
пламя, 2 - раскаленный свод, 3 - тепловое излучение
со свода, 4 - ложе ванны для теплоизоляции. 5 - шихта
кусковая, 6 - нагретая шихта.
'4	5Х6
204
Дровяные печи
Рис.229. Траектории ламинар-
ного течения газов в локально
обогреваемом колпаке: а - сла-
бый нагрев, б - средний нагрев, в
- сильный нагрев. 1 - транзитный
поток, 2 - нагреватель стенки
/мощность указана числом
линий/, 3 - циркуляционный
поток, 4 - результирующий поток.
зонах колпака [112]. То есть колпак становит-
ся средством предотвращения перегрева
перекрыши. Так, максимальная температура чугунных варочных насти-
лов достигается в дровяных кухонных плитах именно при облизывании
настила языком пламени, то есть в режиме полнопроточной полости
/рис.227-а/, а не в режиме тупикового колпака /рис.227-б/. При “объеди-
нении” колпаков с помощью верхнего соединительного отверстия обра-
зуется “растянутый” колпак, который начинает проявлять себя как про-
точная полость /как расширенный вверх участок канала/, в которой
транзитный поток захватывает и припотолочные зоны /рис.227-в/.
Мелкие /не глубокие/ колпаки характерны для технологических пламенных “отража-
тельных” печей, в которых, как считал В.Е.Грум-Гржимайло, под сводом образуется
“мешок горячих газов”, постепенно догорающих за счет высоких температур /рис.228/.
Однако, для догорания горючих газов необходимы не только высокие температуры, но
и кислород, так что подъем в колпак “горячих горящих горючих” газов должен сопровож-
даться подъемом и некоторого количества “избыточного” воздуха для обеспечения горе-
ния и предотвращения дымления пламени /см. раздел 5/. Но избыточный воздух не имеет
высокой температуры и в колпак самостоятельно попасть не может.
Поэтому концепция “мешка горячих газов” применительно к топливникам бытовых
печей должна домысливаться в плане обеспечения подачи воздуха в “мешок” /колпак/,
например, методами динамического продува для обеспечения бездымного сгорания.
Течение газов в колпаке можно пояснить на модели колпака с нагре-
ваемой левой боковой стенкой, имитирующей нагревательное действие
пламени /рис.229/. Предположим, что расход горизонтально поступаю-
щего слева холодного газа 1 фиксирован - постоянен по времени и
неизменен по величине /’’двухлинейный” расход/. Если мощность нагре-
ва стенки незначительна, то мала и циркуляционная конвекция - напри-
мер, “однолинейная” /рис.229-а/. В таком случае, циркуляционный поток
3 “зануляет” одну линию поступающего холодного потока 1 с образова-
нием “однолинейной” транзитной траектории 4 внутри колпака.
Газодинамика конвективных систем
205
Рис.230. Виды полостей: а - полнопро-
точная полость, б - колпак, в - оборотный
канал с расширением.
Если же мощность нагрева
стенки увеличить до “двухлиней-
ного” уровня циркуляционной кон-
векции, то в канале “занулятся” обе линии поступающего холодного
потока 1 /рис.229-б/. То есть в этом случае весь входящий холодный
воздух 1 нагревается и устремляется к потолку, а потом, охлаждаясь,
возвращается в канал. При еще большем нагреве, обеспечивающем
“трехлинейный” уровень циркуляционной конвекции, в колпаке возник-
нет результирующий поток 4, складывающийся из сквозного транзитно-
го потока 1 и встречного циркуляционного потока 5 /рис.229-в/.
Изменение траектории от прямолинейной 1 к результирующей кривой 4 иногда фор-
мально воспринимают как факт того, что сопротивление колпака меньше сопротивления
прямого канала /рис.229/. Ясно, что подобное искривление траектории обусловлено уско-
рением /увлечением/ газа вверх при его нагреве на горячей стенке колпака. Но ведь потом
газ из колпака неминуемо возвращается в канал, перегораживая его и увеличивая его
сопротивление. Так что факт подъема газа в колпак может рассматриваться и как факт
повышения сопротивления канала при обустройстве над ним колпака [6].
Схема на рис.229 основана на факте нагрева холодного газа в колпа-
ке и не применима к конвективным системам печей, где происходит,
наоборот, охлаждение горячего газа в холодном колпаке /рис.226/.
Охлаждение восходящего горячего газа в колпаке сопровождается “про-
седанием” /торможением/ всплывающего горячего газа.
Тем не менее, поток горячего газа, движущийся по горизонтальному
каналу, попадая в холодный колпак, претерпевает вертикальное /боко-
вое/ воздействие сил Архимеда и вынужден искривлять траекторию
вверх /рис.226-в/. А затем рано или поздно газ из колпака возвращает-
ся в канал и перегораживает его. Так что в реальности колпак повыша-
ет сопротивление прямого горизонтального канала. К сожалению, мы
не располагаем численными данными по сопротивлениям колпаков
горячим потокам. Однако, ясно, что раз колпаки и каналы конструктив-
но образуются путем рассекания полнопроточной полости стенками, то
сопротивление каналов /рис.230-в/ и колпаков /рис.230-б/ в любом слу-
чае больше по величине, чем сопротивление полости /рис.230-а/.
206
Дровяные печи
5.	Топочные устройства печей
Под топочными устройствами печей /топливниками, топками, каме-
рами сжигания или сгорания/ будем понимать разного рода полости, в
которых горят дрова. Топочные устройства служат для преобразования
потенциальной химической энергии, запасенной в дровах, в реальное
тепло в виде горячего дымового газа и лучистой энергии.
Топочные устройства должны удерживать и нагревать дрова, пода-
вать воздух для горения, обеспечивать сжигание образующихся летучих
/горючих газов и туманов/ и углей, накапливать тепло в теплоемких стен-
ках и/или передавать тепло в помещение, не допускать распростране-
ния газов и дымов в помещение, направлять газы в конвективную систе-
му теплоотбора или непосредственно в дымовую трубу.
5.1.	Конструктивные типы топливников
В отличие от конвективных систем, топочные устройства бытовых
печей в государственных нормативных актах не классифицировались.
Приведем для сведения сложившуюся в литературе систематизацию
[44, 105, 113], не углубляясь в детали конструкторских решений [106].
Первичным фактором систематизации топливников является тип
ложа для дров. Различают ложа в виде глухого воздухонепроницаемо-
го пода и ложа в виде решетчатого воздухопроницаемого пода /рис.231/.
Глухой /сплошной, газонепропускающий/ под является наиболее простым техническим
решением - он с древнейших времен использовался для костров в виде грунтовой пло-
щадки /кострища/, зачастую огороженной, например, камнями. Такая площадка в курном
исполнении для отопления и приготовления пищи называлась подиной, топкой, очагом,
каминусом, жаровней, горном, мангалом и т.д. Огнестойкую площадку изготавливали и
из металла, в том числе, в переносном виде. Глухой под с арочным или сводовым пере-
крытием стали называть камерой /латин./, горнилом или печью /славян./
Глухой под широко использовался в русских духовых печах и класси-
ческих каминах, но уже давно считается устаревшим решением. В
современных российских отопительных печах глухой под используется
Топочные устройства печей
207
Глухой под
Рис.231. Ложе /под/ в костровых устройствах: а,б - глухой под, в, г, д - решетчатый под.
весьма ограниченно, поскольку не обеспечивает облегченный приток
воздуха в глубину закладки дров. В то же время, в странах Западной
Европы глухой под до сих пор широко используется в отопительных
печах, в том числе и по причине повышенной полноты сгорания летучих.
Решетчатый под /с поддувалом/ был впервые использован для слое-
вого сжигания каменных углей в каминах, печах и котлах. Решетка поз-
воляла удалять шлаки в зольник при шуровке и, кроме того, обеспечи-
вала подвод воздуха в глубину слоя горящего угля.
Каменноугольные решетки имеют особую, удобную для чугунного литья форму пруть-
ев - колосниковую, сужающуюся к низу для беспрепятственного просыпания шлака/окус-
ковавшейся подплавленной золы/. Решетки же для дров могут иметь произвольную
форму прутьев, поскольку зола /пепел/ при сжигании древесины образуется в небольшом
количестве - менее 1% (а у угля-антрацита 5%), не расплавляется, не окусковывается и в
виде некомкующейся минеральной пыли легко просыпается через любую решетку. Тем не
менее, бытовые печники зачастую условно называют “колосниковыми” любые топочные
решетки, хотя прутья решеток для дров порой изготавливают из арматурной стали круглого
сечения. Решетки могут занимать не всю площадь пода /вариант комбинированного пода/.
Глухой под используют при необходимости упрощения печи и/или для
замедления горения дров и накопления в топливнике большого коли-
чества углей и/или для повышения полноты сгорания летучих /за счет
меньшего выхода летучих и их сжигания в атмосфере, более богатой
кислородом/. Решетчатый же под используют для быстрого разгорания
и сгорания дров (в том числе и сырых) и остаточных углей и/или для
повышения КПД печи за счет снижения
количества избыточного воздуха, бес-
Рис.232. Глухой (а) и решетчатый (б) под в
печах с тягой трубы: Гт - поток горячих дымовых
газов, создающий тягу трубы, Хг - часть свежего
холодного воздуха, засасываемая в закладку
дров /на горение/, Хт - полный поток свежего
холодного воздуха, засасываемый тягой трубы.
208
Дровяные печи
а)
Рис.233. Схемы решетчатых топливников: а
- топливник верхнего горения /в данном слу-
чае топливник Браббе с нижним дымооборо-
том/, б - топливник нижнего горения.
полезно уносящего тепло в атмо-
сферу. Отметим, что процессы горе-
ния дров на глухом и решетчатом подах сильно зависят от величины
тяги печи и от особенностей подачи воздуха в топливник/раздел 5.2/. В
любом случае, в закладку дров на горение поленьев всегда поступает
меньше воздуха Хг, чем засасывается в печь Хт /рис.232/
Вторым фактором систематизации является схема организации горе-
ния дров в топливнике [114]. В топливнике верхнего горения пламя рас-
положено над закладкой дров /рис.233-а/. В топливнике нижнего горения
пламя расположено под закладкой дров /рис.233-б/. Имеются и другие
схемы организации горения, например, “обращенного” горения, когда
воздух подается не через поддувало, а в бункер для дров /рис.233-б/, а
также “пиролизная” схема, когда горение летучих происходит под
решеткой /рис.22/. В этой книге мы ограничимся наиболее распростра-
ненной в бытовых печах схемой верхнего горения /рис.233-а/.
Третьим фактором систематизации является наличие в топливнике
углубления для дров /рис.231-д, рис.233/. Углубления используются
для предотвращения разваливания /и даже вываливания/ горящих дров
и углей из топливника. Вместе с тем, наличие углубления затрудняет
шуровку. Стенки углублений могут быть наклонными /рис.234-а/ или
вертикальными рис.234-б/. В углубления с вертикальные стенками уда-
ется загрузить больше дров, что обеспечивает, в частности, долгое /ноч-
ное/ горение металлических печей. Углубления позволяют удобнее про-
изводить верхний розжиг закладки дров. Углубления в подовых печах,
однако, вызывают затруднения с подачей воздуха /рис.234-в/.
Четвертым фактором систематизации являются теплотехнические
характеристики стенок топлив-
ника. Кирпичные /высокоте-
Рис.234. Топливники с углублениями
/’’шахтами”/: а - решетчатые с наклон-
ными стенками, б - решетчатые с вер-
тикальными стенками, в - подовые с
вертикальными стенками.
Топочные устройства печей
209
Рис.235. Топливник теплоемкий кирпичный (а)
и нетеплоемкий металлический (б). Волнистыми
стрелками показаны уровни интенсивности
лучистого излучения, определяемые темпера-
турой внешних сторон стенок топливника.
плоемкие, но низкотеплопроводные/
топливники долго прогреваются, зато
накапливают много тепла, а впоследствии в раскаленном состоянии
выполняют роль теплоизолятора топочного пространства /рис.235-а/.
Металлические /низкотеплоемкие, но высокотеплопроводные/ топлив-
ники быстро прогреваются, но не накапливают тепла, а затем в раска-
ленном состоянии интенсивно выводят тепло из топливника [115].
С поглощением тепла из топочного пространства связано расхожее понятие “холодно-
го ядра топливника” /как элемента, не нагревающего дрова/. Так что теплоемкие стенки
топливника являются “холодным ядром”, но лишь на начальном этапе протопки. А нете-
плоемкие быстропрогревающиеся стенки, не считающиеся обычно “холодным ядром”,
тем не менее постоянно и интенсивно отводят тепло из топливника.
В конструкциях топливников часто комбинируются высокотеплоемкие и низкотеплоем-
кие материалы в целях достижения необходимых потребительских свойств печного
устройства. Так, в кирпичных отопительно-варочных печах и в кухонных плитах кирпичные
стенки топливника сочетаются с чугунным настилом и чугунными дверками.
Пятым фактором систематизации является наличие удлиненного
топочного канала /’’горловины”/ между загрузочной дверцей и камерой
сгорания /рис.236-а/. Такой канал позволяет монтировать печь в несго-
раемой стене /с расположением дверцы и корпуса печи в разных поме-
щениях/. Такая схема нашла широкое распространение в металличе-
ских банных печах заводского изготовления. С точки зрения газодина-
мики, топочный канал позволяет по-особому организовывать подачу
воздуха, особенно в подовых топливниках, обеспечивая и обдув стек-
лянного окна дверцы, и равномерный обдув торцов горящих поленьев.
Шестым фактором системати-
зации является месторасположе-
ние топливника внутри печи.
Различают “наружные” топливни-
Рис.236. “Наружное” (а) и “внутреннее”
(б) расположение топливников в печи.
210
Дровяные печи
Рис.237. Режимы горения дров: а - режим лучины,
б - режим костра, в - режим штабеля, г - режим углей.
Здесь и далее, Хг - свежий воздух, входящий вглубь
закладки дров в счет компенсации уходящих /подни-
мающихся вверх/ горячих дымовых газов, в котором
собственно и горят дрова.
ки, стенки которых являются стенками
печи /рис.236-а/ и “внутренние” /встроен-
ные/ топливники, стенки которых располо-
жены внутри печи и не являются стенками
печи /рис. 236-6/. “Наружные” топливники
участвуют в выводе тепла в помещение /обеспечивают “прямую тепло-
отдачу”/ и поэтому имеют, как правило, меньшую температуру стенок,
чем “внутренние” топливники. “Внутренние” же топливники не участвуют
в выводе тепла в помещение, их задачей является передача тепла от
химической реакции горения дров в теплосъемную конвективную систе-
му печи посредством потоков горячих дымовых газов. Ясно, что “внут-
ренние” топливники более характерны для крупногабаритных печей.
5.2.	Режимы горения дров
Прежде, чем продолжить систематизацию топливников в части спо-
собов ввода воздуха и нагрева дров, поясним особенности горения дров
именно в топливнике печи. Как мы уже отмечали, по чисто энергетиче-
ским причинам крупные поленья /в отличие от мелких/ могут гореть пла-
менем на открытой площадке /то есть в холодном окружении/ только в
форме костра - коллективным образом в виде кучи поленьев /см. раз-
делы 1.2.4 и 1.3.7/. Там, внутри закладки /груды/ дров в промежутках
/зазорах/ между горящими поленьями образуются пламенные “микро-
топки” с обугленными раскаленными деревянными “стенками”, где горя-
щие поленья своим пламенем и излучением греют друг друга /термин
“микротопки” введен в [6] стр. 383/. Поэтому крайне важно организовать
вентиляцию внутренних полостей костра так, чтобы свежий воздух про-
никал именно в “реакторы процесса горения” - непосредственно в “мик-
ротопки”, где газифицируется и воспламеняется древесина.
Если свежий воздух перестает проникать вглубь закладки дров, то
горение углей и летучих в “микротопках” прекращается, древесинные
стенки “микропоток” остывают, процессы пиролиза в “микротопках” зату-
хают и горение дров увядает. В этом неблагоприятном случае пламен-
Топочные устройства печей
211
ное горение мыслимо только в форме пламени на внешних сторонах
закладки дров. Такая ситуация реализуется, в частности, в случае пожа-
ра /неконтролируемого горения/ на складе штабелей плотно уложен-
ных обрезных досок, когда штабели один за другим поджигаются и горят
под влиянием мощного внешнего источника теплового облучения.
Такая модель горящего “штабеля” как раз и может реализовываться в
топливнике печи в случае появления раскаленных стенок топливника с
температурой более 500°С. При таких температурах стенок топливни-
ка мощность лучистых /инфракрасных/ потоков со стенок топливника
на дрова такова, что над облучаемой древесиной /наружных сторон
поленьев/ возникают концентрации летучих продуктов пиролиза, доста-
точные для воспламенения от постороннего источника /раздел 1.2.1/.
Легко сообразить, что пожар склада “штабелей” по-существу пред-
ставляет собой костер “штабелей”. А плотно уложенный “штабель” фак-
тически эквивалентен единому цельному полену. То есть в сильно рас-
каленной топке печи могут воспламеняться и сгорать даже одиночные
крупные чурбаки /раздел 5.3/. Все это относится, специально подчерк-
нем, только для процесса пламенного горения древесины. Процессы
тления древесины имеют иные особенности /раздел 1.4/.
Тезис наличия разных режимов пламенного горения дров очень важен
для понимания работы топливника /рис.237/. Если при растопке дровя-
ной печи /с помощью “спички, бумаги и щепок”/ реализуется “режим
лучины” /способной гореть даже в одиночку в холодной атмосфере/, то
в случае в случае разгорания крупных поленьев реализуется “режим
костра”, а затем по мере разогрева стенок топливника достигается
“режим штабеля”. Процесс горения дров завершается “режимом углей”,
который практически не зависит от температуры стенок топливника.
В то же время ясно, что все эти режимы пламенного горения /каждый
из которых помогает наглядно понять механизм горения дров/, в реаль-
ных условиях топливника происходят совместно и одновременно
/рис.238/. Более того, режим “штабеля” в условиях топливника печи
Рис.238. Комбинированный режим горения дров: 1- обуг-
ленные поленья, 2 - пламя из микротопки, 3 - белый дым с
холодных зон поверхности древесины, 4 - тепловое излуче-
ние со стенок топливника, 5 - черный дым. Хг - свежий
холодный воздух, проникающий внутрь закладки и идущий
на горение дров, Хэ - свежий холодный воздух, эжектируе-
мый /вязко или турбулентно увлекаемый/ потоком горячих
газов в пламени.
микротопка
212
Дровяные печи
Рис.239. Закладка классического костра на
глухом поду (а), на решетчатом поду (б), на
глухом поду в металлической корзине (в), на
глухом поду со специальной укладкой полень-
ев в виде “сгораемой деревянной корзины” (г).
намного более сложен, поскольку
реальные дрова абсолютно плотно в
топливник заложить невозможно, да
никто и не ставит такой задачи. Так
что дрова всегда горят в микротопках,
причем горят именно обугленные
дрова /в режиме углей/ в отсутствии плотной укладки /в режиме костра/,
но при наличии теплового облучения со стенок топливника /в режиме
штабеля/. При этом происходят сложные перекрестные явления - свежий
воздух Хг поддерживает горение обугленных стенок микротопок, что
вызывает нагрев и пиролиз древесины и выход из нее летучих, которые
в случае нехватки воздуха Хг догорают пламенем над дровами 1 в эжек-
тируемом воздухе Хэ, при этом выделяющийся из холодных зон поверх-
ности древесины “белый дым” 3 /туман летучих/ увлекается пламенем
2 /то есть воздухом Хэ/ вверх и может испаряться под действием излуче-
ния со стенок 4 /а при высокой температуре стенок может и воспламе-
няться/, при нехватке воздуха Хэ кончики пламен 2 срываются в “черный
дым” 5, который не может быть устранен даже мощным облучением 4 и
должен предотвращаться подачей вторичного воздуха и т.д.
5.3.	Системы подачи воздуха
Вопросы подачи воздуха, также как и вопросы подбора, укладки и роз-
жига дров, касаются не только печников, но и истопников /пользователей
печей/. Дело в том, что бытовая печь - это фактически лишь инструмент
в руках истопника. Дровяная печь может
хорошо работать, а может и плохо в зави-
симости от особенностей эксплуатации,
точно также как кухонная кастрюля может
Рис.240. Потоки газов в костре на глухом и решет-
чатом поде в отсутствии тяги.
Топочные устройства печей
213
Рис.241. Зазоры /промежутки/ между вертикально установленными
поленьями образуют горячие дымовые каналы с появлением тяги костра.
удачно приготовить пищу, а может и неудачно в зависи- / м/ /
мости от квалификации конкретного повара.	Хг/ /1/ I
В прежние времена в эпоху подовых духовых печей и	I
курных банных каменок умение удачно подобрать дрова
и сложить их в быстро разгорающуюся закладку счита-
лось бытовым искусством, ныне во многом забытым
[116]. Необходимо было так уложить поленья на под печи, чтобы зазоры-
промежутки между поленьями были минимальными /для лучшей пере-
дачи тепла от одних поленьев к другим/, но, тем не менее, достаточно
большими, чтобы свежий воздух мог легко проникать между поленьями
вглубь закладки, а дымовые газы могли легко покидать закладку дров.
5.3.1.	Поступление воздуха в костер
“Свободные” костры не отделены от воздушной атмосферы какими-
либо стенками /раздел 3.6/. Горячий дымовой газ Гг самопроизвольно
всплывает из костра вверх под действием сил Архимеда /как воздушный
шар/, а на смену ему /в компенсацию/ в костер из атмосферы со всех сто-
рон “как попало” подсасывается свежий холодный воздух Хг, который и
обеспечивает продолжение горения поленьев в глубине закладки дров
/рис.239-а/. Причем, сколько горячего дыма Гг может всплыть из костра,
ровно столько в костер и засасывается холодного свежего воздуха Хг. То
есть, достигается некая саморегулировка газовых потоков в зависимо-
сти от интенсивности огневого процесса. Вместе с тем, этого засасы-
ваемого свежего воздуха может не хватать для полного сжигания всех
образующихся внутри закладки дров горючих газов.
Поток свежего воздуха Хг воспринимается как
самотяга костра. Вообще говоря, надо было бы
говорить о самотяге костра с расходом Хк, лишь
часть из которого Хг расходуется на горение. Но
для упрощения поток Хк на рисунках не приводится.
Рис. 242. Потоки газов в костре на решетчатом поде при
наличии тяги /в данном случае в виде вытяжки в зонте/.
214
Дровяные печи
77777777777. 777777777777 777777777777.
Рис.243. Топливники с решетчатым
подом: а - решетка по всему дну топливни-
ка, б - центральная решетка ограниченных
размеров, в - периферийная решетка огра-
ниченных размеров.
Костер может разжигаться не
только на глухом поде 1 /рис.239-а/,
но и на решетчатом поде 2 /рис.239-б/. Решетчатый под широко исполь-
зуется в классических бытовых каминах/со времен городских каминов
на каменном угле в Англии/. Между крайними случаями глухого и решет-
чатого пода имеются многочисленные решения в форме металлических
корзин для дров 3 на глухом поду /рис.239-в/ и особых способов уклад-
ки дров на глухом поду 4 /рис.239-г/. Ясно, что особые укладки дров 4
/например, “колодцем” или “костром”/ создают как-бы корзины для горя-
щих дров /но только сгорающие деревянные/, а сами корзины для дров
3 в отсутствии тяги аналогичны обычному решетчатому поду.
При появлении решетки возникает дополнительный поток свежего
воздуха через решетку в дрова Хр. Легко видеть, что поток воздуха
через решетку Хр тотчас попадает вглубь горящих дров, а на глухом
поде свежий воздух Хг вынужден горизонтально “фильтроваться” через
поленья прежде, чем попасть в глубину закладки /рис.239-б/. Поэтому на
решетке дрова горят более активно, чем на поду. Точно также появил-
ся бы дополнительный поток воздуха в закладку Хп при применении
воздухоподающей трубы, углубленной в закладку/рис.240-а/. Вместе с
тем, потоки воздуха Хг, Хр и Хп имеют одну и ту же физическую приро-
ду - они являются составляющими единой самотяги костра Хк и все они
поступают на замещение всплывающих из костра горячих дымовых
газов Гг. Поэтому, сумма Хк = Хг + Хр + Хп не может вырастать выше
значения, определяемого скоростью выхода дыма из закладки Гг, ни
при какой укладке поленьев, даже при вертикальной /рис.241/.
5.3.2.	Поступление воздуха в топливник
“Стесненный” костер, горящий в окружении стенок топливника, может
гореть совсем иначе, чем “свободный” классический костер, поскольку
в “стесненный” костер может поступать /“вдуваться”/ значительно боль-
ше воздуха /за счет самотяги трубы и самого топливника/. Рассмотрим,
что же изменяется в газовых потоках, поступающих в костер, при стес-
нении /пространственном ограничении/ горячей зоны /раздел 3.6/.
Топочные устройства печей
215
Вообще говоря, костер даже в полностью замкнутой полости само-
произвольно засасывает /со всех боков “как попало”/ внутрь себя окру-
жающий воздух ровно с таким же расходом Хг, с каким дымовые газы
самопроизвольно всплывают вверх из костра Гг. Но в замкнутой полости
костер вынужден засасывать в себя тот “воздух”, который есть именно
в этой замнутой полости и при этом создает циркуляционную конвек-
цию /рис. 163 и рис. 184/. В результате, костер задымливает полость,
обедняет засасываемый /циркулирующий/ воздух Хг кислородом, чт