Ю.М.ХОШЕВ
ДРОВЯНЫЕ
ПЕЧИ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
Москва
Издательство
2014
Титул и введение:книга1.qxd 14.07.2014 1:54 Page 1

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 .З .Петрушову, А.В .Пономареву, В.М .Пчелкину,
А.Н .Решенину, В .В .Селивану, С.И .Серегину, О .Ю .Сотникову, А.П .Ферингеру,
М.К .Хаирову, В.В .Шевякову, Alex Chernov /Канада/, Ramunas Rackauskas /Литва/ за
полезные обсуждения вопросов по печной тематике.
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.
Х 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.
Титул и введение:книга1.qxd 14.07.2014 1:54 Page 2

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)оС
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-
1. Горение древесины
Рукотворный костер появился в жилищах 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”.
4
Дровяные печи
Горение древесины
5
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 40оС и лишь при
наличии крышки 4 /”вспышка в закрытом тигле”/, б - при температуре жидкости выше
49оС керосин может кратковременно вспыхнуть и без крышки 4 /”вспышка в открытом
тигле”/, в - при температуре жидкости выше 57оС керосин после вспышки продолжает
гореть пламенем /”воспламенение керосина”/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 4

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
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)оС,
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 57оС /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 189оС без воспламенения. Но если пары керосина /или паровоз-
душную смесь/ дополнительно искусственно нагреть до 236оС, то пламя
возникнет самопроизвольно и при отсутствии внешнего источника вос-
пламенения. Такое явление самопроизвольного воспламенения назы-
вается самовоспламенением. Так, бензиновые двигатели внутреннего
6
Дровяные печи
Горение древесины
7
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 6

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 100оС 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
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/м3 /в
среднем 500 кг/м3/, а березы 500 - 700 кг/м3 /в среднем 630 кг/м3/.
Истинная же плотность /пикнометрическая/ материала абсолютно сухо-
го древесинного вещества клеточных стенок практически одинакова для
всех пород древесины 1540 кг/м3 [5].
8
Дровяные печи
Горение древесины
9
Рис.3. 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.
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/м3 /то есть точкой
росы воздуха 40оС/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 8

Горение древесины
11
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-
240оС /паростабилизированная/ или вываренная под давлением
10
Дровяные печи
/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-
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 20оС 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 20оС 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.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.
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.
Рис.7 . Давление насыщенных паров
воды при различных температурах.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 10

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
[С6(Н2О)5]m при длине цепи порядка m = 10000.
Формальная формула гемицеллюлозы складывается из звеньев
“пентозной” и “гексозной” составляющих полимера [С5(Н2О)4]n +
[С6(Н2О)5]k . Длины цепей гемицеллюлоз n и k достигают 200.
Плотности целлюлоз и гемицеллюлоз порядка 1500-1600 кг/м3.
Лигнин - аморфный полимер ароматической природы, волокон не
образует. Плотность лигнина 1250-1450 кг/м3. 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 160-180оС. Поэтому специальное удаление
химически нестойких гемицеллюлоз может заметно повышать огне-
стойкость древесины.
Целлюлоза же начинает разлагаться /буреет/ при 220-240оС, поэто-
му утюги для целлюлозных хлопчатобумажных тканей и регулируют на
Горение древесины
13
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/.
12
Дровяные печи
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%/.
Рис.9. Химическая структура основных компонентов древесины.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 12

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 200оС /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].
Горение древесины
15
эти температуры. При 275оС целлюлоза начинает саморазогреваться за
счет экзотермического распада и в больших массах может самовос-
пламениться. При 400-450оС образуется целлюлозный уголь.
Лигнин, обладая ароматическим строением, более устойчив к тер-
молизу, чем целлюлоза и начинает разлагаться лишь при 350-450оС.
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 100-150оС из древесины испаряется свобод-
ная /из объема клеток/, а затем и гигроскопическая /из стенок клеток/
вода. Затем при 150-275оС постепенно начинается разложение древе-
сины с потреблением тепла и выделением водных растворов органи-
ческих кислот, спиртов, ацетона, а также газов двуокиси углерода СО2
/углекислого газа/ и окиси углерода СО /угарного газа/ в соотношении
примерно 2 : 1.
При температурах 275-450оС 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 450-500оС 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.
14
Дровяные печи
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 14

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 900оС 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 1200-1400оС.
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 275-450оС 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-
450оС 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-
Горение древесины
17
Фракционный состав продуктов сухой перегонки сосновой древесины [10]:
Фракция 150-200оС 200-280оС 280-380оС 380-500оС 500-700оС 700-900оС
Содержание
углерода в
угле, % масс 60
68
81
84
84
91
Газы: СО2
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
СkНn
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/м3 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”/.
Уголь, образующийся при сухой перегонке до 500оС 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 600оС 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%.
16
Дровяные печи
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 16

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 500оС. При 900оС 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 р(СО2)=К1(Т)р2(СО) при снижении парциальных давлений ком-
понентов сдвигается в сторону образования СО /здесь К1(Т) - табличное
значение константы термодинамического равновесия реакции/.
При этом следует иметь в виду, что скорость конверсии СО2 в СО
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 700оС идет только в присут-
ствии катализатора или хотя бы
следовых количеств влаги.
Горение древесины
19
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 + О2 = 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 3С + 2О2 = 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 О2 =
СО2 + 279 кДж/моль, а во-вторых,
из-за восстановления двуокиси
18
Дровяные печи
Рис.12 . Результат термодинамиче-
ского расчета состава продуктов реак-
ции С+СО2=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(СО2) - парциальные
давления компонентов смеси СО и
СО2 соответственно.
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].
Рис.14. Результат термодинамического
расчета состава продуктов реакции угле-
рода с водяными парами по исходным
данным [14]. Без учета образования СО2.
Рис. 15. Результат термодинамического
расчета состава продуктов реакции угле-
рода с водяными парами по исходным
данным [14]. С учетом образования СО2.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 18

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 1300-1700оС. 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 700-900оС. 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 450-150оС, в зоне подсушки 150-100оС [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 СО+СО2+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
Горение древесины
21
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 400оС, то есть на 100оС 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.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 20

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 900оС 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
Горение древесины
23
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-
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.
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].
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 22

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 слой раскаленных углей с осуществлением вторичного тер-
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/.
Горение древесины
25
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 м3/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-
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].
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 24

ном тепловом потоке на древесину порядка
14 кВт/м2. Такой тепловой поток соответ-
ствует мощности излучения абсолютно черного тела при температуре
440оС. 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 1000оС и выше/,
то воспламенение сухой древесины неизбежно. И если стенки топки
раскалены до температур порядка 500оС 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 Т1,
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 Т3 происходит внезапный спонтанный самогрев древеси-
ны до температур, значительно превышающих температуру термостата,
с возникновением визуально видимого горения [10].
Горение древесины
27
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-
26
Дровяные печи
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. ВВ1 и ВВ2 - вторичный воздух, подаваемый
разными способами для горения горючих газов,
выделяющихся из древесины, нагреваемой углями.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 26

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 250-300оС, температу-
ры самовозгорания тлением 260-320оС, температуры самовоспламенения 360-500оС [1]:
Тип древесины
Сосна
Ель
Дуб Груша
Бук
Температура воспламенения, оС
250
240
230
300
300
Температура самовоспламенения, оС
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/м3.град
и теплопроводности 0,1-0,3 Вт/м.град сухой древесины, сравнимых с
величинами объемной теплоемкости 1760 кДж/м3.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/м3.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/
Горение древесины
29
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
400оС до случаев возгорания древесных опилок непосредственно у
труб водяного отопления даже при 80оС. 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-
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/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 28

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 200-250оС спичка просто буреет-чернеет. Затем
ускоренно образующийся при 250-400оС уголь преимущественно с ниж-
ней стороны сжимается и заставляет спичку изгибаться дугой. Потом
при 400-450оС 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.
Горение древесины
31
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.
30
Дровяные печи
Рис.24. Разогрев образца древесины в тер-
мостате, нагретом до разных температур Т1,
Т2 и Т3: 1 - до наступления саморазогрева, 2 -
при наличии саморазогрева, 3 - при воспла-
менении из-за саморазогрева.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 30

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 20оС 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 450-500оС, а
затем постепенно повышается до 600-700оС. 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,
Горение древесины
33
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-б/. 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 230оС. 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-
32
Дровяные печи
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/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 32

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
Горение древесины
35
который разогревается за счет собственного горения до 800-1200оС /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
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.
Рис.27. Особенности пламен-
ного горения: а - тонкая лучина,
подожженая снизу, сгорает пла-
менем до верха, б - толстый
столб, подожженый 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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 34

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 = 1950оС, Тк = 2050оС, Тж = 2040оС.
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
400-600оС 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 2,7.1025 частиц размером 3.10-10 м, из них 79% молекул азота N2 и
21% молекул кислорода O2. Средняя длина свободного пробега между
соударениями молекул составляет 9.10-8 м, частота соударений моле-
кул равна 5.109 сек-1
.
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) = 4πv2(m/2πkT)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 = 1,38.10-23 Дж/град -
постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура в оК /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
Горение древесины
37
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 0оС, 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”: α = ξ/ ξо, где ξ = Nок/Nгор, Nок иNгор - объемные, массовые или
счетные содержания /количества, расходы или концентрации/ воздуха и горючего соот-
ветственно, ξо - стехиометрический коэффициент /то есть ξ 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 0оС, 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 = 0оС и при коэффициенте избыт-
ка воздуха, равном единице, то есть при
стехиометрической горючей смеси.
Жаропроизводительность дров равна
2010оС (абсолютно сухих) и 1610оС при
влажности дров 40% [17].
36
Дровяные печи
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 36

чивой молекулы АВ. Потенциальную энергию комплекса способны ото-
брать “третьи” молекулы /сталкивающиеся с частотой 5.109 сек-1 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 V1 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 Х 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
Горение древесины
39
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 О2. 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-
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.
Рис.30. Равновесные распределения моле-
кул газа по кинетической энергии /по скоро-
стям молекул/ и по потенциальной энергии
/по высоте над уровнем моря/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 38

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.,
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-
Горение древесины
41
“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.
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.
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.
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.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 40

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
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.
Горение древесины
43
дарту СТО Газпрома РД 1.2-138-2005 ниж-
ний концентрационный предел распро-
странения пламени при температуре Т
составляет НКПРП (Т) / НКПРП (20оС) =
(1250 -Т)/1250 = (1 - 0,0008Т), где Т - тем-
пература исходной горючей смеси в оС.
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 1000оС 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-
42
Дровяные печи
Рис.35. Вид температурной зависимости верхне-
го и нижнего концентрационных пределов распро-
странения пламени в однородной смеси горючего и
окисляющего газов.
Рис.36 . Температурная зависимость
линейной скорости распространения фрон-
та пламени в стехиометрической смеси
метана с воздухом.
Рис. 37. Линейные скорости распро-
странения пламени по горючим газовым
смесям в зависимости от концентрации
горючего газа в смеси [22]. Давление
атмосферное, исходная температура
20оС.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 42

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 так же, 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 Ni - 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 Ni каж-
дого из компонентов газовой смеси поперек пламени (то есть градиенты
Горение древесины
45
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 О2 появиться в зоне горения 2,
они тотчас мгновенно реагируют с
образованием СО2 и Н2О за счет
высоких температур зоны реакции.
44
Дровяные печи
Рис.38. Возникновение пламени на границе
раздела Ф горючего А и окисляющего В газов.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 44

температуре горения Тр стехиомет-
рической горючей газовой смеси
[31]. Действительно, эксперимен-
тально зафиксированные значения
температуры диффузионного пла-
мени метана в воздухе достигали
1700оС /рис. 44-а/. Отличия экспе-
риментальных значений темпера-
туры от термодинамически расчет-
ной температуры для метана
1950оС 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
Горение древесины
47
dNi/dx) определяют скорости диффузии
молекул каждого из компонентов /рис.41/.
Величины диффузионных потоков Gi(х) =
Di(dNi/dx) разных компонентов газовой
смеси будут определяться собственными
градиентами концентрации dNi/dx и
собственными коэффициентами диффу-
зии Di. 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
46
Дровяные печи
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-
вым соплом.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 46

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 20оС.
Высота пламени достигала 300 мм.
Тем не менее, уже на высоте 3
мм ширина оболочки пламени уве-
личивается до 12 мм, что в полтора
Горение древесины
49
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/.
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].
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 130оС при температуре 1600оС и
на 30оС при 1000оС. Термодинамически рас-
четная температура горения метана в воз-
духе составляет 1950оС.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 48

хиометрическое соотношение равно i = 2. А в случае химической реак-
ции метана с воздухом СН4 + 10(0,2 О2 + 0,8 N2) = СН4 + 2О2 + 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 + О2 = 2Н2О и 2СО + О2 = 2СО2 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
1000оС 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
Горение древесины
51
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-
нас кислородомСН4+iО2=СН4+2О2=СО2+2Н2Омольноесте-
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”/.
Рис.46. Форма ламинарного метанового пламени в
кислороде 1 и в воздухе 2 [26].
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 50

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 V1 порядка 0,1 м/сек, а потушить пламя при скоростях
V1 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/δ = 20 см/сек, где
D = 0,196(Т/273)1,8
= 4см2/сек - коэффициент диф-
фузии при температурах порядка Т= 1500оК [27],
δ = 0,2см - характерное радиальное расстояние
падения концентрации кислорода вблизи оболочки
Горение древесины
53
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 0,5 + 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”
52
Дровяные печи
Рис.47 . При фиксированном массовом
расходе газа G высота пламени h теоретиче-
ски не зависит от диаметра горелки [22].
Рис.48. Экспериментальные зависимоти
высоты пламени от объемного расхода
горючего газа при различных диаметрах сопла,
указанных цифрами на кривых [24].
Рис.49. Снижение высоты пламени при
разделении одного факела на несколько
мелких. Подобная картина известна на
примере кухонных газовых плит.
Рис.50 . Объединенный факел пламени над
дровами имеет большую высоту.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 52

ка/. Этот водный конденсат /туман/
печным дымом не считается.
Белый /а фактически серый или
бурый/ дым представляет собой
туман (объемный конденсат - аэро-
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
Горение древесины
55
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, так же 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”/ 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-
54
Дровяные печи
Рис.51. Сокращение длины турбулентно-
го факела с ростом расхода газа.
Рис.52. Схема турбулизации пламени. Слева - случай
обдува пламени турбулентной спутной струей воздуха.
Справа - случай турбулентного потока горючего газа в
неподвижном воздухе.
Рис.53 . При перемещении свеча гаснет
/пламя сдувается с фитиля/. При обдуве
струей воздуха кончик пламени разгорается
добела, и свеча не гаснет.
Рис.54. Места образования белого
/серого, бурого/, сизого и черного дыма.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 54

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
Горение древесины
57
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”/.
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-
ется в результате испарения и
последующей высокотемператур-
56
Дровяные печи
Рис.55. Схема образования черного дыма.
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.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 56

В последние годы установлено, что пластинчатые зародыши могут
сворачиваться в шаровые С60 (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) = 103 мм (миллимет-
Горение древесины
59
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.
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.
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 m, 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 Mg.
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].
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 58

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/.
Горение древесины
61
ров) = 106 мкм (микрометров, то есть микрон мк) = 109 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-
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.
Рис.62. При горении агрегата микрочастиц
сажи доступ кислорода внутрь агрегата огра-
ничен поверхностной выработкой кислорода.
Рис.63 . Характерный спектр
излучения углеводородного пламени
в видимой области спектра.
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/
.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 60

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
Горение древесины
63
В кончике же пламени, где богатые
водородом углеводороды уже отсут-
ствуют, “ветер” в принципе может обра-
зовываться в ходе реакций 2С + О2 =
2СОиС+СО2=2СО,когдаизодной
молекулы О2 или СО2 образуется две
молекулы СО. Однако, видимо, ско-
рость этих реакций не велика, и такого
“ветра” не всегда хватает для пред-
отвращения слипания частиц сажи.
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
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..
Рис.66 . Спектральная прозрачность
слоев воды (1), оконного стекла нат-
риево-силикатного состава (2), кварца
плавленного оптического (3) и флюо-
рита - фторида кальция CaF2.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 62

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 5600оС 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 λмакс абсолютно черного тела по формуле
Вина Тλмакс = 2,9.103 мкм.град, где Т - абсолютная температура в оК,
равная 273+ТоС, где ТоС - температура в градусах Цельсия. Причем
если суммарную площадь под кривой Планка принять равной 100%, то
площадь под восходящей ветвью λ<λмакс составит 25%, а площадь под
нисходящей λ>λмакс ветвью составит 75% суммарной площади под кри-
Горение древесины
65
длиной волны излучения 431нм,
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 СН 387нм могут придавать пламенам фиолетовый оттенок.
Так что голубой цвет “огоньков” /ленивых пламен и всполохов/ над
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 431нм. А вот уже
после погасания голубых “огоньков”
/при дальнейшем тлеющем догора-
нии древесных углей/ концентрация
угарного газа в топке печи, как пра-
64
Дровяные печи
Рис.67. Спектральная зависимость
коэффициента поглощения света мягкими
тканями организма человека (1) и водой
(2) [43]. А - спектральный А-диапазон ИК-
излучения. В - видимая область спектра.
Рис.68 . Температурная зависимость
мощности излучения абсолютно черной
поверхности σТ4 /интегрально по всему
спектру/.
Рис.69 . Температурные
зависимости степеней чер-
ноты ε 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 = 100кПа/
на толщину слоя в метрах.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 64

дающие факелу желтый цвет и повышающие черноту пламени ε, 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
500оС
- коричнево-красный
600оС
- темно-красный
700оС
- в иш нево-алый
800оС
- красный
900оС
- оранжевый
1000оС
- желтый
1100оС
- светло-желтый
1200оС
- белый
1300оС 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/.
Горение древесины
67
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 В-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 10мкм от радиаторов
водяного отопления /рис.67/.
Интегральная мощность теплового излучения абсолютно черного тела во всем спек-
тральном диапазоне в полупространство равна σТ4, где σ= 5,68.10-8 Вт/м2град4 - посто-
янная Стефана-Больмана, Т - абсолютная температура в оК /рис. 68/. Мощность же теп-
лового излучения реальных объектов /твердых поверхностей или слоев газа/ равна εσТ4,
где ε - степень черноты, меньшая единицы /рис. 69/. Поэтому сажистые частицы, при-
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].
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”.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 66

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
Горение древесины
69
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 козффициента избытка воздуха в
печи до α = (1,5-2,0), а исчезновение угарного газа в дымовых газах при
повышении коэффициента избытка воздуха до α = (2 - 3).
68
Дровяные печи
Рис.72. Разные типы бытовых костров.
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.
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/.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 68

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 250-400оС. 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 400-600оС. 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 400оС 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].
Горение древесины
71
температурой экспоненциально exp(-E/kT), и в точке “возгорание” тепловыделение начи-
нает превышать теплопотери, начинается саморазогрев древесины. Затем по мере раз-
горания кинетический фактор exp(-E/kT) 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 760оС
[12]. А высокоплотные графитовые блоки устойчивы в воздушной среде до 1500оС.
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
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 СО2 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.
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].
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 70

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-
Горение древесины
73
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
72
Дровяные печи
Рис.77 . Время выхода тления на поверх-
ность при разных глубинах /толщинах/ слоя
сухих древесных опилок [47].
Рис.78.Графический расчет темпера-
туры горения слоя углей площадью
S=400 см2. На вертикальной прямой
Тр= 2373оК откладываем точку, соот-
ветствующую мощности горения 44кВт.
Соединяем ее с точкой То=293оК пря-
мой К44(Т), соответствующей теплосо-
держанию дымовых газов. Суммируем
К44(Т) с Л(Т)= SσТ4 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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 72

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
1400оС и выше, что и
используется в куз-
нечных горнах и
заводских металлур-
гических печах /а
также в газогенерато-
Горение древесины
75
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)Cп.г.G(T-To) + SσТ4, 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, Cп.г.
-
средняя тепло-
емкость дымовых газов, Tо,Тр и T - исходная температура воздуха, тер-
модинамически расчетная температура продуктов сгорания и реальная
температура раскаленного слоя углей в оК, (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 1000оС 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 1400оС 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
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/. Х
-
хомотермальная кривая,
отвечающая точке росы 40оС, при которой
начинается конденсация влаги на тело
человека.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 74

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 8-12оС /из-за быстрого разбавления выдыхаемо-
го воздуха, а также из-за термодинамических трудностей образования
первичных зародышей капель тумана/.
Горение древесины
77
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:
азот N2 - 79,09%об (75,5%масс), кислород О2 - 20,95%об (23,1%масс),
аргон Ar - 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 1м3 пространства/ составляет: 5г/м3 ( 0,61%об или 611 Па, ) при 0оС,
17г/м3 (2,3%об или 2338Па) при 20оС, 50г/м3 (7,1%об или 7076 Па) при
40оС /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/.
76
Дровяные печи
Рис.81.Температурные зависимости
динамической вязкости воздуха μ, угле-
кислого газа СО2 и водяных паров Н2О.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 76

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 4,6нм3 абсолютно сухого воздуха /”нормаль-
ных” кубометров, то есть приведенных по объему к нормальным физи-
ческим условиям - температуре 0оС и давлению 1атм/. При этом рас-
четная температура продуктов сгорания составляет порядка 2000оС.
Величина ξсух = 4,6нм3/кг (или ее соответствующий массовый эквива-
лент ξсух = 6,0 кг/кг) называется стехиометрическим коэффициентом
(стехиометрическим расходом) по воздуху для абсолютно сухой древе-
сины. Объем продуктов сгорания при этом составит 5,3нм3/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 нм3/кг /, то расчетная температура про-
дуктов сгорания составит не 2000оС, а лишь 850оС, хотя термодина-
мически расчетная температура оболочки пламени 2000оС не изме-
нится /см. далее рис.84, 87/. Кратность избытка воздуха называется
коэффициентом избытка воздуха α.
Стехиометрический коэффициент для влажной древесины ξвл мень-
ше стехиометрического коэффициента для абсолютно сухой древесины
ξсух 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 1кг 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 3,6нм3/кг или по массе 4,8 кг/кг. Вообще говоря,
требуется также поправка на влажность воздуха, поскольку воздуха с
влажностью do потребуется в (1 + do) раз больше /здесь do - абсолют-
Горение древесины
79
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 μ пропорционален коэф-
фициенту теплопроводности λ и одновременно пропорционален произведению ρD плот-
ности воздуха ρ 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 ν = μ/ρ = 0,23 см2/сек и к коэффициенту температуропроводности воздуха
а = λ/С = 0,31 см2/сек, где С - массовая теплоемкость воздуха. Известные расчетные
температурные зависимости ( λ и μ пропорциональны Т0,5
, D пропорционален Т1,5)
соблюдаются весьма приблизительно. Так, коэффициенты диффузии молекул в воздухе
равны D(Т) = Dо(Т/273)n, где Т в оК [27]:
Молекула
Dо, см2/сек
n
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
78
Дровяные печи
Рис.83. Примерный размер частиц
разной природы. Частицы с размером
10 мкм оседают /витают/ со скоростью
1 см/сек, с размером 1мкм со скоро-
стью 0.01 см/сек, с размером 0,1 мкм
со скоросью 0,0001см/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/.
Рис.84. Термодинамически расчетные
температуры продуктов сгорания влаж-
ных дров при различных коэффициен-
тах избытка воздуха α и при различных
относительных влажностях дров.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 78

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
нм3/кг. Расчетные температуры
продуктов сгорания древесины,
древесных углей и летучих при-
мерно одинаковы и составляют
ориентировочно 2000оС (для эле-
ментарного углерода 2175оС [17]
и 2340оС [50] ).
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” /PM/ или "particulate matter” или “particle pol-
lution”. Обычно “тяжелые” белые /бурые/ дымы имеют размер частиц 1-
10мкм, черные дымы 0,1-1мкм, “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
Горение древесины
81
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,%0510152025304050607580100
w,% 0 5,3 11,1 17,7 25 33,3 42,9 66,7 100 150 300 400 ∞
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.
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.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 80

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 d(кг/кг) = (w +
5,96αdo+ 0,54)/(w + 5,96αdo+ 1 + 5,96α) = do + (0,0906 + 0,168w)/(0,168
+ α), где α - 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 α /рис. 85, 86/.
Отметим попутно, что газы обладают способностью растворяться в
воде, в том числе и каплях тумана. Если растворимости азота 0,015
м3/м3 и кислорода 0,031 м3/м3 не велики, то растворимости углекисло-
го газа 0,88 м3/м3, сернистого газа 39м3/м3 и хлористого водорода
440м3/м3 значительны /все численные данные для 20оС/. 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.
Горение древесины
83
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 нм3 (то есть приведенные к нормальным физиче-
ским условиям 0оС 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.
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.
глава1 - 8 готовый макет:книга1.qxd 29.06.2014 22:02 Page 82

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-
Движение газов
85
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 p, температурой Т и плотностью
ρ /или концентрацией молекул n = ρ/m, где m - масса одной молекулы/.
Эти параметры входят в так называемое “уравнение состояния” иде-
ального газа p = nkT = ρRT, где k = 1,38.10-23 Дж/град - постоянная
Больцмана, R = кА = 8,31 Дж/г-моль.град = 287 м2/сек2град - 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 p, имеющее физический смысл
силы механического воздействия газа на единицу поверхности стенки
Рис. 88. Молекулы идеального газа, отскакивая от стенки,
создают механическое давление на стенку.
Рис.89. Расширение газа поршнем.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 84

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 p = nkT = ρRT = 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 р1 = 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-
Движение газов
87
ширения и сжатия газов возможны
только за счет изменений температу-
ры газов /обусловленных процессами
горения или теплопередачи от внеш-
них источников тепла или холода/.
Изменения же давления настолько
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 n /и соответственно плотность газа ρ/
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 = ρRТ 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 = Кργ, где К - коэффициент прямой пропорционально-
сти, γ = cp/cv - степенной показатель адиабаты, cp и cv - удельные теп-
лоемкости газа при постоянном давлении и постоянном объеме соот-
ветственно [58]. Степенной показатель адиабаты γ 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”,
86
Дровяные печи
Рис.90. Иллюстрация закона Паскаля при-
менительно к невесомой среде /жидкости или
газа/.
Рис.91. Иллюстрация закона Паскаля примени-
тельно к весомой среде /жидкости или газа/. Здесь и
далее под значком Δ /дельта/ будем понимать изме-
нение /увеличение или уменьшение/ величины пара-
метра, в данном случае глубины /высоты/ Н.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 86

поперечным сечением один квадратный метр. Таким образом, давле-
ние в нижней части микрообъема больше чем в верхней части микро-
объема. Эта разность давлений ρоgH - ρоg(H-ΔH), направленная вверх,
как раз и компенсирует силу тяжести микрообъема газа ρgΔH, направ-
ленную вниз /закон Архимеда/. Если же плотность газа внутри микро-
объема ρ меньше, чем плотность газа снаружи микрообъема ρо, то мик-
рообъем газа начинает всплывать, то есть выталкиваться окружающей
средой вверх силой Архимеда (ρо - ρ)gΔH.
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 ро одина-
ково как внутри, так и снаружи колпака, и для определения давления
Движение газов
89
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 ρоgH /рис.91/. То есть давле-
ние равно весу столба воздуха высотой Н и
88
Дровяные печи
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.
Рис. 92. Гидравлические аналогии: а - легкий горячий
воздух Г вытесняется из стакана тяжелым холодным
воздухом Х, б - вода выливается из перевернутого ста-
кана, в - легкий горячий воздух удерживается в опроки-
нутом стакане, г - вода удерживается в стакане.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 88

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
Движение газов
91
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
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/.
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.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 90

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 ρ является неизменной /а имен-
но такой случай рассматривается в разделах 2.4 и 2.5/, то уравнение
Бернулли приобретает вид p + ρgh + ρV2/2 = const, где p - давление
/как потенциальная энергия сжатия единицы объема жидкости/, ρgh -
потенциальная энергия объема жидкости в поле тяготения, h - высотный
уровень объема жидкости относительно “дна водоема” /напор/, ρV2/2 -
кинетическая энергия объема жидкости.
В случаях снижения суммы слагаемых (p + ρgh), жидкость уско-
ряется. То есть, напор h может преобразовываться либо в сжатие p,
либо в скорость V. Ускоряется жидкость ивместах сужения трубки
/вследствие сохранения массового расхода жидкости вдоль трубки/,
причем для обеспечения этого ускорения давление p или напор h долж-
ны неизбежно уменьшаться в ускоряющейся жидкости /рис.96/.
На горизонтальном участке трубы уравнение Бернулли упрощается:
p+ρV2/2 = Ро = const. Причем использовавшееся нами ранее понятие
давления p называют обычно “статическим давлением”, а член ρV2/2
- 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
Движение газов
93
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: p/ρ + gh + V2/2 = const. Это
простое уравнение /формула, теорема,
решение/ широко известно, в том числе
и бытовым печникам [62-75]. Оно выра-
92
Дровяные печи
Рис.98. Истечение жидкости /слева напра-
во/ из сосуда через отверстие длиной Lи
поперечным /”живым”/ сечением S под дей-
ствием перепада давления Δр = (p1 - p2).
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.
Рис.97. Манометрическая трубка для измере-
ния статического давления жидкости в сосуде :
слева - запаянная сверху вакуумированная труб-
ка, справа - открытая сверху на атмосферу.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 92

сосуде:Δр = ρgH. Тогда, линейная скорость истечения идеальной жид-
кости составит V = (2gH)0,5
-
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 V1, жидкость начинает
падать в атмосфере в поле земного тяготения с ускорением свободно-
го падения g, формируя непрерывно сужающуюся струю /рис.100/.
Поэтому, руководствуясь известной формулой V2 = ( V1 + gt ), каза-
лось бы, линейная скорость движения жидкости в нижней точке падения
S2 должна была бы быть равной V2 = V1 +[2g(H2 - H1)]0,5
= [2gH1]0,5 +
[2g(H2 - H1)]0,5
.
Но это совсем не так, поскольку свойствами аддитив-
ности обладают не скорости, а кинетические энергии. Действительно,
точный расчет дает значение V2 = [2gH2]0,5
, причем независимо от
соотношения высот H1 иH2 /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 ρV2S2 определяется вовсе не величиной
H2 /как в случае линейной скорости/, а именно толь-
ко величиной H1. Так что для повышения массово-
го расхода жидкости необходимо опускать отвер-
стие S1 как можно ниже. В-пятых, в силу закона
сохранения потока массы ρV1S1 =ρV2S2 увеличе-
Движение газов
95
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 ρgh и дав-
ления атмосферного воздуха pо /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 р1 = р2 + ρV2/2 , причем вне
зависимости от того, в боковой стенке или на дне сосуда расположено
отверстие. Отсюда следует, что V = [2(р1 - р2)/ρ] 0,5
= (2Δр/ρ) 0,5
, гдеΔр
- 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 = ma,
где F= (p1 - p2)S - сила, действующая на объем жидкости в отверстии
/канале/ длиной L и поперечным сечением S, m = SLρ - масса объема
жидкости в отверстии. Отсюда следует, что на длине отверстия L жид-
кость движется с ускорением a = (p1 - p2)S/SLρ = Δр/Lρ. Пользуясь
известными соотношениями V(t) = at иL(t) = at2/2, где L(t) - путь, прой-
денный за время t, получаем V = (2Δр/ρ) 0,5
.
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 не должен зависеть количественно
от конкретных условий перехода.
Предположим, что перепад дав-
ления Δр обусловлен напором
/высотой столба/ жидкости Hв
94
Дровяные печи
Рис.99. Истечение идеальной жидкости
из отверстия под напором жидкости Н.
Здесь ро - давление атмосферы, 1 -
неверное изображение трубки тока /см
раздел 2.4.8/, 2 - линия тока жидкости.
Рис.100. Геометрия струи жидкости, истекающей из отвер-
стия и затем свободно ускоряющейся в воздухе под действием
сил земного тяготения /см. текст/.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 94

жидкости в случае рис.100
можно увеличить либо увеличе-
нием Н1, либо увеличением
площади поперечного сечения
отверстия S1. 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
Движение газов
97
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-б/.
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 ρ/. Мы уже убедились, что по закону сохранения энергии
линейная скорость падающей жидкости зависит только от расстояния до
верхней /свободной/ поверхности жидкости. Значит, расход истекающей
96
Дровяные печи
Рис.101. Модельные представления
падающей жидкости /см. текст/.
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.
Рис.103. Подсоединение к сливному
отверстию сосуда нисходящего насадка того
же проходного /”живого”/ сечения позволяет
увеличить расход жидкости.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 96

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 V1 = V2 /рис.105-а/. Тогда при сте-
кании в точке А на наклонное дно жидкость начинает течь вниз по укло-
ну с ускорением gsinα /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 ρV1h1 =ρV2h2, где h - локальная глубина жидкости /рис.105-б/.
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
Движение газов
99
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-б/. 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-
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/.
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/.
Рис.106. Растекание по плоской горизон-
тальной поверхности свободно падающей
струи идеальной жидкости.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 98

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-б/.
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 Н0,5
. 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)0,5
. Суммируя /интегрируя/ все объемные
расходы послойно до глубины Н, получаем уточненную формулу для
общего объемного расхода G = 0,66b(2g)0,5H1,5
, 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
Движение газов
101
жидкости Δр = ρgh на одном и том
же высотном уровне /рис.105-б/.
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”/рис.107-б/. 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-
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/.
Рис.108. Перелив жидкости через пло-
тину /верхний край стенки сосуда/.
Рис.109. Перелив жидкости через
протяженный порог свободного гидро-
слива /через “незатопленную” плотину/.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 100

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
Движение газов
103
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)]0,5
,аобъ-
емный расход жидкости через порог перелива G = bh[2g(H - h)]0,5
.
Согласно принципу Буссинека-Беланже, при заданном напоре H на
пороге перелива устанавливается такая глубина h, которая обеспечи-
вает максимальный расход жидкости. Приравнивая нулю дифферен-
циал объемного расхода, находим экстремум, достигающийся при h =
0,66H. 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”/. 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 H, 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-
102
Дровяные печи
Рис.110.Перелив жидкости через протя-
женный порог подтопленного гидрослива
/через “частично затопленную” плотину/.
Рис. 111 . Иллюстративная схема
затопленных и незатопленных сливов
жидкости /см. текст/.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 102

/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/см2 /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-
Движение газов
105
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 h7 до h8. 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 -б/. Струи жидкости, истекающие в
жидкость, называются затопленными /или частично затопленными/. При
затоплении струи происходит уменьшение напора истечения жидкости
с величины H до величины h /рис.112-аирис.112-б/, что приводит к сни-
жению линейной скорости истечения с V1 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 V1 иV2 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
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.
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.
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.
Рис.115. Характер входа жидкости в трубу:
1- спектр стока, 2 - инерционное заужение,
3 - прямоточная струя.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 104

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 V1, но и в
Движение газов
107
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-б/, 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
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.
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.
Рис. 118 Сужение струи идеальной жид-
кости, истекающей под давлением из сосуда
в трубу /или насадок/, с образованием
застойных турбулентных /вихревых/ зон.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 106

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-
Движение газов
109
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(р1 - р2)/ρ] 0,5
= (2Δр/ρ) 0,5 /см. раздел 2.4 .2/.
Так что реальный расход жидкости приходится рассчитывать с учетом
поправочного множителя - коэффициента сжатия струи ε, 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 ε = 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 ε используются коэффициенты
газогидродинамического сопротивления ξ, 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
108
Дровяные печи
Рис.119. Образование застойных турбу-
лентных зон в затопленном гидроперели-
ве через донную плотину.
Рис.120. Образование застойных турбулентных зон в
местах затопленных поворотов потока жидкости в трубе.
Рис.121.Гидравлическая модель развития воздушного вихря /в частности, “дымового
кольца табакокурильщика”/ - появление вихревых колец в воде при импульсной подаче в
нее малого количества подкрашенной воды через цилиндрическую трубку [79].
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.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 108

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) + ρω2r2/2,
где ρ - плотность жидкости, r - радиус вращения, ω - угловая /круговая/
скорость /частота вращения/ жидкости. При этом жидкость вращается
как квазитвердое тело с частотой ω(r) = const. То есть, с увеличением
радиуса вращения увеличивается линейная скорость вращения V(r) =
ωr. Увеличивается и центробежная сила ρω2r, что и обуславливает
параболическую форму верхней /свободной/ поверхности жидкости и
аналогичную форму радиального распределения давления жидкости
на дне ρgh(r).
Из-за постоянства угловой скорости ω(r) = 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
произвольными и даже встречными скоростями
/из-за отсутствия вязкости/. Поэтому анализ дви-
Движение газов
111
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) = (∂Vx/∂y - ∂Vy/∂x). 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, авостальном 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 φ , и имен-
но rot grad φ = 0 математически всегда равен нулю /здесь φ - 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
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].
Рис.124. Сравнение теоретических /слева/ и наблюдаемых
/справа/ линий тока в сферической капле глицерина, падаю-
щей в касторовом масле [79].
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 110

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.
Движение газов
113
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-б/, 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 ρVr = 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 к оси 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-б/. 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/.
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.
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.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 112

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(у) 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(у) приобретает линейный вид, то есть
силы трения между слоями всюду одинаковы /рис.128-б/.
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
Движение газов
115
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 Fтр = KFо, где K - соответствующий коэффициент трения /покоя, скольжения или
качения/, Fо - 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 (V1 - 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
Fтр1-2 = μ(V1 - V2)/(у1-у2) = μ[dVx(y)/dy], где μ - коэффициент динамической вязкости.
Ввести понятие разности скоростей слоев (V1 - V2) без указания поперечного расстояния
(у1-у2) между сдвигаемыми слоями жидкости не удается, поскольку скорость смещения
слоев (V1 - V2) изменяется плавно /рис. 127-б/ 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.
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(у) - попе-
речное распределение продольных
скоростей потока.
Рис.128. Установившиеся
равномерные движения вяз-
кой жидкости: а - течение в
зазоре /или трубе/, б - сдвиг
верхней плоскости, в - на
наклонной плоскости в поле
тяготения.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 114

счет понижения давлений Р(х,0) вдоль оси трубы, то есть за счет отличия от нуля гради-
ента давления dP(х, 0)/dx. В результате, на начальном участке трубы возникает сложная
пространственная картина давлений Р(х,r). Завершается процесс перестройки течений
установлением стационарного /неизменного/ радиального распределения скоростей
Vх(х,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 r и длиной Δх про-
дольно действует суммарная сила давления Fдавл(r) = πr2АΔх. А касательно к стенкам
этого же “цилиндра” действует продольная сила вязкости Fвязк(r) = 2πrΔхμ[dVx(r)/dr]. Из
условия стационарности течения /отсутствия ускорений/ следует Fдавл(r) = Fвязк (r),
откуда после интегрирования имеем Vx(r) = (А/4μ)(R2 - r2). Это выражение известно под
названием “параболы Пуазейля” [80]. При этом скорость на оси вдвое превышает сред-
нюю скорость Vо. 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 Vxв(r) при вращении
трубы вокруг своей оси [86] /рис.130-б/. Развитие же в трубе турбу-
лентностей, наоборот, “затупляет” радиальное распределение про-
дольных скоростей до образования “плато” Vxт(r) /рис.130-в/.
2.5.2. Число Рейнольдса
На рис.127-б выделен объем жидкости, на который одновременно
действуют две противоположно направленные силы Fтр1-2 иFтр2-3
,
Движение газов
117
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”/: Vх(0,r) = Vо = 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 Р(х,R), перетекает /вытесняется/ в приосевые зоны, где и образу-
ется “ядро потока” в виде некоего “параболического” распределения продольной скорости
по радиусу Vх(х,r). Разгон приосевых зон жидкости вдоль оси происходит при этом за
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.
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 Vxв(r) во вращаю-
щейся трубе, в - распределение
скоростей Vxт(r) при турбулент-
ном течении.
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 δ1 - тол-
щина утолщающегося вязкого ламинарно-
го пограничного слоя, δ2 - толщина утон-
чающегося вязкого подслоя, δ3
-
толщина
утолщающегося турбулентного погранич-
ного слоя [63].
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 116

насколько силы инерции /приводящие к образованию вихрей/ превы-
шают силы вязкости /приводящие к затуханию вихрей/. При превышении
некоего критического значения числа Рейнольдса Reкрит возможно
нарушение ламинарности течения и возникновение неустойчивостей
/вихрей, пульсаций, турбулентностей/. В качестве характерной скоро-
сти V, характерного размера L и Reкрит 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, Reкрит = 2300,
- при внешнем обтекании твердого тела - линейную скорость вдали
от поверхности тела и поперечный размер /диаметр, ”мидель”/ тела,
Reкрит = 40,
- при течении вдоль плоской поверхности - линейную скорость вдали
от поверхности и продольную координату, Reкрит = 500000 /рис.131/.
Так, при течении воздуха с температурой 20оС по трубе диаметром
10 см турбулентность может возникнуть при скорости 0,5 м/сек, а с тем-
пературой 500оС 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 δ1 создается
некий “крутящий момент”, достаточный
для образования вихря. При этом воз-
никает турбулентная зона погранично-
го слоя δ3, расширяющаяся вдоль по
течению /рис.132/.
Движение газов
119
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 (∂Vx/∂y - ∂Vy/∂x ) /см. раз-
дел 2.4.10/. Поскольку в установившемся режиме ∂Vy/∂x = 0, то отличие от нуля ∂Vx/∂y дей-
ствительно указывает на вихревой характер движения жидкости /рис. 130-а/.
Сила внутреннего трения τx /в расчете на единицу площади касательного контакта/
тоже выражается через ∂Vx/∂y, а именно формулой Ньютона τx = μ(∂Vx/∂y) = νρ(∂Vx/∂y),
где μ = νρ - коэффициент динамической вязкости жидкости, ν - коэффициент кинемати-
ческой вязкости жидкости, ρ - плотность жидкости, ∂Vx/∂y - 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 ∂Vx/∂y ), а соотношением численных значений
коэффициентов при ∂Vx/∂y в уравнении движения. Это соотношение в уравнении Навье-
Стокса /см. раздел 2.5 .3/ имеет вид Re = ρVL/μ и называется критерием /числом/
Рейнольдса.
Разделив кинетическую энергию ρV2/2 на силу внутреннего трения
μV/ L (где L - характерный размер неоднородности течения), получаем
безразмерное число Рейнольдса Re = ρVL/μ, которое показывает,
118
Дровяные печи
Рис.132. Развитие неустойчи-
востей - сначала появляются
“извилистости” течения, а затем
при достижении критического
значения числа Рейнольдса Re =
2300 появляются турбулентности.
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 20оС /для диа-
метра цилиндра 1 см/, соответствующие ука-
занным числам Рейнольдса.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 118

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 Δ(p + ρgh + ρV2/2) = ρV(∂Vx/∂y) + (μ/L)(∂Vx/∂y) ,
где L - характерный размер неоднородности потока, а под значком Δ
/дельта/ по-прежнему понимается изменение величины параметра, в
данном случае величины (p + ρgh + ρV2/2).
Первый член в правой части соотношения Бернулли условного вида
Δpвихр = ρV(∂Vx/∂y) учитывает образование вихрей /с переходом посту-
пательной скорости во вращательную/. Второй член условного вида
Δpтр = (μ/L)(∂Vx/∂y) учитывает внутреннее трение внутри жидкости /вяз-
кость/. Вклады этих членов соотносятся численно между собой как кри-
терий Рейнольдса (Δpвихр)/(Δpтр) = Re = ρVL/μ. Если же Δpвихр и Δpтр
равны нулю, то получаем прежний вид уравнения Бернулли для тече-
ний ламинарной идеальной жидкости (p + ρgh + ρV2/2) = const .
Движение газов
121
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 = 3πμVd, где d - диаметр сферы.
Представим силу увлечения цилиндра поперечным потоком жидкости
в виде F = CdDL(ρV2/2) = ξ(ρV2/2), где Cd - коэффициент увлечения
/рис.134/, D - диаметр цилиндра, L - длина цилиндра, ξ - коэффициент
сопротивления, (ρV2/2) - кинетическая энергия потока /давление тор-
можения/. Тогда, при низких скоростях потока коэффициент увлечения
Cd и коэффициент сопротивления ξ будут обратно пропорциональны
линейной скорости набегающего потока /то есть будут обратно пропор-
циональны Re/. Поскольку поток при этом ламинарен, то ξ имеет в этом
случае смысл коэффициента трения ξтр = А /Re = АRe-1
, гдеА-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 ξ 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 ξ приобретает смысл коэффициента “газодинамического сопро-
тивления” ξгд, 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
120
Дровяные печи
Рис.134. Коэффициент увлечения
цилиндра
как
функция
числа
Рейнольдса [61]. Пунктиры соответ-
ствуют режимам течений на рис. 133.
Рис.135. Потери давления /сопротивление
как уменьшение тяги/ в прямой вертикаль-
ной трубе поперечным сечением 0,12х0,12 м
/в “полкирпича”/ с температурой 400оС,
плотностью горячих газов 0,5 кг/м3 и кине-
матической вязкостью μ/ρ = 0,4 см2/сек: 1 -
потеря давления за счет сопротивления тре-
ния при ламинарном потоке газа по формуле
Пуазейля с линейной скоростью Vм/сек, 2 -
потеря давления за счет сопротивления тре-
ния при турбулентном потоке газа по фор-
муле Блазиуса с линейной поступательной
скоростью турбулентного потока Vм/сек, 3 -
тяга трубы Δр = ρV2/2, ускоряющая поток
газа от нулевой скорости до Vм/сек.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 120

малые потери давления, и в большинстве
печных случаев ими можно пренебречь по
сравнению с тягой трубы /рис.135/.
Для турбулентных же течений коэффи-
циент сопротивления трения в трубе опре-
деляется эмпирической /эксперименталь-
ной, полученной из натурных опытов/ фор-
мулой Блазиуса ξтр = 0,32(l/d)Re-0,25, то есть
λ = 0,32Re-0,25. Удельное сопротивление
трения в турбулентном режиме составляет
Δpтр/l = 0,16μ0,25ρ0,75V1,75d-1,25 [63].
Эмпирическая формула Ритшеля дает для
турбулентного воздуха схожие результаты
Δpтр/l = 8.10-3ρ0,85V1,92d-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 Δpтр/l
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 δ2 высоты реальных шероховатостей
рано или поздно смогут выйти за пределы медленного ламинарного
пограничного слоя δ2. И скоростное турбулентное обтекание высоких
зубцов шероховатостей а > δ2 даст свой вклад в увеличение общих
потерь на пристеночное трение.
Движение газов
123
Физический смысл Δpвихр иΔpтр становится ясным из уравнения
Бернулли (p1 + ρgh1 + ρV12/2) = (p2 + ρgh2 + ρV22/2) + Δpвихр +Δpтр, где
индексами 1 и 2 обозначаются состояния потока жидкости /газа/ в раз-
ных сечениях трубки тока. Если мы имеем установившееся горизон-
тальное течение (h1 = h2 и V1 = V2), то перепад статического давления
оказывается равным (p1 - p2) = Δp =(Δpвихр +Δpтр). То есть, сумма
(Δpвихр +Δpтр) представляет собой общую потерю /падение/ статиче-
ского давления вдоль по тракту течения. При этом Δpвихр представ-
ляет собой потери давления из-за развития турбулентностей, а Δpтр -
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 Δpтр, обусловленные внутренним трением /вяз-
костью/, принято выражать через коэффициенты сопротивления трения
ξтр по формуле Δpтр =ξтр(ρV2/2), хотя сама величина ξтр тоже зависит
от линейной скорости V. В свою очередь коэффициенты сопротивление
трения ξтр обычно представляют в виде соотношения Дарси-Вейсбаха
ξтр = λ((l/d), где λ - так называемый гидравлический коэффициент тре-
ния, l - длина трубы, d - диаметр трубы, (l/d) - геометрический фактор
/длина трубы в калибрах/. Отметим, что и гидравлический коэффициент
трения λ не является константой и зависит не только от V, но и от d.
Для ламинарного течения в круглой трубе справедлива формула
Пуазейля ξтр = 64(l/d)μ/(ρVd) = 64(l/d)/Re, где λ = 64/Re, а Re = ρVd/μ
(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 Δpтр/l = 32μV/d2 = 128μG/πd4, где V -
линейная скорость вм/сек, G - объемный
расход жидкости в м3/сек, μ - динамиче-
ская вязкость [87]. Это чрезвычайно
122
Дровяные печи
Рис.136. Удельные потери /перепады/ давления
воздушного потока на турбулентное трение Δpтр/l 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
металлических дымовых труб классических откры-
тых каминов.
Рис.137. Критическая линейная скорость дымовых
газов при температуре Т, отвечающая переходу потока
дыма в турбулентный режим при Re = 2300 [49].
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 122

вых каналах бытовых кирпичных печей потерями давления на трение
порой можно пренебречь по сравнению с “гидродинамическими” поте-
рями давления Δpвихр, 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”/, 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.
Движение газов
125
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 lgRe = 3,36/ происходит скачком с повы-
шением гидравлического коэффициента трения λ 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 (а/d) < 0,001 /где а - высота выступов, d -
диаметр трубы/, формула Блазиуса остается справедливой вплоть до
lgRe = 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 (а/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-
124
Дровяные печи
Рис.138. Характер зависимости
логарифма гидравлического коэф-
фициента трения λ 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 a - высота шероховатостей,
d - диаметр трубы.
Рис.139. Оценочные значе-
ния величин коэффициентов
газодинамического сопротив-
ления резких изменений тече-
ний ξгд, относящиеся к
величинам скоростей Vв
местах расположения стре-
лок.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 124

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.
Движение газов
127
Потери давления из-за таких мелкомасштабных вихрей также учи-
тываются формулой общего вида Δpвихр = ξгд(ρV2/2), где ξгд - коэффи-
циент “газодинамического сопротивления”. Часто ξгд обозначают как
коэффициент местного сопротивления ξм.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 ξгд охватывает и ламинарные, и турбу-
лентные течения. При ламинарности исходного потока коэффициенты
газодинамического сопротивления ξгд 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 ξгд обычно
слабо зависят от числа Рейнольдса при Re > 104 -105 [89-91].
В печной практике полезно помнить в уме порядок величин коэф-
фициентов ξгд 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
Δp = ΣΔpвихр = Σ[ξгд(ρV2/2)] вдоль по всему тракту течения.
Сложив ориентировочные значения коэффициентов газодинамиче-
ского сопротивления открытой дверки поддувала ξгд = 0,5, колосниковой
решетки ξгд = 1,5, поворота в топке ξгд = 1,5, хайла ξгд = 0,5, двух дымо-
разворотов ξгд = 4 и выхода из дымовой трубы ξгд = 1 получаем ориен-
тировочный коэффициент газодинамического сопротивления каналь-
ной бытовой кирпичной печи порядка Σξгд = 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,
126
Дровяные печи
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 45о.
Рис.141. Коэффициенты газодинамического сопротивления трубных переходов.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 126

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 ξгд = 1. Впоследствии
выяснилось, что для технически гладких труб это значение повышает-
ся до ξгд = 1,1. А для шероховатых труб получен большой разброс экс-
периментальных данных в диапазоне ξгд = (1,1 - 2,0). Для прямоуголь-
ного колена кирпичного канала квадратного сечения можно условно
принимать ξгд = 1,5, а для прямоугольного сечения - до ξгд = 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 α 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 = εGо =
εS(2Δp/ρ)0,5
, где Gо = S(2Δp/ρ)0,5
- теоретический объ-
емный расход при отсутствии сужения, ε - коэффици-
ент сжатия струи, S - площадь отверстия, εS - 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 = φεGо = μGо,
где φ - добавочный “коэффициент скорости”, учиты-
вающий трение, а суммарный коэффициент μ = φε
Движение газов
129
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.
128
Дровяные печи
Рис.143. Коэффициенты газодинамическо-
го сопротивления круглого всасывающего пат-
рубка с разными размерами и углами раскры-
тия раструба [90].
Рис.142 .Коэффициенты газодинамического
сопротивления колена трубы прямоугольного
сечения [71].
Рис.144. Пример металлической печи с дымооборо-
тами [94]: а - места возможных завихрений, б - сгла-
живание поворотов устраняет наличие вихревых зон.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 128

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-
Движение газов
131
носит название “коэффициента расхода”. Коэффициент скорости φ можно выразить через
коэффициент сопротивления трения ξтр по формуле φ = (1 + ξтр)-0,5
, которая следует из
соотношения Бернулли ρV2/2 = Δp - Δpтр =Δp - ξтр(ρV2/2). Характерные величины коэф-
фициентов для отверстия в тонкой стенке составляют ε = 0,62, φ = 0,98, μ = 0,61, ξ = 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]: Нкр/d = 0,5V0,56(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: ε = 1,0, φ = 0,82, μ = 0,82, ξ = 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
ξгд = 0,5 формально ввести понятие инер-
ционного сужения потока жидкости на входе
втрубуε=(1+ ξгд)-0,5 =1,5
-0,5
= 0,82.
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].
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/.
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.
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(dо/x).exp(-74,5y2/x2).
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 130

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 x = 6do 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 250. Так, струя с начальной скоростью в сопле 1 м/сек, исте-
кающая из прямоточного сопла диаметром 10 см с начальным расхо-
дом воздуха 28 м3/час, на расстоянии 3 м имеет диаметр 1,2 м, ско-
рость на оси 0,2 м/сек и расход 280 м3/час. Коэффициент эжекции β,
характеризующий интенсивность присоединения к струе массы окру-
жающей среды на единицу длины струи за счет вязкости и вихреобра-
зования, достигает при этом значений β = (G/Go)/(x/do) = 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
Δpвихр = ξгд(ρV2/2). При этом коэффициенты
газодинамического сопротивления ξгд равны
единице вне зависимости от формы сопла
/рис.150/. Это фактически означает необрати-
мую потерю струей всей своей кинетической
Движение газов
133
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
p + ρV2/2 = 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/.
132
Дровяные печи
Рис.149. Схема слияния отдельных прямоточ-
ных струй в единый фронт движущегося газа.
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.
Рис. 151. Коэффициенты газодинамиче-
ского сопротивления свободного выхода
затопленной струи из расширяющегося
сопла /диффузора/ с разными углами рас-
крытия конуса диффузора α.
Рис.152. Экран 2 за цилиндрическим выходом или за
диффузором 1 с углами расширения α < 30о всегда вызы-
вает увеличение газодинамического сопротивления. Экран
за криволинейным /с увеличивающимся углом расшире-
ния/ диффузором или за конусным диффузором с углами
расширения α > 300 может значительно уменьшать газо-
динамическое сопротивление истечения /при соответ-
ствующем выборе расстояния от экрана до диффузора/ за
счет “сдува вихрей” [91].
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 132

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-
Движение газов
135
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
250/, то все преимущества диффузо-
ра пропадают из-за возобновления
подсоса внешней среды, и коэффи-
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 А и в пери-
ферийной /пристеночной/ зонах, р1 - давле-
ние в ресивере, р2 - давление в атмосфере.
Рис.154. Уменьшение вихреобразования
при уменьшении резкости расширения
трубы: а - внезапное раширение, б - посте-
пенное, в - плавное.
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.
Рис.156. Траектории движения (а) и эпюры
скоростей (б) в газовой /жидкостной/ струе,
затопленной в прямоточной полости.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 134

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-б/ 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/.
Движение газов
137
ний канала вихреобразование уменьшается /рис.154-б/ 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
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].
Рис.158. Схемы полуограниченных струй газа /жидкости/.
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.
глава2 - 8 готовый макет:книга1.qxd 27.01.2014 22:02 Page 136

138
Дровяные печи
часто рассматривают условно /с точностью “до наобо-
рот”/ как каплю жидкости, падающую /свободно ускоряю-
щуюся вниз/ в воздухе под действием сил тяготения
/рис.101/. Локальный объем горячего газа Г, всплывая,
“раздвигает” окружающий холодный газ и направляет его
из лобовой части в тыльную по стрелке Х /рис.160/.
При отсутствии вязкости эти перетоки холодного газа
не испытывают сопротивления, и локальный объем газа
Г свободно ускоряется вверх под действием подъемной
силы Архимеда g(ρх-ρг) = gΔρ, 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 Δρg/ρг 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 gΔρ/ρг, 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 = 3πμVd, где π = 3,14 - безразмерное число Пифагора, μ - 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-
Движение горячих газов
139
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 ρх до меньшей величины ρг =ρхТх /Тг, где Тх - абсолютная темпе-
ратура (в оК) 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
Рис.160. Гидравлическая модель сферического объема горячего
газа, всплывающего под действием подъемных сил в среде холодного
газа: Г - горячий газ, Х - холодный газ, V - скорость, h - высота подъема.
Рис.161. Всплытие объема горячего воз-
духа Г в окружении холодного газа Х: а,б -
при отсутствии вязкости форма объема не
меняется /при одновременном “старте” всех
частей объема/, холодный газ Х ламинарно
перетекает из лобовой части всплывающего
объема в тыльную, в - при наличии вязкости
/трения обтекания/, г - при возникновении
турбулентности при большой скорости V.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 138

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-
Движение горячих газов
141
ния величины скорости подъема V = (2gΔρhкр/ρг)0,5
, равной величине
скорости витания Vвит = 0,056d2gΔρ/μ, когда подъемная сила
0,167πd3gΔρ сравнивается с силой сопротивления трения 3πμVd.
Численные оценки свидетельствуют, что при характерных темпера-
турах горячего газа Тг = (100 - 1000)оС 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)оС как раз при значитель-
ных размерах объемов горячего газа d > (10-3
- 10-2) м, соответствующих
числам Рейнольдса Re = ρVd/μ > 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
140
Дровяные печи
Рис.162. Холодный газ “подлезает” под объем
горячего газа: а - под объемом горячего газа Г
(белые кружочки) располагается зона пониженно-
го статического давления (ро+Δpг) < (ро+Δpх),
куда и устремляется окружающий холодный газ Х
(черные кружочки) по стрелке V, б - в отверстии-
”форточке” горячий газ Г /область с точками/
устремляется вверх в зону холодного газа Х, 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.
Рис.164. Типы схем принудительной приточной
вентиляции помещений: а - схема смешения с пода-
чей турбулентной струи свежего воздуха Х с
неизбежным образованием сквозняков и застойных
зон, б - схема вытеснения с ламинарным подтека-
нием фронта свежего воздуха через перфорирован-
ную стенку /пористую, волокнистую/.
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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 140

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
Движение горячих газов
143
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”.
142
Дровяные печи
Рис.166. Структура нестесненной
гравитационной конвективной струи,
создающейся над локальным источ-
ником тепла мощностью 20 кВт.
Расчетные формулы:
ΔT(oC) = 24,5[W2(кВт)/x5(м)]0,33
,
Vox(м/сек) = 1,33[W(кВт)/x(м)]0,33
,
где ΔT - 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].
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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 142

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 6do /см. раздел
2.5 .5/. Если же струя горячая /в холодной среде/ и направлена вверх, то
ее дальнобойность увеличивается в (Тг/Тх)0,5 раз, где Тг и Тх - абсо-
лютные в оК температуры горячей струи и холодной среды. То есть горя-
чая струя с температурой 900оС в среде с температурой 20оС 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
Движение горячих газов
145
этот вентиляционный воздух может кардинально
отличаться от “воздуха” /а фактически дымовых
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 ρV2. Понятие струй введено математиками, заинтересо-
вавшимися автомодельностью скоростных турбулентных истечений -
144
Дровяные печи
Рис.167. Гравитационная конвекция в полуограниченном
пространстве: 1 - горячая стенка, 2 - ламинарный участок кон-
вективного потока, 3 - турбулентный /струйный/ участок кон-
вективного потока, 4 - конвективный поток горячего газа, рас-
текающийся по потолку, 5 - нестесненная струя горячего газа.
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, Г1
- 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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 144

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”/ 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
Движение горячих газов
147
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.Г1
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 p = 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-б/. 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.
146
Дровяные печи
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).
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).
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 146

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/.
Движение горячих газов
149
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”/ 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
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 S1 нестесненной струи на высоте h2.
Рис.172. При всплытии небольшого /мало-
го по размерам/ объема горячего газа цир-
куляция холодного газа Х 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).
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 148

/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 H,
заполненного горячим газом Δp = (ρх - ρг)gH, где ρг иρх - 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”/ 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-
ления на стенке трубы 1-100 Па.
Наличие тяги позволяет существенно
/порой в несколько раз/ увеличить рас-
ход газа через трубу /или через конвек-
тивный зазор у стенки печи на рис.168/
по сравнению со случаем нестесненного
архимедова всплытия горячего газа в
неограниченном пространстве.
Движение горячих газов
151
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
простейшей модели газовой кухонной горелки с трубой - в момент
заполнения горячим газом всего поперечного сечения трубы появляет-
ся подсос холодного газа в трубу снизу по стрелке Х, 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 S1 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-б 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
150
Дровяные печи
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 Х.
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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 150

При условии сохранения массового потока тол-
щина слоя h(у) нагретого газа по направлению
движения “у” окажется постоянной h(у) = const,
поскольку переменного решения h(у) 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-б
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
Движение горячих газов
153
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-б 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 (ρх - ρг)gH 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)(ρх - ρг)/ρг]0,5 /см. раздел 2.4.6/.
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).
Рис.176. Пояснения к переходу от потолочного течения без
тяги к трубному течению с тягой /см. текст/.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 152

пространство полости колпака 2 и из колпака истекать не будет
/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-б, уклон будет определять-
ся расходом нагретого газа /рис.176-б/.
Если сквозное течение 4 ограничить дном 8 /рис.176-в/, обозначенном
на рис.176-б 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 так же, 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-
Движение горячих газов
155
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 = Ai0,5S, 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-б/. 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
154
Дровяные печи
Рис.177. При малом расходе горячего газа Ги
больших поперечных сечениях труб Г1-Г3 восхо-
дящий конвективный не способен заполнить все
трубы (а). При большом расходе горячего газа
или при узких трубах заполняются все трубы (б).
Рис.178. При любом расходе нисходящий
поток горячего газа заполняет все нисходящие
трубы равномерно.
Рис.179. При большом поперечном сечении
выходного отверстия S1 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.
Рис.180. Если за параллельными восходящими трубами
следует нисходящий канал, то все восходящие трубы запол-
няются горячим газом.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 154

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
Движение горячих газов
157
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 Г1, а в остальные восходящие
трубы Г2 и Г3 горячий газ не попадет.
156
Дровяные печи
Рис.181. Гравитационный конвективный поток Г2 от настенного
нагревателя Н2 развивается в гравитационном потоке Г1 от настен-
ного нагревателя Н1.
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.
Рис.182. Пояснения к термину тран-
зитной конвекции: конвективный поток
Г2 развивается в транзитном конвек-
тивном потоке Г1, 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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 156

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-б/.
3.6.5. Транзитная конвекция в полостях
Гравитационный конвективный поток Г1 от горячей поверхности Н1,
возникающий в одном узле печи, затем может проникать в другой узел
/рис.181/. И там этот первичный гравитационный поток Г1 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
Движение горячих газов
159
от обратного - из предположения, что все восходя-
щие трубы полностью заполнены всплывающим
горячим газом. То есть, рассмотрим случай, когда
трубы Г1 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 Г1 случайно понизилась “на самую малую величи-
ну” [60]. Тогда вес столба Г1 станет больше, чем вес столба Г2, и поэто-
му скорость подъема Г1 окажется меньше, чем скорость подъема Г2.
Уменьшение скорости подъема еще более понизит температуру осты-
вающего горячего газа Г1. В конце концов, случится так, что поток газа
Г1 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 Г1/.
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-б/.
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 Х /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
158
Дровяные печи
Рис.184. Гравитационные конвективные движения газов в
топливнике печи: Ц - циркуляционная тректория, Т - вентиля-
ционная транзитная траектория.
Рис.185. Одна часть транзитного потока Т1 усиливает цир-
куляционный поток Ц от нагревателя Н. Другая часть транзит-
ного потока Т2 ослабляет циркуляционный поток Ц.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 158

нить переполнение горячими газами поперечного сечения патрубка S2
на рис 179-б 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-
Движение горячих газов
161
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 Г1, а в
полости на верхнем ярусе - поток горячего газа Г2 /рис.182/. Ясно, что
поток Г2 развивается в потоке Г1, и поток Г1 воспринимается в верхнем
ярусе как поток от внешнего постороннего источника. Поэтому поток Г1
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 Т1/ 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-
160
Дровяные печи
Рис.186. Пространственное распределение горячих кон-
вективных потоков с разной температурой Т1 >Т2 >Т3 в мно-
гоканальной полости.
Рис.187. Пространственное распределение горячих конвек-
тивных потоков с разной температурой Т1 >Т2 >Т3 в тупиковой
полости.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 160

величиной ΔТ 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
Движение горячих газов
163
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 Т1 /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 Т1 тяги не создают, а лишь самопроизвольно
всплывают в потоке медленно всплывающих менее горячих газов Т3.
Именно для этих самых горячих газов Т1 лучше 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 ΔТ, в теории вентиляции вводится понятие безразмерного числа
Архимеда Ar = (ρх - ρг)gH/ρVт2 = gHΔТ/ТVт2 как соотношения кинетиче-
ских энергий собственного /в том числе циркуляционного/ конвективного
потока горячего воздуха ρVс2/2 = (ρх - ρг)gH в полости и сквозного тран-
зитного потока ρVт2/2 с линейной поступательной скоростью Vт. Ясно,
что чем выше перепады температур ΔТ 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
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].
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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 162

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-
вую трубу - в дымовое
окно 2. Постепенно при-
крывая задвижку на
Движение горячих газов
165
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 так же, 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-б/.
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
164
Дровяные печи
Рис.190.Схемы печей с “вольным” движением дыма: а-
колпаковая /струйная/ печь В.Е .Грум-Гржимайло, патент
России No1219 от 14.03 .1917, б - отопительная печь
И.С.Подгородникова “двойной колпак” [96].
Рис.192. Пояснение физи-
ческой сути “прямой” и“обра-
щенной” тяги /см.текст/.
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
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 164

/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-б/ . 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-б/.
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/.
Движение горячих газов
167
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”/.
Впоследствии, дымовое окно в своде исключили совсем, и выпуск
всего горячего дыма из печи стали делать снизу /191-б/. 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-б/. 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
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.
глава3 - 8:книга1.qxd 10.01.2014 0:06 Page 166

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/.
Газодинамика конвективных систем
169
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
168
Дровяные печи
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 168

4.1.2. Водоводные схемы транспорта
Водоводные способы транспорта являются простейшими непрерыв-
но-проточными транспортными приемами /рис.195-б/, 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/.
Газодинамика конвективных систем
171
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/.
170
Дровяные печи
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 170

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-б/, 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
Газодинамика конвективных систем
173
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-б/.
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-б/. Во всех
этих случаях горячие газы будут течь /всплывать/ под собственным
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.
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 172

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-
Газодинамика конвективных систем
175
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-б/,
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.
174
Дровяные печи
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 174

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
Газодинамика конвективных систем
177
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-б/ . 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.
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/.
Рис.203. Горячий газ, поднимаясь вверх,
набирает статическое давление ро (а) и рас-
ходует его на набор скорости V(б) и на опус-
кание вниз - по каналу (в) или фонтаном (г).
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 176

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.3/,
-
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/.
Газодинамика конвективных систем
179
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
1000оС /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.
178
Дровяные печи
Рис.204. Принципиальная схема мартеновской печи.
Рис.205. Классификация теплоемких отопительных печей по ГОСТ 2127-47.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 178

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.
Газодинамика конвективных систем
181
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-б/. 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].
180
Дровяные печи
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: 0в, 0н и
0с - 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, Δр - пере-
пад /разница/ давлений между внутрипеч-
ной средой и внешней воздушной атмо-
сферой, ρ - 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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 180

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 Δр = (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 0с 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 0в, 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 0в всегда равно весу /напору/ воздушного столба невоз-
мущенной атмосферы над этой точкой /рис.208/. Поэтому при анализе
приходится исходить из статической эпюры давлений, реализующейся
Газодинамика конвективных систем
183
Тогда в отсутствии газовых потоков
пространственные распределения стати-
ческих давлений в коленах газовой системы будут определяться по
законам гидростатики как алгебраические суммы давления в некой
базисной точке отсчета /0в, 0н или 0с/ и весов газов ρgH 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 0в, 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 ρгgH меньше веса стояка с холодным
атмосферным воздухом ρхgH, 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 Δр = (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 Δр = (рнх - рнг ) = (ρх - ρг)gH.
При открытой нижней задвижке /то есть при открытом поддувале/ и
закрытой задвижке на трубе за базисную точку отсчета примем нижнюю
точку 0н, общую как для колосниковой решетки /пода/ печи, так и для
внешней воздушной атмосферы на том же высотном уровне /то есть
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 182

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 Δрг 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 p = ρgh. 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 pх равно статическому давлению pг, а скорость Vх равна скорости
Vг. При равенстве высот колен hх =hг =hполучаем из уравнения
Бернулли (pх + ρхghх + ρVх2/2) = (pг + ρгghг + ρVг2/2) + Δpвихр + Δpтр усло-
вие движения (ρх -ρг)gh = Δpвихр + Δpтр. То есть вся разность весов
колен оказывается равной невосполнимым потерям статического дав-
ления на завихрения и на трение. Вот эта величина разности весов
колен (ρх -ρг)gh и обозначена условно как круговой перепад Δрг /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 ирнх, задаваемых состоянием
Газодинамика конвективных систем
185
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 Δрг 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 Δрг 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 Δрг /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.
184
Дровяные печи
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 184

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.
Газодинамика конвективных систем
187
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
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 Δрг. 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 ξ коэффициентов сопротивле-
ния трения и коэффициентов газодинамического сопротивления /см.
стр. 126/, рассчитываем скорость газового потока V по известной
величине кругового перепада статических давлений Δрг = Σ[ξ(ρV2/2)], 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 Δрг = (ρх -ρг)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.
186
Дровяные печи
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.
Рис.210. Принципиальная схема модельной печи двух-
оборотная. Распределение статических давлений с при-
вязкой к базисным точкам приведено на рис.211.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 186

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”/ 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 -б/. 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/.
Газодинамика конвективных систем
189
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.
188
Дровяные печи
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 .
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 188

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
Газодинамика конвективных систем
191
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 перекрыш 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/.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 190

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) ρV2 с
силой вязкого взаимодействия потоков /в том числе и с силой противо-
действия встречному движению/ μdV/dx = μV/L, где dV/dx - градиент ско-
рости, L – поперечный размер канала, μ - коэффициент динамической
вязкости /рис.81/. Полученное безразмерное соотношение указанных
величин Re = ρVL/μ 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 = ρVS, где
S = L2 - площадь поперечного сечения канала или полости. Тогда из
числа Рейнольдса Re = G/Lμ, 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/.
Газодинамика конвективных систем
193
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 192

4.5.2. Виды встречных течений
Ранее /см. раздел 3.7.1/ было введено понятие безразмерного числа
Архимеда Ar = (ρх - ρг)gH/ρV2 = gHΔТ/ТV2 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 Ar /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-б/.
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”/, но и нисходящие 2 /”обращенная тяга”/.
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
Газодинамика конвективных систем
195
Применительно к печам это
означает, что в каналах,
например, с проходным сечением 12х12см /”в полкирпича”/, турбулент-
ность наступает в случае температуры газа 20оС при линейной скоро-
сти газа 0,25 м/сек (при объемном расходе газа 14 нм3/час), а в случае
температуры газа 300оС - при линейной скорости газа 1,0 м/сек (при
объемном расходе газа 50 нм3/час) . При характерных объемных рас-
ходах газов в типичных печах 50-200 нм3/час (то есть “нормальных
кубов” - приведенных к температуре 20оС) 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 (ρx–ρг)gH = ρgHΔT/T с
силами вязкости μV/L, где ΔT – 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 = ρgHLΔT/μVT = ρ2gHL3ΔT/μGT 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-б/. 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 ΔT и особенно с уменьшением размеров полости HL3 /рис.215/.
Малые значения числа Грасгофа Gr отвечают “мертвой” полости, в
которой потоки газа не только ламинарны, но и однонаправлены.
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.
Рис.216. Вентиляционные /восходящие 1 и нисходя-
щие 2/ и циркуляционные Ц течения. Г - горячий газ, Х -
холодный газ.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 194

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 ρ, 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 = ρVS по тракту печи.
Газодинамика конвективных систем
197
встречным течением в верхнем контуре, и два цир-
куляционных контура сливаются в один /рис.216-б/ .
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-б/.
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/,
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/.
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/.
Рис.218. Компьютерный расчет меха-
низма появления тяги в горячей трубе
500оС 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/.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 196

давления восстанавливались при
возвращении величин проходного
сечения и температуры к исходным значениям. Но в реальных газах
имеются необратимые потери давления Δрг из-за турбулентности и
вязкости, пропорциональные динамическому напору Δрг = ξ(ρV2/2). 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
ξρV2/2 = ξGV/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/.
Газодинамика конвективных систем
199
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 + ρV2/2 = р + GV/2S = р + G2/2ρS2 = const сле-
дует, что при постоянстве массового расхода газов G статическое дав-
ление рвпотоке “самопроизвольно” возрастает либо при расширении
канала /то есть при увеличении проходного сечения канала S при посто-
янстве плотности газа ρ/, либо при снижении температуры Т /то есть при
увеличении плотности газа ρ 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
198
Дровяные печи
Рис.220. Снижение температуры Т2 <Т1 /при постоянстве
проходного сечения канала S/ приводит к снижению линейной
скорости V, к повышению плотности газа ρ и статического
давления р, что обнаруживается по появлению обратного
/встречного/ потока в шунте /термоинжекция/.
Рис.223. Эпюры статического давления: а -
для традиционной схемы рис.222 -а, б - для
условно оптимизированной схемы рис.222-б .
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).
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/.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 198

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-
Газодинамика конвективных систем
201
Охлаждение газа при течении в канале по-житей-
ским 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/.
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 200

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
Газодинамика конвективных систем
203
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
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.
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.
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.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 202

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/.
Газодинамика конвективных систем
205
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.
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.
Рис.230. Виды полостей: а - полнопро-
точная полость, б - колпак, в - оборотный
канал с расширением.
глава4 - 8 готовый макет:книга1.qxd 20.12.2013 13:57 Page 204

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-
Топочные устройства печей
207
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
206
Дровяные печи
Рис.231. Ложе /под/ в костровых устройствах: а,б - глухой под, в, г, д - решетчатый под.
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.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 206

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-
Топочные устройства печей
209
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-
208
Дровяные печи
Рис.233. Схемы решетчатых топливников: а
- топливник верхнего горения /в данном слу-
чае топливник Браббе с нижним дымооборо-
том/, б - топливник нижнего горения.
Рис.234. Топливники с углублениями
/”шахтами”/: а - решетчатые с наклон-
ными стенками, б - решетчатые с вер-
тикальными стенками, в - подовые с
вертикальными стенками.
Рис.235. Топливник теплоемкий кирпичный (а)
и нетеплоемкий металлический (б). Волнистыми
стрелками показаны уровни интенсивности
лучистого излучения, определяемые темпера-
турой внешних сторон стенок топливника.
Рис.236. “Наружное” (а) и“внутреннее”
(б) расположение топливников в печи.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 208

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 500оС. 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
Топочные устройства печей
211
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-б/. “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-
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.
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.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 210

удачно приготовить пищу, а может и неудачно в зависи-
мости от квалификации конкретного повара.
В прежние времена в эпоху подовых духовых печей и
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.
Топочные устройства печей
213
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
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).
Рис. 242 . Потоки газов в костре на решетчатом поде при
наличии тяги /в данном случае в виде вытяжки в зонте/.
Рис.241 . Зазоры /промежутки/ между вертикально установленными
поленьями образуют горячие дымовые каналы с появлением тяги костра.
Рис.240. Потоки газов в костре на глухом и решет-
чатом поде в отсутствии тяги.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 212

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, что
приводит к постепенному затуханию костра в замкнутой полости.
При появлении в полости вытяжной вентиляции Гт /от всплытия горя-
чих газов в трубе/ возникает поток Хт, обеспечивающий горящий костер
свежим приточным воздухом /рис.242/. Этот поток Хт направлен из воз-
духоподающего отверстия в хайло, и надо, чтобы поток Хт обязатель-
но “задевал” горящие дрова. Ясно, что величина потока Хт совсем не
зависит от интенсивности горения дров, а полностью определяется
величиной тяги дымовой трубы /в отличие от потока Хг/.
Таким образом, помимо обычных для “свободных” классических костров потоков воз-
духа на горение дров Гг и Хг, вентилирующих полости закладки дров, появляются допол-
нительные потоки в трубу Гт и Хт, вентилирующие полость топливника. То есть, возникают
две самостоятельные системы вентиляции - костра и топливника. По аналогии с венти-
ляцией здания, мы имеем, грубо говоря, случай общеобменной приточно-вытяжной вен-
тиляции здания и локальной вентиляции помещения, встроенного в здание. Причем крат-
ности вентиляции здания и встроенного помещения могут быть разными. В случае Хг >
Хт мы заведомо имеем режим самопродувки костра циркуляционным воздухом /модель
замкнутой полости/, а в случае Хг < Хт имеем /а можем и не иметь/ режим внешней про-
дувки костра транзитным потоком за счет тяги трубы /модель полнопроточной полости/.
При наличии в поду решетки, часть
приточного воздуха Хт /а может быть и
весь Хт/ начинает проникать в топливник
именно через решетку в виде потока Хр
/рис.242/, раздувающего дрова. Но при
отсутствии тяги трубы поток Хр равен
Топочные устройства печей
215
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 так же 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/.
214
Дровяные печи
Рис.244. Подача воздуха в закладку при глухом
поде: а - растопка в отсутствии тяги, б - горение в
отсутствии тяги, в - растопка при наличии тяги, г -
горение при наличии тяги.
Рис.243. Топливники с решетчатым
подом: а - решетка по всему дну топливни-
ка, б - центральная решетка ограниченных
размеров, в - периферийная решетка огра-
ниченных размеров.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 214

обычно малым /в отличие от решеток/ проходным сечением воздухопо-
дающих отверстий /рис.244-а/. Приоткрывая же дверку топливника,
можно добиться быстрого разгорания растопки, но с большой веро-
ятностью выброса дыма в помещение /рис.244-б/. Если тяга Гг и появит-
ся, то это не значит, что дрова будут быстро разгораться. Дело в том, что
пока топливник холодный, холодный свежий воздух Хт не стремится
идти по дну топливника в дрова, а пойдет выше дров прямо в трубу,
поскольку в топливнике воздух пока тоже преимущественно холодный,
и входящий воздух не будет тонуть в воздухе топливника /рис.144-в/. То
есть быстрого разгорания дров можно ожидать как раз именно при верх-
нем расположении растопки 2, а при нижнем расположении растопки 3
вероятность быстрого разгорания дров не велика - придется брать
дрова помельче, а остронаправленный в хайло поток свежего воздуха
придется как-то разбивать-рассеивать по сторонам так, чтобы часть све-
жего воздуха попадала в низкорасположенную зону растопки. В разо-
гретом же топливнике холодный воздух тонет и стелится по глухому
поду, втекает под дрова /рис.244-г/ и при усилении тяги начинает интен-
сивно раздувать дрова остронаправленной затопленной струей по поду
/по аналогии с обычным бытовым раздуванием углей костра ртом/.
Способ разжигания дров растопкой 2, расположенной в верхней
части закладки дров, обычно называется “верхним розжигом”.
5.3.3. Подача вторичного воздуха
Особым случаем подачи свежего воздуха в топливник является мно-
гозональный ввод в целях дожига летучих. Дело в том, что если в случае
глухого пода свежий воздух беспрепятственно обтекает закладку дров
сверху, то в случае решетчатого
пода свежий воздух поступает в
зону над дровами через слой горя-
щих углей и неминуемо обедняет-
ся кислородом /рис.245/. При
нехватке кислорода языки пламен
над дровами удлиняются, меняют
цвет с желтого на красный /бордо-
вый/ и могут начинать дымить.
Топочные устройства печей
217
нулю /в отличие от рис.240/, поскольку
топливник пространственно отделен от
зольника.
Если решетка занимает всю площадь дна топливника, то поток воздуха Хр (равный Хт
при закрытии дверки топливника и при герметичности стенок топливника) может преиму-
щественно обтекать закладку дров, поскольку она представляет значительное газодина-
мическое сопротивление /рис.243-а/. Дрова при этом горят умеренно с хорошим дожигом
летучих, но КПД печи в этом режиме занижен из-за большого избытка воздуха. Поэтому
полноразмерная решетка наиболее целесообразна в тесных топливниках, где закладка
занимает все дно топливника.
Если решетка занимает центральную часть дна топливника (случай решетки ограни-
ченных размеров по центру глухого пода, то есть в окружении периферийных пандусов),
то практически весь воздух вынужденно проходит непосредственно через дрова /рис.243-
б/. Поэтому дрова горят активно, но возможна нехватка кислорода в воздухе для сжигания
летучих в пламени над дровами, то есть возможно дымление.
Если решетка занимает периферийные зоны дна топливника (вариант переднего и/или
бокового и/или заднего расположения решетки в глухом поду), то для дров реализуется
“режим глухого пода”, а для летучих - “режим решетчатого пода” /рис.243-в/. Дрова при этом
горят медленно /медленней даже, чем в случае полноразмерной решетки/, а летучие
дожигаются в условиях большого избытка воздуха. Целесообразно предусмотреть воз-
можность регулировки поступления воздуха через решетки: например, задняя решетка
перекрывается при растопке печи закладкой щепок на открытой передней решетке, а
передняя решетка перекрывается при дожигании углей на открытой задней решетке.
Так или иначе, поступающий в топливник /тем или иным образом/ вен-
тиляционный воздух Хт /в том числе и через решетку Хр/ распреде-
ляется на поток воздуха в дрова Хг и поток воздуха мимо дров в хайло.
В топливниках с глухим подом (без решетки) приток свежего воздуха
организуется через воздухоподающие отверстия-заслонки на лицевой
стороне печи и/или на дверке топливника и/или через приоткрытую
дверку топливника /рис.244/. Наибольшие трудности ввода воздуха
встречаются при первичной растопке печи пока нет тяги трубы.
Растопка 1 начинает гореть в задымленном циркуляционном потоке воз-
духа Хг, причем “выскакивание” нагретого дыма Гт в трубу затруднено
216
Дровяные печи
Рис.245.Сопоставление топливников с подом
(а) исрешеткой (б) в части подачи воздуха в
дрова /см., например, схемы [111]/.
Рис.246. Способы ввода вторичного воз-
духа в топливник /см.текст/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 216

расположенные воздухоподающие отверстия /рис.246-б/. В целях пред-
отвращения дымления через воздухоподающие отверстия /рис.246-б/,
часто применяются “газовые затворы” в виде различного рода восходя-
щих каналов вне топливника /рис.246-в/ или внутри топливника
/рис.246-г/. Легко видеть, что и в этом случае не исключено дымление
через восходящий канал на этапе растопки /при отсутствии тяги трубы/,
поскольку образуются “сообщающиеся сосуды”, затягивающие горячий
дым в колено с холодным воздухом /рис.246-д/. Это приводит к выпа-
дению в восходящих каналах конденсата и сажи, даже при попытках
нагрева вторичного воздуха теплом из топки /поскольку газы в топлив-
нике всегда горячей вторичного воздуха/.
Помимо вышеуказанного, к недостаткам подачи вторичного воздуха из зольника
/рис.246-г/ можно отнести невозможность независимой регулировки расхода вторичного
воздуха, поскольку открытие поддувальной дверки приводит к одновременному увеличе-
нию расхода и первичного, и вторичного воздуха. Тем не менее, целесообразность такой
конструкции часто оправдывают тем, что вторичный воздух начинает подаваться, якобы,
только при перекрытии живого сечения решетки углями, когда расход первичного возду-
ха неоправданно сокращается. Но ведь вторичный воздух не может полноценно заме-
нить первичный воздух, тем более, что большой расход вторичного воздуха требуется
чаще всего как раз тогда, когда и расход первичного воздуха велик /при наличии обилия
углей/. Кроме того, в случае кирпичных топливников такие конструкции не могут заметно
подогревать вторичный воздух, не могут также обеспечивать прочистку каналов от сажи.
Иногда “газовый затвор” выполняют в виде не восходящего, а нисхо-
дящего канала, в том числе и с совмещением с функцией обдува стек-
ла дверки топливника для предотвращения ее загрязнения /рис.246-е/.
При таком решении воздух подается в более низко расположенные
зоны топливника, и выход дыма при растопке затруднен. Поэтому
подача вторичного воздуха через дверку топливника в этом плане более
предпочтительна внизу /рис.248-а/, нежели наверху /рис.248-б/.
Наиболее удачным представляется нижний ввод вторичного воздуха
в топливник, причем со спутным обдувом языков пламени так, чтобы
воздух не проникал в закладку дров /во избежание дополнительного
разгорания поленьев и выделения летучих/, а лишь “лизал” пламя.
Ясно ведь, что горя-
щую свечу лучше обду-
вать спутным потоком
Топочные устройства печей
219
Поэтому для дожигания кончиков пламен /см.
раздел 5.9 .1 ./ часто вводят дополнительный
“верхний” воздух, обычно называемый “вторич-
ным” /в отличие от “первичного воздуха”, подаваемого внутрь закладки
дров через решетку/. Вторичный воздух желательно делать регулируе-
мым, поскольку он зачастую бывает необходим на ограниченный
период времени /до 5-10 минут/, например, при при подкидывании
новых порций дров в раскаленную теплоемкую кирпичную топку, когда
скорость выхода летучих /и высота пламен/ резко возрастает.
Отметим, что понятие “вторичного воздуха” является достаточно строгим лишь для
топливников с решетчатым подом, поскольку в топливниках с глухим подом весь вводимый
воздух и так является как-бы “верхним” /“вторичным”/. Причем этот “верхний” воздух как-
то “сам собой” перераспределяется в топливнике на воздух, поступающий вглубь дров
/”первичный воздух”/, и на воздух, поступающий на горение летучих /”вторичный воздух”/.
Вообще говоря, некий специальный “вторичный” воздух в подовых топливниках пред-
ставляется излишним. Но иногда /по особым личным соображениям либо по недоразу-
мению/ печники все же предусматривают ввод “вторичного” воздуха и в подовых печах,
чаще всего надеясь повысить полноту сгорания летучих /хотя это обычно сопряжено со
снижением КПД печи из-за увеличения тепловых потерь с отходящими газами/.
Наименее удачным представляется ввод вторичного воздуха (ВВ) в
самую верхнюю часть топливника /рис.246-а/, поскольку он рассчитан
только на экстремально высокие пламена /”залезающие” в хайло/, хотя
и имитирует известный аналог - обдув кончика пламени свечи воздухом
через трубку /рис.53, рис. 247/. Даже в случае раскаленного топливни-
ка, тяжелый холодный воздух не в состоянии преодолеть восходящее
движение дымовых газов и не может утонуть глубоко внутрь топливни-
ка к дымящимся кончикам пламен. Для того, чтобы холодный воздух
пошел вниз /а не сразу в трубу, бесполезно разбавляя дымовые газы/
необходимо устремить его по инерции вдоль стенок топливника вниз
напорной струей за счет тяги трубы. При этом самотяга топливника сни-
жается /и даже исчезает/, уменьшается и высота пламен.
К недостаткам верхнего ввода относится также и то, что при малой
тяге /например, при растопке печи/ дым может устремиться в высоко-
218
Дровяные печи
Рис.247. Захолаживание кончика пламени спутным потоком
холодного воздуха не приводит к дымлению (а), а захолажи-
вание кончика пламени добела раскаленным кончиком обуг-
ленной спички приводит к дымлению за счет ограничения
доступа воздуха в оболочку горения (б). 1 - горячая зона, 2 -
турбулентное перемешивание, 3 - трубка подачи воздуха, 4 -
холодный воздух, 5 - обугленная спичка, 6 - черный дым.
Рис.248. Подача вторично-
го воздуха через дверку топки.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 218

В начале растопки печи, пока нет тяги дымо-
вой трубы, горячие дымовые газы способны
лишь всплывать - только подниматься вверх и растекаться по потолкам
/см. раздел 3/. Поэтому в топливниках выпуск дыма /хайло/ делают
наверху /рис.249-а и рис.249-б/. Причем при растопке вверх подни-
маются исключительно горячие газы. Они проникают в холодную пока
дымовую трубу, там захолаживаются и останавливаются, “запирая
собой” доступ новым порциям горячего дыма. Поэтому важно, чтобы
непосредственно над хайлом шел именно вертикальный участок дымо-
хода /”стояк”/, пусть невысокий 0,5 - 1 метр, лучше малотеплоемкий, в
котором при растопке сразу же мог бы образовываться достаточно
высокий самонапор горячих газов для проталкивания пробки охлаж-
денных дымовых газов вверх. Вследствие этого, схемы с “трубными
стояками” типа рис.249-а и рис.249-б представляются более предпоч-
тительными при растопке, чем схемы типа рис.249-в и рис.249-г.
При возникновении тяги дымовой трубы хайло начинает всасывать
как пылесос “все, что попало” /и холодное, и горячее/. При этом важно,
чтобы этот “пылесос” затягивал так, чтобы свежий воздух устремлялся
бы именно в область растопки /в разгорающуюся зону закладки дров/.
Поэтому, при расположении воздухоподающих отверстий спереди печи,
хайло предпочтительней располагать в задней части топливника /рис.
249-а/, а не в передней части /рис.249-б/, поскольку в этом случае будет
больше воздуха попадать в растопку. При этом желательно иметь также
и низко расположенные засасывающие отверстия 3
/”прогары”/, которые могут вступить в действие толь-
ко при появлении тяги в дымовой трубе /рис.250-а/.
Эти “прогары” /байпасы, шунты/ способствуют откло-
нению входного потока воздуха 1 вниз 2 к дровам.
Также могут оказаться целесообразными особые кон-
струкции заднего хайла, например, в виде вертикаль-
Топочные устройства печей
221
воздуха - тогда не приходится
опасаться ни ее погасания, ни
ее дымления из-за ”захолажи-
вания” /рис.247-а/, поскольку
холодный воздух не воздей-
ствует в этом случае на зону
газификации в основании
фитиля. Так же и в случае дров желательно избегать проникновения
вторичного воздуха в горящую на решетке закладку дров, но не для
предотвращения ее погасания, а для предотвращения ее избыточного
разгорания. Поэтому, по аналогии с рис.247-а, в дверке топливника
можно выполнять воздухоподающие отверстия в виде ориентирован-
ных вверх под углом трубок /рис.248-в/, направляющих закрылков-кожу-
хов /рис.248-г/ или жалюзи /рис.248-д/, в том числе и наличии систем
экранирования дверки от излучения топки /рис.248-е/. Тем самым обес-
печивается замечательное свойство “принципа вторичного воздуха” -
возможность регулирования раздельной подачей воздуха в дрова и в
пламя. При этом первичный воздух, подаваемый в глубь дров, преиму-
щественно участвует в горении поленьев и их газификации /то есть
выполняет как-бы роль “краника” в газовой плите/. А вторичный воздух,
подаваемый в зону над дровами, участвует в горении летучих.
5.4. Вывод дымовых газов
Траектория движения газов в топливнике определяется не только гео-
метрией ввода воздуха, но и геометрией вывода дымовых газов из топ-
ливника /в конвективную систему или сразу в дымовую трубу/.
Действительно, если нет потока газа на выходе, то его нет и на входе.
220
Дровяные печи
Рис.251. Течения газов: а - хайло как сток 1 /”слив”/, заса-
сывающий газы со всех сторон /и воздух 2, и пламена 3/, но
в этом “равномерном” течении горячие потоки все же всплы-
вают за счет архимедовых сил, б - при наличии рассекателя
4 приосевой сток заменяется пристеночным стоком в виде
кольцевой периферийной засасывающей щели 5.
Рис.249. Различные расположения
хайла /дымоотвода/ - места вывода
дымовых газов из топливника.
Рис.252. Схема низкого топливника с камерой дожига летучих.
Рис.250. Траектории движения газов в подовом
топливнике: а - поток воздуха 1, направленный в
хайло, отклоняется вниз 2 /”в дрова”/ при появлении
“прогара” 3, б - поток воздуха 4 распределяется рав-
номерно по высоте топливника при оформлении
хайла в виде вертикальной щели 5 (М.А.Смирнов).
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 220

При снижении высоты хайла в высоком
топливнике /рис. 249-д/ наверху образуются
колпаки, усиливающие нагрев перекрыши в режиме разгорания дров, и
снижающие нагрев перекрыши в режиме пламенного горения дров
/когда скорость всасывания горячих дымовых газов в хайло настолько
велика, что пламена попросту “не успевают” всплывать в колпак/.
Что касается стенок топливника, то в целях усиления их нагрева /для
увеличения скорости газификации дров/ можно установить некий рас-
секатель 4, который формирует периферийный кольцевой сток 5, заса-
сывающий газы в пристеночную зону /рис.251 -б/. Можно было бы,
конечно, попросту сказать, что рассекатель 4 “раздвигает” газовые пото-
ки, но при такой простейшей трактовке пришлось бы привлекать поня-
тия газодинамических сопротивлений щелей, численные значения кото-
рых не всегда доступны. А “на языке всасывания” расход газа легко
оценивается по перепаду давления и проходному сечению и уточняет-
ся с учетом всплытия горячего газа в холодном потоке.
Для уменьшения же нагрева стенок топливника /для ограничения ско-
рости газификации дров/ хайло можно опустить и расположить по цент-
ру, используя образовавшуюся перекрышу как высокотемпературный
излучатель, нагревающий лучистым теплом закладку дров /рис.252/.
Для полного сжигания летучих в этом случае формируют камеру дожи-
га над хайлом, вводя вторичный воздух в камеру дожига и/или в хайло.
Энергичность струй в топливнике определяется степенью разреже-
ния в топливнике. При большом разрежении в топливнике из воздухо-
подающих отверстий 1 и 3 за счет высокого напора истекают дально-
бойные струи /рис.253/, а через возможные неплотности 4 корпуса в
топливник могут поступать недопустимо большие нерегулируемые
Топочные устройства печей
223
ной щели в задней части топливника, кото-
рая способствует равномерности течения
дымовых газов по высоте топливника /рис.250-б/. При наличии в топ-
ливнике решетки подобные “прогары” и щели оказывают меньшую роль
при растопке печи /в части подачи воздуха в дрова/, хотя и могут выпол-
нять роль каналов прямого (летнего-холостого или пускового-растопоч-
ного) хода /рис.249-з/. Ясно, что любые прогары в режиме активного
пламенного горения печи могут ухудшать чистоту дымовых выбросов
печей /поскольку могут засасывать недогоревшие летучие/, но, тем не
менее, такие специальные “прогары” до сих пор применяются для подо-
грева недостаточно прогревающихся стенок печи, не имеющих прямого
контакта с высокотемпературной топкой /рис.249-ж/. Вообще говоря,
эти “прогары” желательно оснащать регулируемыми задвижками.
Но в печах недостаточно только направить свежий воздух в дрова /или
мимо дров/. Необходимо также добиться желательной дальнейшей тра-
ектории газов в виде горячего дыма. При анализе газодинамической
обстановки в топливнике обычно исходят из того, что при наличии тяги
воздухоподающие отверстия “вдувают” свежий воздух внутрь дально-
бойной струей /как сопло/, а хайло высасывает любые газы “без разбо-
ра” как пылесос, причем без “дальнобойности”. То есть все газы устрем-
ляются во всасывающую воронку хайла равномерно по всем углам
входа как в обычный сток-слив на дне сосуда с водой /см. рис.114/.
Причем это вовсе не исключает возможность архимедова всплытия
горячих струй /пламен/ в потоках холодных газов /рис.251 -а/.
С возникновением в топливнике достаточной тяги, появляется воз-
можность снижать высоту расположения хайла /рис.249-д, рис.249-е/.
При этом возможно не только наклонять пламена, но и “класть” пламе-
на горизонтально и даже опускать их вертикально вниз под решетку /как
в топках “обратного горения” на рис.22 - не путать с обращенной тягой
на рис.192/. Разумеется, необходимо принимать меры по обеспечению
высокой степени сгорания летучих путем недопущения проникновений
пламен в высокие колпаки /куда доступ холодного свежего воздуха
затруднен/ и касаний пламен стенок канала за хайлом.
222
Дровяные печи
Рис.253. Режимы с одинаковым расходом воздуха: а
- з адвижка 2 на дымовой трубе открыта, подача возду-
ха дальнобойной струей через малое отверстие 1, б -
задвижка 6 прикрыта, подача воздуха ленивым пото-
ком через большое отверстие 5. Далее: 3 - вторичный
воздух, 4 - неплотности стенок топливника /подсосы/.
Рис.254.Открытые топливники: а - русская духовая
печь, тяга трубы не оказывает влияния на процессы в
топливнике, б - классический камин, тяга трубы оказы-
вает влияние на процессы в топливнике.
Рис.255. Низкий топливник обеспечивает лучший
/иногда чрезмерный/ нагрев перекрыши и тем
самым лучший прогрев дров тепловым излучением,
но может не обеспечивать дожиг летучих (а).
Высокий топливник обеспечивает дожиг летучих, но
слабо прогревает перекрышу, что иногда требует
установки дополнительных экранов-излучателей
для подогрева дров (б).
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 222

Более высокую температуру перекрыши
и стен имеют низкие топливники. Поэтому
в низких топках дрова могут гореть быстрее, чем в высоких топках
/рис.255/. Тепловое излучение с низкого свода лежит в основе работы и
пламенных /отражательных/ металлургических печей [38-41].
Излучающие элементы /перекрыши-своды, стены, радиационные
панели-экраны, отражатели/ нагреваются в бытовых печах исключи-
тельно за счет тепла от сгорания самих дров - от излучения углей и от
тепла пламен. Постепенно разогреваясь при растопке, эти излучающие
элементы до поры до времени остаются холодными, потребляют тепло
и представляют собой “холодное ядро” топливника, отбирающее тепло
из топливника, которое могло бы пойти на разогрев дров для их уско-
ренного разгорания. Но затем, нагревшись, излучающие элементы, про-
должая отбирая тепло из топливника, тут же отдают его дровам.
Конструктивно излучающие элементы могут выполняться по-разно-
му, например, в виде низкорасположенных горизонтальных /рис.252/
или наклонных /рис. 255 -б/ перегородок /пластин, рассечек/, дымообо-
ротов-козырьков /рис.256-257/, плоских решеток /рис.258-а/ или решет-
чатых арок /рис.258-б/. Излучающие элементы могут изготавливаться
как малотеплоемкими /быстронагревающимися/, так и высокотеплоем-
кими /для длительного сохранения способности нагревать дрова теп-
ловым излучением, например, при новых закладках/. Иногда весь топ-
ливник утепляют /футеруют/ огнеупорным малотеплопроводным мате-
риалом /шамотом-ультралегкове-
сом, минеритом и т.п ./, чтобы мак-
симально повысить температуру
Топочные устройства печей
225
паразитные натекания избыточного воздуха. Эти
протечки-подсосы не позволяют порой регулиро-
вать подачу воздуха поддувальной дверкой, осо-
бенно при малых расходах воздуха. Отметим, что
через мелкие неплотности в корпусе /через щели вокруг дверок, через
зазоры под варочной плитой, через трещины кирпичной кладки/ воздух
фильтруется ламинарно с расходом, пропорциональным перепаду дав-
ления, а через поддувало воздух поступает турбулентно с расходом,
пропорциональным корню квадратному из перепада давления. Поэтому
при увеличении разрежения в топке роль мелких щелей возрастает.
Для снижения разрежения в топливнике предусматривают регули-
руемые задвижки 2 на дымовой трубе /рис.253/. Получили широкое раз-
витие печи с герметичными /газоплотными - ”air-tight”/ топливниками,
преимущественно металлические, которые за счет малых паразитных
натеканий воздуха способны регулироваться поддувалом /по расходу
воздуха/ даже в тлеющем режиме горения дров.
5.5. Лучистый нагрев дров
В открытых очагах нет напорной подачи воздуха в дрова. И дымовая
труба в открытых очагах /как создающая тягу в топливнике, так не соз-
дающая/ тоже не оказывает прямого воздействия на горящие поленья
/рис.254/. Тем не менее, скорость горения дров в открытых (но пере-
крытых сверху) очагах может заметно превышать скорость горения дров
в обычном костре в открытой атмосфере. Дело в том, что расположен-
ные над костром элементы открытого очага /своды/ могут сильно разо-
греваться и своим лучистым теплом /ИК-излучением/ могут подогревать
горящие поленья, ускоряя их газификацию.
Так же и в топливниках печей - дрова горят /газифицируются/ быстрее
в окружении нагретых /раскаленных/ стенок, нежели в окружении холод-
ных стенок. Вследствие этого, в холодных водоохлаждаемых топках
/например, водогрейных котлов/ устанавливаются специальные раска-
ленные кирпичные или металлические элементы, разогревающиеся
дымовыми газами и излучающие тепло на горящие дрова [117,118].
224
Дровяные печи
Рис.256.Разогрев дров в топливнике тепловым излучением:
1 - горизонтальный дымооборот /козырек/, в том числе из
малотеплопроводного малотеплоемкого материала, 2 - лучи-
стый поток тепла /инфракрасный/, 3 - “белый” дым.
Рис.257. Схема металлической отопительной
печи: 1 - первичный воздух под решетку, 2 - вторич-
ный воздух из зольника вверх, 3 - вторичный воздух
через дополнительное воздухозаборное отверстие, 4
-
черный дым, 5 - сизый дым, 6 - белый дым, 7 -
малое заднее отверстие в горизонтальном дымо-
обороте /”прогар”/ для прогрева трубы при растопке.
Рис.258. Щелевые излучающие элементы
в топливнике: а - шамотная или металличе-
ская многощелевая решетка, б - свод много-
щелевой арочный /М.А.Соколов/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 224

излучающие элементы, раскаляются далеко не сразу, а лишь при обуг-
ливании значительной доли поленьев и, более того, при развале-обру-
шении закладок горящих обугленных дров с раскрытием /обнажением/
раскаленных угольных внутренностей “микротопок” и с выходом лучи-
стого тепла из закладки дров наружу в топливник.
5.6. Переменные факторы огневого процесса
Конструкции бытовых печей чаще всего предусматривают контроли-
руемую регулировку только подачи воздуха /по месту ввода, расходу и
направленности потока/. А турист, разжигающий костер на открытой
площадке, не имеет даже такой возможности регулирования.
Тем не менее, возможности управления процессом горения дров
находятся всегда. Имеется в виду, что всегда можно воспользоваться
так называемыми “переменными факторами” огневого процесса - под-
бором особых типов дров /видов древесины, размеров поленьев, их
влажности/, способов укладки поленьев, особенностей розжига заклад-
ки дров, частоты подкладки новых порций дров. Например, верхним роз-
жигом закладки дров можно добиться более быстрого прогрева дымовой
трубы, но правда за счет увеличения продолжительности последующе-
го горения дров, что тоже бывает порой полезным фактом /рис.260/.
Указанные “переменные факторы” относятся к объективным пара-
метрам топочного процесса, но носят субъективный характер, посколь-
ку являются прерогативой уже не производителя /печника/, а потреби-
теля /истопника/. Производитель /разработчик/ может лишь рекомен-
довать /предписать/ тот или иной порядок протопки изготовленной
/спроектированной/ им печи, но контроли-
ровать реальную практику эксплуатации
печи он не в состоянии. Эти неконтролируе-
мые “переменные факторы” могут непред-
сказуемо изменяться даже у одного и того
же истопника на одной и той же конкретной
печи и даже в ходе одной и той же протопки
с одними и теми же дровами [119].
Топочные устройства печей
227
стен и перекрыши и создать в топливнике огневую
обстановку, в какой-то степени имитирующую “мик-
ротопку” между горящими поленьями /рис.259/.
Но важен не просто факт наличия конструктивных
элементов, которые по задумке должны раскаляться внутри топливни-
ка и испускать тепловые лучи на дрова. Куда более важна реальная
возможность нагрева этих элементов до необходимой температуры при
штатной протопке. Влияние излучающих элементов начинает ощу-
щаться при их нагреве до температур выше 300-400оС, когда лучистое
тепло начинает испарять “белый дым” /см. раздел 1.3.5/, то есть туман
продуктов пиролиза древесины /поз.3 на рис.256/. При температурах
400-500оС начинает сгорать сажа на стенках. И лишь при температу-
рах излучающих элементов выше 500оС лучистое тепло становится
способным воспламенять саму древесину /см. раздел 1.2 .1/.
Столь высокие температуры бывает трудно получить только за счет
пламен. Вклад тепла от “дровяных” пламен бывает недостаточен для
быстрого нагрева стенок и перекрыши топливника до температур выше
500оС. И это несмотря на то, что пламена могут стать высокими, спо-
собными касаться и даже “облизывать” нагреваемые элементы /напри-
мер, рис.258/. Дело в том, что пламена в топливниках не обладают
высокими линейными скоростями /как, например, в заужающем хайле/
и не могут обеспечить необходимый уровень конвективных тепловых
потоков. И степень черноты раскаленных газов незначительна /не пре-
вышает 0,1/ и может обеспечивать высокий уровень лучистых тепло-
вых потоков лишь в очень толстых слоях задымленных пламен.
В связи с этим подчеркнем, что основной вклад в нагрев стенок топ-
ливника обычно дает тепловое излучение раскаленных углей на
поверхности горящей древесины. То есть топливник начинает особенно
раскаляться лишь на этапе появления большого количества горящих
углей, в том числе и в виде обугленных слоев на поверхности горящей
древесины. Температуры “абсолютно черного” угля, горящего в “микро-
топках” между поленьями, могут достигать 1000-1400оС, что превыша-
ет реально достигаемые температуры стенок топливников, порой
сравнимые с температурой деформационного и коррозионного разру-
шения металлоконструкций и кладок из красного кирпича 600-900оС.
Так что даже малотеплоемкий топливник, а с ним и вспомогательные
226
Дровяные печи
Рис.259. Раскаленный утепленный топливник как газогенера-
тор - все тепло горения идет на разогрев и газификацию дров.
Рис.260. Временной ход изменения температуры
дымовых газов и содержания свободного кислорода в
дымовых газах /в трубе печи/ при верхнем и нижнем
розжиге закладки дров в кирпичном футерованном топ-
ливнике печи с решетчатым подом /Е.В .Колчин/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 226

больше тепла горения мы направляем на нагрев дров, тем больше мощ-
ность топливника. Все это является следствием уже неоднократно отме-
чавшегося факта - дрова не являются “горючим”, а являются “топли-
вом” /исходным энергетическим ресурсом/, а “горючее” /как реагент
химической реакции/ получается из дров в ходе горения в результате
пиролиза древесины.
Обычно при эксплуатации бытовых печей никто не вникает в абстрактные вопросы регу-
лирования скорости подачи горючего в пламена. Воздух же подают в топливник в доста-
точно большом избытке, чтобы сжечь всё горючее, поступающее в очаг горения.
Такой подход - это удел простейших технологий, когда один из компонентов горения
берется с избытком. Например, в костре или в кухонной газовой плите воздух имеется в
неограниченном избытке, так что может регулироваться только подача топлива. А в газо-
генераторе имеется избыток топлива и регулируется только подача воздуха.
В обыденной печной практике нет физического понятия “скорости
подачи горючего”. Нет и технического понятия “скорости подачи топли-
ва /дров/” - оно заменяется чисто эксплуатационным понятием “расхода
дров” /среднечасового , среднесуточного, среднегодичного/. Ведь истоп-
ник порой вообще все дрова закладывает в топливник “сразу и разом”,
не утруждаясь мыслями о последующей скорости их сгорания. Истопник
просто не в состоянии обеспечить подачу древесины в поленьях рав-
номерно по времени - непрерывно и дозированно так, как, например, это
делается при пневматическом вдуве пылевидного /размолотого/ камен-
ного угля в топку промышленного котла или шнековой подачей сыпучих
пеллет /гранул из измельченной и прессованной древесной массы/. Всё
же дровяные печи на то и дровяные, что используют именно дискретно
загружаемое крупнокусковое топливо - дрова /в поленьях/, а не какие-
либо иные строго дозирующиеся виды топлива на основе перерабо-
танной древесины. Тем не менее, как и при сжигании угля в топке паро-
воза, при порционной подаче поленьев в огонь наблюдается процесс
непрерывного горения, поскольку каждое полено
горит продолжительно /”долго”/. А это значит, что
есть и некая непрерывная, пусть как-то и изменяю-
Топочные устройства печей
229
“Переменные факторы” печного процесса
зачастую преподносятся /даже в техниче-
ской литературе/ как второстепенные или
даже случайные детали, вносящие лишь
“разнообразие” в печное дело. На самом же
деле, именно эти “переменные факторы” отражают собой всю глубинную
суть топочного процесса на дровах и выступают как способ управления
/регулирования и контроля/ процессом подачи горючего в очаг горения.
5.7. Дрова как топливо и как горючее
Физическое понятие реакционной зоны теплогенерирующего аппара-
та подразумевает наличие одновременной подачи и горючего, и возду-
ха. Причем в идеальной модели регулируемого процесса подразумева-
ется непрерывный и дозированный ввод реагентов /в отличие от пожа-
ров - нерегулируемых процессов горения/.
Но в дровяной печи нет того привычного “краника на газовой трубе”,
которым регулируют скорость подачи горючего и которым определяют
высоту пламени в газовой кухонной плите. Роль “краника” в дровяной
печи как раз и играют “переменные факторы”, влиящие на скорость
образования в топливнике горючих /углей и летучих/. И как только обра-
зовались эти горючие /угли и летучие/, так сразу они вступают в горение
с тем количеством воздуха, которым располагает топливник. И это горе-
ние образовавшихся горючих уже невозможно остановить “остужени-
ем” чрезмерно излишне поданным воздухом. Это горение можно оста-
новить именно только нехваткой воздуха.
Дело в том, что горючие /в процессе горения дров/ образуются за счет
сильного нагрева дров, вследствие чего горючие образуются в раска-
ленном состоянии. Скорость химических реакций окисления горючих в
этих условиях настолько высока, что очаг горения способен потребить
сколь угодно большое / “любое”/ количество кислорода воздуха.
Так что скорость процесса горения ограничивается не скоростью
химических реакций окисления /не кинетическим ограничением/, а ско-
ростью поступления воздуха в очаг горения /диффузионным ограниче-
нием/ и скоростью образования самих горючих /термическим ограниче-
нием/. Чем больше мы подаем воздуха именно в очаг горения и чем
228
Дровяные печи
Рис.261. Принципиальная схема огневого процесса
в дровяном топливнике с решетчатым подом.
Рис.262. Неоднородность огневого процесса: 1- воспламеняю-
щееся полено, 2 - горящее обуглившееся полено, 3 - пламя, 4 -
белый дым с холодных поверхностей древесины, 5 - сизый дым с
горячих /но не горящих пламенем/ поверхностей древесины, 6 -
черный дым из недогоревших пламен /при нехватке воздуха/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 228

ходе топочного процесса оперативно и непрерывно, например, перио-
дической шуровкой. В печном быту “переменные факторы” обладают
многообразием. Так, в русской деревенской жизни приемы укладки
дров в духовую печь передавались веками из поколения в поколение.
5.8. Модель микротопок
Несмотря на “вакханалию огня” в топке, основной процесс горения
дров происходит внутри закладки дров - в “микротопках” между горя-
щими обугленными поленьями /см. раздел 5.2/. Пламена же над дро-
вами, которые в быту часто отождествляют с огнем в печи, являются
лишь отголоском /сопровождающим явлением/ процессов, происходя-
щих в микротопках внутри закладки дров, и являются свидетельством о
неполном догорании горючих газов в микротопках. Относительная доля
тепловыделений в микротопках внутри закладки дров может много-
кратно превышать долю тепловыделений в пламенах над дровами.
Действительно, если взять за основу анализа схему газогенератора с
прямым процессом газификации /рис.16/, то становится понятным, что
огневой процесс может, в принципе, вообще не выходить за пределы
закладки дров “наружу” в виде пламен [8,120].
Также ясно, что если на выходе из газогенератора /в зону выше дров/
подать дополнительный воздух /условно считай ”вторичный” воздух -
ВВ/ и поджечь в нем остывшие продукты газогенерации /имеющие на
выходе из дров температуру 100-150оС/, то возникнут пламена “как в
печке”. Только при случайных затуханиях всех пламен над дровами
/например, после временного прекра-
щения подачи воздуха/ горючие газы
придется вновь поджигать “спичкой” /как
в газовой кухонной плите/, поскольку
пламя не может ни вспыхнуть само
собой над дровами, ни проскочить вниз
внутрь закладки дров к раскаленным
углям /как источнику воспламенения/,
Топочные устройства печей
231
щаяся во времени, скорость подачи
горючих /углей и летучих/ в зону горения.
Только истопник не может эту скорость
подачи горючих контролировать /измерять/ количественно. Более того,
истопник бытовой печи в принципе не может знать, сколько древесины
горит в печи в каждый момент времени. И тем более, истопник понятия
не имеет, какие конкретно химические вещества, выделяемые из
поленьев, горят в печи в данный момент времени и в каком количестве.
При конструировании дровяных печей и в ходе их эксплуатации
попытки предусмотреть возможность количественного регулирования
поступления горючего в зону горения неизбежно порождают две группы
соображений. Во-первых, далеко не все дрова в закладке вступают в
реакцию горения “сразу и разом” - некоторые заложенные в топливник
поленья до поры до времени лежат в топливнике “про запас мертвым
грузом”. Дрова в топливнике разгораются постепенно /во времени/ и
неравномерно /в пространстве/. Поэтому под “скоростью подачи топли-
ва” /но не дров! и не горючего!/ можно понимать скорость распростра-
нения фронта воспламенения “от одного полена к другому”, то есть
скорость постепенного вовлечения дров в огневой процесс.
Во-вторых, как мы уже отмечали с самого начала /см. раздел 1.1/,
горят не сами по себе дрова /топливо/, а именно горючее - продукты
термического разложения древесины, то есть горючие газы пиролиза
древесины /летучие/ и древесные угли. Поэтому под “скоростью подачи
горючего” в огневой процесс надо понимать не скорость распростране-
ния пламени по закладке дров, а скорость выделения горючих компо-
нентов из ансамбля воспламенившихся поленьев.
Таким образом, регулировка интенсивности огневого процесса “пере-
менными факторами” может осуществляться либо “скоростью поступ-
ления топлива” /например, размером дров или скоростью подачи дров/
и/или “скоростью поступления горючего” из топлива /например, влаж-
ностью дров/. Регулировка “переменными факторами” может произво-
диться единовременно “заранее” /например, специальной укладкой
поленьев перед началом топочного процесса/, а может производиться в
230
Дровяные печи
Рис.263. Высотное распределение объемных
концентраций свободного кислорода О2, окиси
углерода СО и двуокиси углерода СО2 в слое дре-
весных углей, горящих на решетчатом поде.
Размер частиц древесного угля 6,0-7,2 мм, ско-
рость воздушного дутья 0,5 м/сек [117].
Рис.264. Распределение скоростей воздуха по
сечению модельного проточного цилиндрическо-
го аппарата, заполненного шарообразными зер-
нами. Диаметр аппарата 185 мм, диаметр внут-
ренней центральной трубки 62 мм, высота слоя
зерен 135 мм, диаметр зерен 5,9 мм [121].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 230

Отметим, что в печном быту порой для простоты “воздухом” условно называют ту газо-
вую среду, содержащую кислород, которая изначально была атмосферным воздухом и
которая постепенно превращается в дымовые газы. Ввиду особой физической важности
этот, казалось бы, крайне узкоспециализированный термин внесен в перечень даже чисто
общегуманитарных энциклопедий [122] - газы, заполняющие внутрипечное пространство,
официально названы “газовой средой печи” /атмосферой печи/.
5.8.1. Горение в микротопках
Процессы коллективного горения сложны для анализа не только из-за
своей неоднородности в пространстве и времени, но и из-за своей пере-
менной многофакторности микротопок: мелкие дрова или крупные,
сухие дрова или мокрые, плотно уложенные дрова или рыхло уложен-
ные, высокая закладка дров или низкая, есть ли шуровка /подправление
кочергой/ дров и углей или шуровкой пренебрегают, разваливаются ли
закладки дров при прогорании или этого не допускают и т.д . Поэтому
печники вынуждены прибегать к упрощенным моделям процесса, в
частности, к качественным оценкам “с различных точек зрения”.
Во-первых, имеется в виду анализ с точки зрения динамики послойного
выгорания /обугливания/ поленьев в воздухе /рис.261/. Во-вторых, воз-
можно проследить процесс с точки зрения потока кислорода воздуха,
поступающего через решетку и постепенно потребляемого в слоях горя-
щих дров. В-третьих, можно придерживаться “точки зрения очага горе-
ния”, в который непрерывно поступает и горючее, и окислитель.
Имеются также и иные, чисто субъективные или чисто потребительские
подходы, в частности с “точки зрения истопника”, призванного как-то
решать вопросы регулирования горения дров в топливнике. Все эти под-
Топочные устройства печей
233
потому что в верхних слоях дров нет кисло-
рода, необходимого для горения.
Поэтому в топках печей делают закладку
дров существенно более низкую, чем в
газогенераторах так, чтобы пламена /воз-
никающие в нижних слоях закладки/ выхо-
дили бы за пределы дровяной закладки вверх и чтобы продолжали
гореть над дровами за счет остаточного кислорода, “проскакивающего”
через закладку дров /рис.261/.
Таким образом, при анализе коллективного процесса горения дров
приходится рассматривать не только динамику прогорания поленьев
/закладываемых сверху и превращающихся в угли внизу/, но и динами-
ку выгорания кислорода в воздухе /поступающего снизу через решетку
и выходящего из закладки дров вверх в виде дымовых газов/. Причем,
если дрова в процессе горения неминуемо превращаются в угли и пол-
ностью сгорают /если не проскакивают через решетку в зольник/, то кис-
лород воздуха в печах всегда не выгорает полностью, что и отличает
топки печей /камер сгорания/ от газогенераторов /камер газификации/.
Процесс горения дров “встречно потоку воздуха” характерен для топ-
ливников с решетчатым подом и отличается тем, что чем в большей
степени прогорела /обуглилась/ горящая древесина, тем в большей кон-
центрации кислорода в воздухе она горит. То есть начальные стадии
горения /обугливания/ древесины происходят в газовой среде, обед-
ненной кислородом, а конечные стадии горения древесины /углей/ про-
исходят в газовой среде, богатой кислородом /в воздухе/.
В случае топливника с глухим подом при верхнем розжиге закладки
дров может не наблюдаться разгорание /обугливание/ дров встречно
воздушному потоку /рис.244/. А в топках пиролизного типа /рис.22/, с
выпуском дыма вниз через решетчатый под, разгорание закладки дров
происходит “попутно потоку воздуха”, то есть в зону углей поступает уже
обедненный кислородом воздух. В случае же низкой закладки дров, в
частности, однослойной /рис.262/, поленья разгораются, горят и прого-
рают фактически в атмосферном воздухе с нормальной концентрацией
кислорода. Так что анализ процесса коллективного горения дров должен
учитывать специфику разгорания поленьев в условиях конкретных рас-
пределений концентраций кислорода в закладке дров.
232
Дровяные печи
Рис.265. Схема огневого процесса в “микротопке”.
Рис.266. Горение углей и летучих на поверхности обугленного слоя древесины.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 232

разных точках поперечного сечения неподвижного слоя могут отли-
чаться в несколько раз, что объясняется самопроизвольным образова-
нием случайных каналов в толще слоя. Поэтому, можно было бы ожи-
дать, что и высотные распределения концентраций кислорода /рис.263/
в разных точках слоя будут существенно отличаться. Однако, выясни-
лось, что скорость химической выработки кислорода из воздуха слабо
зависит от линейной скорости воздуха в угольном слое. Дело в том, что
чем больше скорость воздуха в порах-каналах между частицами угля,
тем сильней обдув горящей поверхности угля, тем сильней разгорается
уголь, тем быстрей протекают реакции окисления. И малые времена
контакта воздуха с углем при больших скоростях компенсируются боль-
шими скоростями выработки кислорода.
Так что распределения концентрации кислорода в слое /рис.263/
слабо зависят от линейной скорости дутья воздуха через слой. Во вся-
ком случае, в топках паровозов и пароходов не корректируют толщину
слоя угля при изменении скорости подачи воздуха. Но добиваются
именно ровности верхней /свободной/ поверхности слоя угля, чтобы не
было “ям” на поверхности топлива, где могли бы проскакивать потоки
невыработанного кислорода [117].
При больших толщинах слоев образовавшаяся двуокись углерода
начинает восстанавливаться раскаленным углем до окиси углерода с
потреблением тепла по эндотермической химической реакции С + СО2
= 2СО - 165 кДж/моль. В результате толстый угольный слой разогрева-
ется по суммарной реакции 2С + О2 = 2СО + 228 кДж/моль. Иными сло-
вами, с увеличением толщины угольного слоя теплотворная способ-
ность угля /в части разогрева самого себя, то есть разогрева самого
угольного слоя/ уменьшается теоретически /в расчете на чистый угле-
род!/ с 7800 ккал/кг = 32750 кДж/кг до 2262 ккал/кг = 9500 кДж/кг, но зато
появляется теплотворная способность от сгорания окиси углерода над
слоем горящих углей, достигающая 5538 ккал/кг = 23250 кДж/кг.
То есть толстые слои углей раскаляются мень-
ше, чем тонкие. Но зато из этих толстых слоев
углей выделяются газы, содержащие окись углеро-
Топочные устройства печей
235
ходы осознают один и тот же физиче-
ский процесс горения в микротопках, но
отличаются формальной “человече-
ской” логикой рассуждений /удобством
мышления/ и, в принципе, должны
давать один и тот же результат анализа.
Рассмотрим процесс горения с точки
зрения “судьбы” воздуха, поступающего
в горящую закладку дров снизу через решетчатый под топливника.
Непрерывный поток воздуха последовательно проходит через ряд зон
горения дров с разными состояниями горящих поленьев /рис.261/. Как и
почему образовались именно такие зоны горения в этой модели не
обсуждается, наличие таких зон воспринимают “как исторически сло-
жившуюся объективную данность”. Механизмы формирования этих зон
будут уточнены отдельно в разделе 5.6 .5 при обсуждении вопросов
горения с точки зрения “судьбы” обугливающейся древесины.
Сначала воздух проходит через слой горящих углей. Этот слой углей
является по сути “сердцем” огневого процесса /и в печном топливнике,
и в газогенераторе с прямым процессом газификации/. Именно он обра-
зует горючие /угли и летучие/ из топлива /из дров/, греет всю закладку
дров снизу. И именно он в первую очередь потребляет кислород из
поступающего через решетку воздуха и нагревает газы по экзотерми-
ческой химической реакции С + О2 = СО2 + 393 кДж/моль [14].
Экспериментальные исследования слоевой топки на решетчатом
поде показали, что свободный кислород исчезает уже при толщинах
слоев древесного угля, равных примерно 1,5-2,0 “диаметрам” /попе-
речным размерам/ угольных гранул /рис.263/. В случае же обугливаю-
щихся дров выработка свободного кислорода происходит на больших
толщинах слоев, равных примерно 5-10 “диаметрам” /поперечным раз-
мерам/ поленьев, что объясняется пониженной температурой микрото-
пок в горящих дровах /по сравнению с горящими углями/.
Как свидетельствуют экспериментальные исследования, даже весьма
упорядоченные слои неподвижных крупных гранул-зерен не могут обес-
печить равномерного пространственного распределения скорости тран-
зитно протекающего воздуха /рис.264/. Линейные скорости воздуха в
234
Дровяные печи
Рис.267. В горячих газах микротопок между
поленьями горячие газы пламен всплывают мед-
леннее /или вообще не всплывают/.
Рис.268. В микротопках между поленьями воздух течет в окру-
жении горючих продуктов пиролиза древесины, вследствие чего
образуется пламя воздуха, горящего в горючем газе: 1 - древе-
сина обугленная, 2 - воздух, поступающий в микротопку, 3 - горю-
чие газы пиролиза /газообразные продукты термодеструкции
древесины/, 4 - продукты сгорания /дымовые газы/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 234

условно обозначаемых СН /рис.266-а/. При этом наступает динамиче-
ское равновесие - увеличение поступления кислорода влечет за собой
разгорание угольного слоя на древесине и усиление потока тепла
внутрь, что приводит к росту выхода летучих через угольный слой и к
отталкиванию воздуха, то есть к уменьшению поступления кислорода.
В результате на поверхности углей может образоваться слой /“подуш-
ка”/ отходящих летучих, не допускающий подхода молекул кислорода к
поверхности углей /рис.266-б/. Кислород уже вынужден реагировать с
горючими летучими в объеме над поверхностью углей в виде диффу-
зионных пламен. В результате, выгорание поверхности углей на горящей
полуобугленной древесине /выделяющей летучие/ происходит медлен-
нее, чем выгорание поверхности древесного угля /полностью обугленной
древесины, не выделяющей летучих, рис.266-в/. Так что на горящей
древесине обугленный слой постепенно утолщается и за счет сниже-
ния выхода летучих все более раскаляется, содержание в нем углеро-
да растет. В топливнике накапливаются раскаленные угли.
Кроме того, при горении древесины угольный слой на ее поверхности
растрескивается /см. раздел 5.6 .5/. Летучие начинают истекать из обго-
ревшей древесины не равномерным потоком-фронтом, а преимуще-
ственно отдельными локальными “струями из расщелин” в виде языков
пламен /рис.267/. При этом молекулы кислорода приобретают возмож-
ность подходить в промежутках пламен к раскаленной поверхности
углей /разогреваемой излучением от пламен и от стенок микротопки/ и
реагировать с углеродом. Однако, горячие газы пламен затрудненно
всплывают в горячих газах микротопки /из-за уменьшения подъёмных
сил Архимеда/, не удаляются быстро вверх, а накапливаются у поверх-
ности в виде “неких огненных облаков” и могут затруднять доступ кис-
Топочные устройства печей
237
да, которая сгорает в дальнейшем, выде-
ляя дополнительную тепловую энергию.
По стандартам ракетной техники [14] теплота образования двуокиси углерода из эле-
ментов составляет 32750 кДж/кг = 7800 ккал/кг, в отличие от 8138 ккал/кг, принятого в печ-
ной литературе [123]. Реальный же древесный уголь кроме углерода содержит остаточные
количества водорода, кислорода, азота и минеральных золистых примесей. Поэтому теп-
лотворная способность древесного угля может снижаться до Q = 7090 ккал/кг (и до 2060
ккал/кг при сжигании до СО, что ниже уровня теплотворной способности даже мокрой
древесины 2400 ккал/кг, см. рис.8). Так, кучный древесный уголь, получаемый сжиганием
древесины в присыпанных землей ямах, содержит лишь около 90% общего углерода, а
уголь, получаемый при сжигании дров в печах содержит углерода еще меньше [117]:
Содержание
С
Н
О+NQ
Кучный уголь
91
2
7
7695 ккал/кг
Печной уголь
80
4
16
7090 ккал/кг
Летучие примеси из древесного угля удаляются лишь при прокалке до 900оС и выше.
Теперь рассмотрим течение воздуха через горящие поленья - через
слой раскаленной обугленной древесины /рис.261/. Воздух в микротоп-
ке реагирует с поверхностью обугленного слоя древесины точно так же
как с поверхностью углей, то есть диффузионно - молекулы кислорода
диффундируют к поверхности углей в среде азота, а навстречу молеку-
лам кислорода диффундируют молекулы двуокиси углерода /рис.265/.
Одна молекула кислорода О2 порождает одну молекулу двуокиси угле-
рода СО2, так что сумма объемных концентраций молекул кислорода и
двуокиси углерода всюду сохраняется постоянной 21%. Но если при
окислении углерода на поверхности углей образуется окись углерода, то
одна молекула кислорода О2 порождает уже две молекулы СО, то есть
объем газа возрастает, и появляется поток газа от поверхности углей,
который называется “стефановским потоком”. Молекулы кислорода при
этом вынуждены диффундировать навстречу газовому потоку.
Этот встречный газовый поток многократно усиливается за счет выхо-
да через угольный слой газообразных продуктов пиролиза древесины,
236
Дровяные печи
Рис.269. Аппарат с беспламенной газовой горелкой
FLOX: 1 - камера сгорания, 2 - подача газа, 3 - подача
воздуха, 4 - подогрев воздуха, 5 - отходящие продукты
сгорания, 6 - выхлоп, 7 - зона смешения воздуха с про-
дуктами сгорания, 8 - циркулирующие продукты сгора-
ния, 9 - зона горения газа, 10 - водотрубный котел.
Рис.270. Форма ламинарных
пламен: а - обычное диффузион-
ное пламя в холодном воздухе /см.
раздел.1.3.3/, б - “раздутое” пламя
в разбавленном воздухе, в - “рас-
крытое” пламя в горячем сильно
разбавленном воздухе. Тс - темпе-
ратура окислительной среды внут-
ри камеры сгорания, Тп - темпера-
тура горения в оболочке пламени,
1 - зона горючего газа, зона про-
дуктов сгорания, 3 - зона газовой
среды внутри камеры сгорания.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 236

горелки “беспламенного горения” FLOX® /рис.269/. Такая горелка была
изобретена в ходе работ по экономии энергоресурсов в период энерге-
тического кризиса. Была сделана попытка утилизации тепла, сбрасы-
ваемого с отходящими газами, путем нагрева ими воздуха, подаваемо-
го в горелку [124]. В ходе экспериментов случайно с удивлением
выяснилось, что в горячих /1000оС и выше/ топках при предварительном
нагреве подаваемого в горелку воздуха /выше 650оС/ видимые резкие
очертания пламени исчезали - пламя превращалось в размытое диф-
фузное свечение. Причем резко снижались температуры в зоне горе-
ния, что предотвращало образование вредных для окружающей среды
окислов азота (http://www.flox.com). Уникальные экологические показа-
тели техпроцесса и предопределили коммерческий успех проекта.
Суть процесса “беспламенного горения газа” следующая. В камеру
сгорания 1 /топку/ технологического аппарата подается горючий газ 2 и
воздух 3. Воздух предварительно подогревается в теплообменнике 4
/рекуператоре - экономайзере/ отходящими продуктами сгорания 5,
которые затем сбрасываются в атмосферу 6. Подогретый воздух сме-
шивается 7 с циркулирующими в камере сгорания продуктами сгорания
8 так, что горючий газ 2 горит в зоне горения 9 в горячем “разбавленном”
воздухе /то есть в воздухе, обедненном кислородом/.
В дальнейшем выяснилось, что нагрев воздуха, подаваемого в горел-
ку, в общем-то не обязателен. Но разбавление воздуха горячими про-
дуктами сгорания и высокая температура топки /камеры сгорания/
являются необходимыми условиями беспламенного горения. Как мы
уже отмечали, разбавление воздуха инертным газом приводит к уве-
личению размеров пламени горелки - “раздуванию” оболочки диффу-
зионного пламени /рис.46/. Это объясняется тем, что в разбавленном
воздухе /то есть в воздухе, обедненном кислородом/ диффузионный
поток молекул кислорода в оболочку пламени сокращается, а значит
должен сокращаться и диффузионный поток молекул горючего газа в
оболочку /например, поток молекул метана СН4 на рис.41-а/. А это
Топочные устройства печей
239
лорода к поверхности углей. Эти “огненные обла-
ка” могут сливаться воедино в “марево огня” /см.
далее раздел 5.8 .2/.
Отметим еще одну качественную особенность. Воздух втекает в мик-
ротопку и оказывается в окружении потоков раскаленных летучих -
горючих газов /рис.268/. Получается факел воздуха, горящий в горючем
газе. Такие пламена наблюдаются и в печах “медленного горения” /тле-
ния/ при дожиге летучих горячим вторичным воздухом /см. раздел 5.11/.
5.8.2. Форма пламен в микротопках
Микротопка между поленьями, как и “настоящий топливник”, имеет
свою подачу воздуха, “свои дрова, свои угли и свои пламена”. В началь-
ной стадии разгорания дров, когда обугленные стенки микротопок еще
сильно не раскалились и когда в микротопках много /избыточно/ возду-
ха, пламена в микротоках имеют обычный вид диффузионных факелов
/порой даже голубых/, бьющих из расщелин обугленной древесины. Но
потом, по мере разгорания дров, потоки летучих увеличиваются, и пла-
мена заполняют весь объем микротопок, выходят за пределы микро-
топки и струятся между вышележащими поленьями вверх.
Поскольку в микротопки поступает воздух, но из микротопок истекают
горящие потоки летучих в виде пламен, это означает, что горение в “раз-
витых” микротопках происходит в условиях нехватки воздуха /при коэф-
фициентах избытка воздуха “альфа”, меньших единицы/. При этом горе-
ние в микротопках /а по сути местообразование высоких пламён между
горящими поленьями/ может выглядеть не как обычное диффузионное
пламя /см.раздел 1.3.2/, а как некое объемное “пылкое и жаркое” бес-
форменное свечение /”стоячее марево”/.
Одну из причин образования “беспламенного горения” мы называли -
это медленность свободного всплывания пламен в горячей окружаю-
щей среде. Но есть еще и иные причины - недостаточность поступления
воздуха в микротопки, а также высокие температуры в микротопках.
Механизм образования “беспламенного полыхания” /огненного маре-
ва/ в микротопках можно пояснить на примере промышленной газовой
238
Дровяные печи
Рис.271 . Температурные режимы ламинарных диффу-
зионных пламен: А - зона обычных стабильных пламен газа в
воздухе, В - зона нестабильных пламен, С - зона стабильно-
го “беспламенного” горения [128].
Рис.272. Дровяные пламена: а-
обычные пламена с избытком
воздуха, б - “раздутые” пламена
при малых избытках воздуха, в -
топка с камерой предварительно-
го сгорания /предтопкой, газоге-
нераторной камерой, форкаме-
рой, полупрозрачной оболочкой/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 238

Обычное “нормальное” пламя газа в воздухе выглядит как узкое сет-
ложелтое /рис.270-а/. При разбавлении воздуха /то есть при низких
альфа, но все же больших единицы/ пламя “раздувается” /рис.270-б/.
При дальнейшем разбавлении воздуха пламя становится “рваным”,
может отрываться от горелки, дымить, погасать. Но при высокой тем-
пературе пламя стабилизируется, “раскрывается”, как-бы выпуская в
пространство облако газа, которое затем “медленно” /беспламенно/
окисляется в горячем разбавленном воздухе /рис.270-в/. Эти “облака
газа” выходят за пределы микротопок и образуют пламена над дровами.
Обычный вид газовых пламен в атмосферном воздухе может наблю-
даться при любых температурах топки /зона А на рис.271/. При разбав-
лении же окружающего воздуха инертными газами /то есть при обедне-
нии воздуха кислородом/ пламя становится нестабильным /зона Б /, но
может стать устойчивым при высокой температуре топки /зона С/.
Так, в негерметичных топливниках наблюдаются обычные пламена в
виде горячих /1200-1400оС/ “языков огня”, высота которых возрастает
при увеличении доли подачи воздуха под дрова. Доля воздуха, направ-
ляемая в зону над дровами, “сажает” пламя - снижает высоту пламён
/рис.272-а/. А вот в герметичных топливниках /”газоплотных”/, где име-
ется возможность дозированного сокращения подачи воздуха, пламена
приобретают “раздутый” вид /рис.272-б/. Эти ленивые прозрачные пла-
мена, горящие по сути в разбавленном воздухе, являются холодными
/1000-1200оС/, но очень красивыми, а потому широко используются в
декоративных герметичных печах-каминах
и каминных вставках. Печи при этом могут
обладать и повышенной чистотой горения
/малым содержанием окиси углерода и
сажистых частиц в дымовых газах/.
Но, конечно, температуры стенок порядка
1000оС, необходимые для режимов ста-
бильного “беспламенного горения”, в обыч-
ных отопительных и декоративных изделиях
не достигаются. Явления типа “беспламен-
ного горения” могут наблюдаться в топлив-
никах банных печей-каменок с нагревом
камней в пламени /режимы “камни в огне”/.
Топочные устройства печей
241
может быть достигнуто либо разбавлением
горючего газа инертным газом, либо уменьше-
нием градиента концентрации горючего газа
внутри факела, то есть увеличением диаметра
оболочки факела. Фактически речь идет об
увеличении площади контакта разбавленного
воздуха с горючим газом так, чтобы скорость поступления кислорода
снаружи в оболочку пламени соответствовала скорости поступления
горючего газа в горелку, то есть внутрь оболочки. Горючий газ, не успе-
вая прореагировать с разбавленным воздухом, попросту “раздувает”
оболочку. Но при этом плотности потоков реагентов /скорости поступ-
ления кислорода и горючего газа в единицу площади оболочки/ падают,
что приводит к снижению тепловыделения в единице площади оболоч-
ки и к снижению температуры горения в оболочке.
Так, легко убедиться, что резкое прикрытие поддувала в герметичных
топках /при отсутствии значительных паразитных натеканий воздуха/
приводит к увеличению высоты пламени над дровами. Но при этом тем-
пература пламени снижается - цвет пламени из белого превращается в
желтый, а потом и в красный. А раз снижается температура пламени, то
снижаются и скорости химических реакций горения - горючие газы начи-
нают сгорать не полностью, появляются неустойчивости горения, воз-
никает дымление пламени. Всем известны красные дымящиеся пла-
мена в горнилах русских печей при больших закладках быстрогорящих
дров /при большой нехватке воздуха/. То есть при “красных” температу-
рах порядка 700оС скорости реакций окисления оказываются уже недо-
статочными для поддержания пламени, тем более в разбавленном воз-
духе с низкой концентрацией кислорода. Вот тут-то и могут спасти поло-
жение высокие температуры топки /то есть температуры стенок топки и
температуры продуктов сгорания в топках/. Если температуры топки
велики /порядка 1000оС и выше/, то значит, что воздух и газ, поступаю-
щие в топку, могут нагреться до температур начала реакций окисления
и могут начать реагировать даже без заметного саморазогрева смеси,
правда за большие времена протекания реакции. И за эти большие вре-
мена газ и кислород могут смешаться по всему объему камеры сгорания,
и эффект реакции проявится как размытое диффузное свечение.
240
Дровяные печи
Рис.273. Баланс воздуха в топке по Киршу [117, 118]: 1
- расход воздуха, обеспечиваемый тягой дымовой трубы,
2 - расход воздуха, потребный для горения дров в топке.
Рис. 274. Разрез обугливающейся древесины.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 240

выработке кислорода из воздуха/. Причина также в том, что продолжи-
тельность горения печи на одной закладке дров мала. Печь порой не
успевает разогреться, так тут же ей проходится тухнуть из-за выработ-
ки всего топлива. И до стационарного режима горения дело не доходит.
5.8.3. Обугливание поленьев в микротопках
В любом газогенераторе самопроизвольно формируются зона “пред-
пламенной” подготовки /нагрева-просушки/ дров, зона обугливания /пла-
менного выделения газообразных горючих/ поленьев, зона образова-
ния и горения наиболее ценного горючего компонента - древесного угля.
Можно ожидать, что подобная картина нагрева и обугливания харак-
терна и для каждого горящего полена в отдельности. По мере прогре-
ва внутрь, древесина сначала сохнет, а затем претерпевает постадийный
пиролиз - обугливается с выделением летучих /рис.274/. Причем глу-
бинный пиролиз происходит не просто в отсутствии кислорода воздуха
/то есть не просто в инертной среде/, а именно в среде самих продуктов
пиролиза, что в значительной степени формирует специфику химиче-
ского состава газообразных продуктов термодеструкции [125, 126].
Для первичного численного анализа предположим чисто условно
/гипотетически, абстрактно/, что вся
поверхность древесины в какой-то
момент времени мгновенно принуди-
тельно нагревается и далее постоянно
искусственно поддерживается при
строго неизменной во времени темпе-
ратуре, например, 500оС. В этом про-
стейшем модельном случае расчеты
по теории теплопроводности [127, 128]
дают динамику разогрева в виде
“волны нагрева” - профилей темпера-
туры, постепенно распространяющих-
ся вглубь древесины /рис.275-а/.
Топочные устройства печей
243
Явления типа “беспламенного
горения” реализуются также в
топливниках с раскаленными /теплоизолированными/ камерами газо-
генерации /форкамерами по С.И Несову, “полупрозрачными оболочка-
ми” по С.М.Арчибасову и др./ с коэффициентами избытка воздуха менее
единицы /рис.272-в/. Такие камеры “предварительного сжигания” /пред-
топки/ не испытывают влияния паразитных натеканий /так называемых
подсосов, присосов, засосов/ воздуха через неплотности топливника.
По сути, режимы газогенерации происходят во всех печах именно в
раскаленных микротопках. По мере разогрева стенок микротопок
потребность воздуха увеличивается, и далеко не всегда весь потреб-
ный воздух удается ввести в микротопки. Приходится “шуровать”
закладку дров для доступа воздуха в микротопки. Многие видели, какие
высокие /порой дымные/ пламена “выскакивают” из дров при раздвига-
ниях горящих поленьев, а также при самопроизвольных обрушениях
закладок горящих дров. Но и разгорание дров без шуровки может при-
водить к серьезному сокращению коэффициента избытка воздуха
/рис.273/. И в случае чрезмерного перегрева топливника может быть
достигнут такой режим газогенерации, когда пламена горящих летучих
“выскакивают” из раскаленной печи через трубу в открытую атмосферу.
Фактически в этом явлении выхода летучих за пределы закладки дров
происходит смычка принципов печей и газогенераторов. Только в газо-
генераторах не хватает воздуха, и летучим попросту не в чем гореть
над дровами. Но причина столь сильного /во всяком случае, визуального/
различия процессов горения в газогенераторах и в топливниках печей не
только в высоте закладки дров /что приводит в газогенераторах к полной
242
Дровяные печи
Рис.275. Расчетные данные по дина-
мике прогрева абсолютно сухой древе-
сины в глубину поперек волокон в гипо-
тетическом предположении отсутствия
пиролиза: а - волна тепла при неизмен-
ной температуре поверхности, б-
волна тепла при неизменном потоке
тепла. 1 - переход к обугливающейся
древесине, 2 - эндотермическая зона
начального разложения древесины, 3 -
экзотермическая зона разложения цел-
люлозы /глубинного обугливания/, 4 -
эндотермическая зона поверхностного
обугливания. Цифры на кривых - про-
должительность прогрева в минутах.
Рис.276. Экспериментальные данные по
динамике распространения тепла в глубину дре-
весины сосны поперек волокон при тепловом
потоке 33 кВт/м2 [125]. Черными точками указа-
ны глубины расположения обугленного слоя,
измеренные протыканием углей иглой.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 242

Несмотря на абстрактность принятой модели, динамика нагрева, рас-
считанная по столь упрощенной методике, близка к реальности. Так,
при тепловом потоке 33 кВт/м2 экспериментально измеренная скорость
распространения тепловой волны вглубь древесины составила при-
мерно 1 мм/мин при глубинах прогрева до 20 мм /рис.276/.
Вообще говоря, в пожарном деле считается, что скорость обугливания
древесины равна V(мм/мин) = 0,022W(кВт/м2), где W - тепловой поток
на поверхность древесины [125]. А фронт обугливания совпадает с
фронтом прогрева древесины до 350оС /см. черные точки на рис.276-а/.
Поскольку при пожарах достигаются тепловые потоки 10 - 200 кВт/м2, то
скорости обугливания древесины составляют 0,2 - 4 мм/мин. Видимо,
такие же скорости обугливания характерны и для дров в печи.
5.8.4. Тепловая нагрузка на древесину
Таким образом, для поддержания процесса последовательного
послойного обугливания древесины /то есть для непрерывного образо-
вания горючих компонентов - углей и летучих/ в микротопках необходим
непрерывный поток тепла вглубь древесины.
Откуда же берется в микротопках этот тепловой поток, который греет
древесину и вызывает ее обугливание? Ведь сначала в закладке холод-
ных дров никаких тепловых потоков нет.
Первичный тепловой поток возникает при розжиге первой микротопки
с помощью тепла от горения “растопки”. А затем тепловые потоки в
микротопке поддерживаются “сами собой” автоматически за счет собст-
венного горения древесных стенок микротопки.
Растопка - это начальная закладка “мелких” дров /спичка-бумага-лучи-
на/. Как уже отмечалось /раздел 1.2.4/, такая растопка “самодостаточна”
в том смысле, что может гореть самостоятельно, поскольку “мелкие”
дрова /в том числе и в виде “растопки”/ могут гореть даже в одиночку без
внешнего нагрева. А вот крупные дрова требуют подвода тепла извне.
Пламя от самостоятельно горящей растопки начинает греть располо-
женные рядом холодные крупные поленья своим лучистым теплом
/рис.278-а/, а при расположении поленьев над растопкой, то и конвек-
Топочные устройства печей
245
По мере распространения тепловой волны ее
линейная скорость снижается. Так же снижает-
ся и тепловой поток вглубь древесины /из-за
постепенного уменьшения градиента темпера-
туры в древесине/. Так, через первую минуту
после начала нагрева скорость тепловой волны
составляет 2,5 мм/мин при тепловом потоке 15
кВт/м2, через 4 минуты 1,2 мм/мин при 6 кВт/м2,
через 15 минут 0,6 мм/мин при 3,5 кВт/м2, через
60 минут 0,34 мм/мин при 1,7 кВт/м2, через 120
минут 0,25 мм/мин при 1,1 кВт/м2 /рис.275-а/.
Для первичного оценочного анализа можно
рассмотреть также случай нагрева поверхности
древесины постоянным тепловым потоком
/например, лучистым/. При этом тоже возникает
тепловая волна, но уже с постепенным повышением температуры
поверхности /рис.275-б/. Скорость распространения тепловой волны в
этом случае оказывается существенно меньшей, чем в случае поддер-
жания постоянно высокой температуры поверхности древесины /2,5 -
0,25 мм/мин на рис.275-а, 0,36 - 0,12 мм/мин на рис.275-б/.
Вышеприведенные оценочные расчеты не учитывали термодеструк-
цию древесины /рис.277/. Но ведь уже при 220оС начинает разлагаться
гемицеллюлоза, при 280оС целлюлоза, а при 320оС лигнин древесины
[5,123, 129-133]. Поэтому, профиль температуры в древесине имеет
более сложный характер /пунктирная кривая на рис.275-а/. Кроме того
при 350оС древесина обугливается и пропускает меньше тепла из-за
пониженной теплопроводности слоя древесного угля. Но, тем не менее,
сам по себе древесный уголь прогревается быстрее древесины из-за
высокого коэффициента температуропроводности а = λ /ρСр:
Материал
ρ
Ср
λ
а.107
кг/м3
кДж/кг.град
Вт/м.град
м2/сек
Сосна поперек волокон
500
2,3
0,18
0,75
(относительная влажность25%)
Древесный уголь
300
1,0
0,04
1,3
Вода
1000
4,2
0,59
1,4
Воздух
1,3
1,01
0,024
185
Напомним, что теплоемкость абсолютно сухой древесины составляет 1,68 кДж/ кг.град.
244
Дровяные печи
Рис.277. Свойства сосновой древесины при нагреве [133].
Рис.278.Тепловые потоки на
древесину: л - лучистый от пла-
мени, к - кондуктивный от пла-
мени, лп - лучистые потери, лк -
компенсация лучистых потерь.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 244

Если построить зависимость корня квад-
ратного из скорости распространения пла-
мени по поверхности крупного полена от величины внешнего лучистого
теплового потока, то обнаружится некое минимальное /критическое/
значение величины внешнего теплового потока qкр, ниже которого рас-
пространение пламени по поверхности невозможно /рис.279/. Для
сосны эта величина составляет порядка 5-7 кВт/м2. При этом молчали-
во подразумевается, что имеется еще и “собственный” тепловой поток
на древесину от пламени. При тепловых же потоках порядка 14 кВт/м2
возможно уже не просто распространение огня по древесине, а вос-
пламенение летучих над негорящей древесиной от внешнего источника
поджига /см. раздел 1.2 .1/. При тепловых же
потоках порядка 20 кВт/м2 возможно уже
самовоспламенение древесины.
Все более и более глубокое обугливание
древесины по мере прогорания поленьев
приводит к неминуемому снижению тепло-
вого потока вглубь древесины. При этом
постепенно снижается выход летучих из
древесины, препятствующий поступлению
кислорода к поверхности горящей древеси-
ны. Значит, кислород начинает все легче и
легче проникать к раскаленному обугленно-
Топочные устройства печей
247
тивным теплом от пламени. Тем самым растапли-
вается первая микротопка, а затем она сама уже
поджигает своими пламенами и своим тепловым
излучением соседние микротопки.
Детальный процесс воспламенения поверхности древеси-
ны огнем от растопки весьма сложен /рис.278-а/. Возникающее
вследствие внешнего нагрева (л) собственное пламя на
поверхности поленьев само начинает греть древесину полень-
ев лучистым (л) и конвективным (к) потоками тепла /рис.278-б/.
Этого тепла хватает для распространения огня по поверхно-
сти мелких поленьев, но не хватает для распространения пла-
мени по поверхности крупных поленьев, поскольку основное
тепло от пламени бесполезно уходит вверх, а обугливание
поверхности крупного полена требует большого количества
тепла для подсушки, разогрева и газификации больших объемов глубинной древесины.
Поскольку пламя является горящим потоком летучих с поверхности древесины, то этот
поток отталкивает окружающий воздух и не позволяет кислороду проникать к раскален-
ному, но не горящему обугленному слою. Но если пламя “сдуть” или пламя локализовать
в местах трещин /рис.278-в/, то это откроет дорогу кислороду к поверхности обугленного
слоя. И обугленный слой начинает тлеть. Причем тепловыделение от горения углей при-
водит к повышению температуры поверхности, а это в свою очередь приводит к росту
тепловых потоков как вглубь древесины, так и наружу в окружающую среду. Для перево-
да тления в пламенное горение необходим внешний тепловой поток (лк), компенсирующий
хотя бы часть лучистых потерь (лп) с поверхности обугленного слоя /рис.278-г/.
Все эти обстоятельства привели к тому, что в теории горения древесины ввели понятия
“термически тонкого” и “термически толстого” образцов древесины /см. раздел 1.2.4/. Если
глубина прогрева во время огневого процесса меньше толщины образца, то это терми-
чески толстый горючий материал. И наоборот, если нагрев сразу охватывает всю толщу
образца, то это термически тонкий горючий материал [138].
Термически толстые поленья могут самостоятельно тлеть, но гореть пламенем могут
только в костре или в горячей топке, где поверхность полена греется лучистым теплом от
соседнего горячего полена или от раскаленной стенки топливника. Промежутки между
горящими и греющими друг друга поленьями мы назвали “микротопками”. То есть понятие
микротопки включает в себя требование наличия внешнего потока тепла на древесину.
246
Дровяные печи
Рис.279. Скорость распространения горения по горизон-
тальной поверхности сосновой древесины в зависимости от
величины внешнего теплового потока на древесину [137].
Рис.281. Динамика тепловыделения в ходе горения
образцов древесины при различных плотностях внеш-
него теплового потока [138]: а - береза с влажностью
5,5%(1-20кВт/м2,2 -35кВт/м2,3 -52кВт/м2),б -ель
с влажностью 6,4% (1 - 20 кВт/м2, 2 - 35 кВт/м2, 3 - 52
кВт/м2), в - береза и ель при 35 кВт/м2 (1 - береза с
влажностью 7%, 2 - ель с влажностью 7%, 3 - береза с
влажностью 14%, 4 - ель с влажностью 14%).
Рис.280. Принципиальная схема калориметра для
исследования горения древесины по стандарту ASTM
E906: 1 - воздуходувка, 2 - расходомеры, 3 - сетчатый
распределитель воздуха, 4 - газовая горелка поджига
летучих, 5 - плоский образец древесины 150х150х10 мм
в держателе, 6 - панель лучистого нагрева, 7 - турбули-
затор, 8 - термопара для измерения температуры отхо-
дящих газов, 9 - отходящие газы [136, 142].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 246

гих данных /см. стр.236/. Теплотворная способность древесных углей
сильно зависит от температуры их получения /рис.282/, а поэтому и от
способа получения /см. стр.236/. Угли, образующиеся в глубине обуг-
ленного слоя горящей древесины, имеют значительно более низкую
теплотворную способность, чем угли на поверхности горящей древеси-
ны /из-за “недожога” - наличия летучих, удаляемых лишь при прокалке
углей при высоких температурах/. Наличие “невыжженных” летучих
влияет и на температуру самовозгорания древесных углей /рис.283/.
Обычно принимается, что товарный древесный уголь имеет пикно-
метрическую плотность /истинную плотность самого вещества/ порядка
1500 кг/м3. Плотность пористых кусков углей из березы составляет 380
кг/м3, из сосны 300 кг/м3, из ели 260 кг/м3. Насыпной вес /складская
мера/ кусков углей из березы составляет 160 кг/м3, из сосны 130 кг/м3,
из ели 110 кг/м3. Удельная теплоемкость древесных углей составляет
0,71 кДж/кг.град при 24оС, 1,05 кДж/кг.град при 425оС, 1,5 кДж/кг.град
при 925оС [140]. Удельная теплоемкость химически чистого углерода
при комнатной температуре составляет 0,672 кДж/кг.град [141].
Товарный древесный уголь сохраняет форму и текстуру исходных
древесных чурок, но обладает меньшими линейными размерами из-за
усадки при термодеструкции древесины /рис.284/. Прокалку /углежже-
ние/ древесины для получения товарного древесного угля ведут с мед-
ленным подъемом температуры так, чтобы не было больших перепадов
температуры внутри древесины. Вследствие этого, древесина обугли-
вается одновременно на всех глубинах, и товарный древесный уголь, не
смотря на значительную усадку, не имеет крупных трещин.
А вот угли на поверхности обугливающейся при горении древесины
образуются при быстром прогреве древесины под действием внешнего
лучистого потока и сильно растрескиваются. Это объясняется тем, что
угольный слой при этом формируется на нетронутой огнем древесине
как на основе-матрице, не изменяющей своих линейных размеров.
Поэтому угольный слой попросту рвется,
не в силах ни сжать древесину, ни сдви-
нуться /сжаться, отковырнуться/ послой-
но относительно матрицы древесины.
Топочные устройства печей
249
му слою. Это приводит к повышению теп-
ловыделения и к повышению температу-
ры обугленной поверхности /условно с
270оС до 1000оС/, к повышению тепло-
вых потоков вглубь древесины и наружу.
В результате, огневой процесс на
поверхности древесины удается условно
разделить на два предельных случая - на начальный этап премуще-
ственного горения летучих в форме пламени над поверхностью обуг-
ленной древесины /объемный газофазный этап/ и завершающий этап
преимущественного горения древесного угля на поверхности обугленной
поверхности /поверхностный гетерогенный этап/.
Особенности этих двух этапов могут быть выявлены по эксперимен-
тальной методике ASTM E906 [142]. Образец древесины нагревают
фиксированным лучистым потоком и измеряют при этом калориметром
интенсивность /мощность/ выделяющегося при горении тепла /рис. 280/.
Временная зависимость интенсивности тепловыделения имеет двух-
горбый характер, то есть процесс горения действительно имеет две ста-
дии /рис.281/. Причем стадия горения углей имеет более высокое теп-
ловыделение [134-138].
При увеличении плотности внешнего теплового потока максимальные
значения интенсивности /мощности, скорости/ тепловыделения воз-
растают, а времена достижения максимума интенсивности тепловыде-
ления снижаются /рис.281/. То есть, чем больше величина внешнего
теплового потока, тем быстрее обугливается и интенсивней горит дре-
весина [125]. Это объясняется тем, что чем больше тепла идет на пиро-
лиз древесины, тем больше образуется горючих /см. раздел 5.7/. И
внешний тепловой поток со стенок микротопок на древесину играет
при этом роль “краника на газовой трубе”.
5.8.5. Свойства обугленного слоя
В работе [140] принята теплота сгорания углей 34300 кДж/кг = 8160
ккал/кг (при общей теплоте сгорания древесины березы в целом 19500
кДж/кг и теплоте сгорания летучих 16600 кДж/кг), что отличается от дру-
248
Дровяные печи
Рис.282. Массовый выход углей из древесины У,
содержание общего углерода в образующихся углях
Ситеплотворная способность углей Q в зависимо-
сти от температуры получения углей [139].
Рис.283.Температура самовозгорания древесных
углей в зависимости от массового содержания в них
летучих, выделяемых при дополнительной прокалке
углей до 900оС, то есть от содержания в них оста-
точных количеств водорода, кислорода и азота [139].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 248

дров разгорается существенно медленней,
чем при нижнем розжиге /см. раздел 5.3 .2/.
Действительно, при горении влажной дре-
весины первый этап огневого процесса, свя-
занный с горением летучих, оказывается
более затянутым по времени, а уровни интен-
сивности тепловыделения оказываются более низкими, чем в случае
сухой древесины /рис.281-в/.
Таким образом, волна тепла, распространяющаяся вглубь горящей
древесины, идет в первую очередь на испарение влаги в глубине дре-
весины. То есть, профиль температуры в глубине влажной древесины
имеет более крутой вид, чем в сухой. В результате, толщина прогрето-
го слоя во влажной древесине меньше, чем в сухой. Интересно отметить,
что более крутой профиль температуры образуется и в газогенерато-
рах, работающих на влажной древесине /рис.286/.
Влажная древесина требует для своего горения более высоких внеш-
них тепловых нагрузок. Так, очень влажная древесина имеет малую теп-
лотворную способность, и казалось бы, что мокрая древесина гореть
не должна. Однако, можно организовать процесс так, что горит сухая
древесина, но все тепло от горения идет на подсушку мокрой /пока еще
не горящей/ древесины. То есть горение может быть полноценным при
малой теплотворной способности. И лишь когда теплотворная способ-
ность становится отрицательной, горение становится не возможным.
Но вода и вне древесины /уже в виде водяных паров/ оказывает суще-
ственное влияние на процессы горения древесины. Дело в том, что при
высоких температурах протекает реакция газификации раскаленного
углерода парами воды с образованием синтез-газа (СО + Н2) с потреб-
лением большого количества тепла по химической реакции С + Н2О =
СО + Н2 - 125 кДж/кг-моль. В результате, углерод /и в виде частиц сажи
в пламенах, и в виде углей обугленного слоя/ частично превращается в
горючие газы. Пламена и обугленные поверхности остывают, что вызы-
вает замедление процессов горения. Но зато образуются горючие газы
(СО + Н2) с высокой теплотворной способностью, которые могут сго-
рать /в том числе гомогенными пламенами, практически не видимыми
глазом/. Общая калорийность процесса при этом не изменяется.
Топочные устройства печей
251
Образующиеся трещины угольного слоя
имеют большую глубину /рис.266-а, 267/, и
именно через них преимущественно выхо-
дят потоки паров воды и летучих /рис.285/.
5.8.6. Влияние влажности древесины.
Часто говорят, что высокая влажность дров не позволяет получить
высокие температуры топливника, поскольку вода при испарении отби-
рает тепло от топливника. Но ведь вода может отбирать тепло только
там /в той точке/, где она испаряется. А испаряется она в глубине
поленьев, то есть испарение охлаждает не топливник, а именно дрова.
Эта вода, испаряющаяся из дров, выявляется визуально при растопке холодной печи по
каплям росы на стеклянной дверке топливника, по увлажнению стенок топки и футеров-
ки, по конденсату, стекающему по дымовой трубе. При последующем прогреве печи этот
конденсат, сыгравший некую роль в первичном нагреве внутренностей печи, начинает
испаряться со стенок, в том числе с образованием тумана - белой дымки /”клубов пара”/,
теперь уже несколько охлаждая внутренности печи.
На нагрев абсолютно сухих дров до температуры обугливания 350оС
уходит 588 кДж/кг тепла. При относительной влажности дров 10%, 20%
и 30% эта величина повышается соответственно до 905 кДж/кг, 1222
кДж/кг и 1539 кДж/кг. То есть, для нагрева дров с типичной относитель-
ной влажностью 20-30% уходит в 2-3 раза больше тепла, чем на нагрев
абсолютно сухой древесины. Причем, на разогрев дров уходит до 10%
всей теплотворной способности дров. Это значит, что для быстрой рас-
топки надо использовать как можно более
сухие дрова и как можно больше тепла рас-
топки пускать на разогрев дров. Именно
поэтому печь при верхнем розжиге закладки
250
Дровяные печи
Рис.284. Усадка древесины при прокаливании в
инертной среде в ходе производства древесных углей
[139] : 1 - объемная, 2 - линейная тангенциальная
/азимутальная/, 3 - линейная радиальная /поперек
волокон/, 4 - линейная аксиальная /вдоль волокон/.
Рис.285. Выделение летучих из горящей древесины
через трещины обугленного слоя.
Рис.286. Распределение температуры по высоте газо-
генератора на древесной щепе: 1 - щепа с исходной
относительной влажностью 35%, 2 - щепа с исходной
относительной влажностью 60% [123].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 250

другой зазор между горящими дровами /по иной траектории 2/, который
тоже начинает разгораться и тоже “запирается”. В результате возникают
нескончаемые пульсации горения дров - рвущиеся вверх пламена попе-
ременно перескакивают из одного зазора в другой. Спокойное равно-
мерное горение возможно лишь при наличии не воспламенившихся
зазоров, то есть когда закладка дров только начинает разгораться.
Неустойчивости газовых течений в закладках горящих дров становят-
ся особенно заметными при встречных движениях воздуха и дымовых
газов. Дело в том, что встречные потоки дымовых газов могут перего-
раживать доступ свежему воздуху к очагу горения /рис.288-б/, в отли-
чие от потоков дымовых газов, спутных воздуху /рис.288-а/. Если доступ
воздуха прекращается, то и горение у поверхности полена приостанав-
ливается. Но в последующие моменты времени поверхность горящего
полена остывает, выход летучих снижается, и кислород вновь начинает
поступать к поверхности полена. При этом могут образовываться
неустойчивости горения [53], аналогичные неблагоприятным пульса-
ционным режимам, наблюдаемым в камерах сгорания жидкостных тур-
бореактивных двигателей и даже полезно используемым в газовых кот-
лах с пульсирующим горением типа ПВ-100 производства ФГУП “Крэмз”.
Эффект становится особенно нежелательным фактором при хорошо
разгоревшихся дровах при одновременной острой подаче /струей/ воз-
духа в тупиковые микротопки закладки дров, то есть при раскаленных
”пещерах” в закладке дров, способных при разгорании мгновенно “запи-
рать” вход воздуха. В этом случае пульсации горения сопровождаются
хлопками в топливнике и порой даже приобретают вид непрерывных
“пулеметных” залповых выбросов пламени и дыма через воздухопо-
дающие отверстия. Металлическая печь может зареветь и затрястись -
“пойти в разгон” [6,143]. Неплотно прижатая дверца топливника может
начать постукивать /бренчать/. Выбросы пламени исчезают при откры-
вании дверки топливника, при механическом разбиении /турбулизации/
остро направленной струи воздуха, при уменьшении разрежения в топ-
ливнике, при удачном изменении порядка укладки горящих поленьев.
Топочные устройства печей
253
В печной практике это проявляется в том, что
протопка печи влажными дровами сопровождает-
ся хорошим прогревом каналов конвективной
системы, но после окончания пламенного горения в топливнике не
остаются горящие угли. А при протопке очень сухими дровами /также
как и каменным углем/ каналы конвективной системы прогреваются
слабо, но зато стенки топливника сильно перегреваются /с возможным
растрескиванием кладки/, а после окончания пламенного горения в топ-
ливнике остается много горящих углей. Поэтому сухие дрова лучше под-
ходят для металлических печей, в которых теплосъем осуществляется
преимущественно через стенки топливника /”прямой теплоотдачей” по
котельной терминологии/.
В быту иногда безосновательно полагают, что влажные дрова хоро-
шо прогревают каналы за счет повышенной теплопроводности влаж-
ных дымовых газов и за счет конденсации паров воды. Однако, водяной
пар имеет не столь уж высокую теплопроводность /см. рис.80/, а кон-
денсация паров воды в дымоходах вообще не допустима.
5.8.7. Пульсации горения дров
Динамика горения поленьев в микротопках обладает некоторыми спе-
цифическими особенностями. В частности, это касается вопросов
устойчивости коллективного пламенного горения в закладке дров.
Представим себе, что воздух начинает преимущественно поступать
по траектории 1 в один из зазоров /в микротопку/ между двумя полень-
ями /рис.287/. Ввиду интенсификации горения в зазоре резко повыша-
ется выход летучих из раскаленной обугленной древесины. Зазор
между поленьями 1 уже не в состоянии пропустить повышенное коли-
чество газов, что выражается в повыше-
нии газодинамического сопротивления
зазора. Поэтому воздух устремляется в
252
Дровяные печи
Рис.287. Модель неустойчивости пламени в закладке горя-
щих дров - поток воздуха по траектории 1 вызывает повы-
шенное выделение летучих в зазоре, в результате чего поток
воздуха “отталкивается” и устремляется по траектории 2.
Рис.288. Направленности потоков воздуха и
дымовых газов: а - спутные, б - встречные.
Рис.289. Частные случаи появления неустой-
чивостей горения: а - герметичная подовая печь
с острой боковой подачей струи воздуха в зазоры
между поленьями, б - подача воздуха сверху
через щель в камфорке варочной плиты. 1
-
струя воздуха, 2 - поток летучих, 3 - горизонталь-
ный дымооборот, 4 - закладка горящих дров.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 252

решетке является практически значимым обстоятельством в плане
надежности конструкции топочного узла, поскольку поток воздуха в ходе
своего нагрева заметно охлаждает саму решетку и предотвращает ее
термическое разрушение и деформацию /прогар, коробление/. Во вся-
ком случае достоверно известно, что в топках дровяных котлов темпе-
ратура решетки снижается при увеличении расхода воздуха [117].
В то же время все знают, что если обдуть воздухом горящие угли
костра /например, в мангале при жарке шашлыка/, то они разгораются
еще сильнее. Более того, обдувом воздухом /как охлаждающим потоком/
вообще не удается погасить горение древесных углей. Это означает,
что горящим углям “не хватает воздуха” в том смысле, что они “охотно”
бы потребили значительно больше воздуха /как окислителя/, чем его
реально поступает на поверхность горящих углей.
В таком случае, более сильный вдув воздуха снизу в горящий угольный
слой должен приводить к повышению температуры обдуваемой нижней
поверхности углей, а заодно и к нагреву решетки, на которой этот уголь-
ный слой собственно и располагается. То есть высотное распределение
температуры в слое углей можно было бы ожидать в виде некой “сту-
пеньки” /рис.290-а/. Воздух, раздувая нижнюю поверхность горящего
угольного слоя, тут же вырабатывается /поскольку угли “могут взять
весь кислород”/. В верхних слоях угольного слоя кислорода уже нет,
температура поэтому сохраняется постоянной. Температура угольного
слоя /как единого целого/ определяется из энергетического баланса
слоя - тепло, выделившееся в процессе химического поглощения кис-
лорода, идет на нагрев дымовых газов и на лучистые потоки “л” /пока-
занные волнистыми стрелками/ с нижней и верхней поверхностей слоя.
Но в действительности кислород не успевает выработаться на нижней
поверхности угольного слоя и проникает снизу вглубь угольного слоя
/рис.263/. Это обуславливает не однократный мгновенный, а постепен-
ный разогрев угольного слоя, причем из-за наличия золы /шлаков/ разо-
грев решетки может вообще не происходить.
Решетка в таком случае имеет низкую темпе-
ратуру /рис.290-б/. Собственно такая модель
и была использована для оценочного расчета
температуры угольного слоя в разделе 1.4.
Топочные устройства печей
255
Явно выраженные пульсационные выбросы пламени наблюдаются
преимущественно в герметичных подовых топливниках с одним возду-
хоподающим отверстием /рис.289/. Для предотвращения выбросов пла-
мени в воздухоподающем отверстии монтируется рассекатель воздуш-
ной струи /например, уголковый в случае печей типа “Булерьян”/.
В обычных кирпичных бытовых отопительных печах с колосниковы-
ми топливниками, а тем более в дровяных кухонных плитах с чугунной
варочной плитой, пульсационные выбросы наблюдаются редко, ввиду
отсутствия герметичности топливника и поступления /подтекания/ воз-
духа через многочисленные отверстия-неплотности в корпусе.
5.8.8. Горение углей на решетке
Пульсации горения наблюдаются только при раскаленных, но непол-
ностью обугленных дровах, когда из древесины выделяется много лету-
чих в виде развитых пламен. На колосниковой же решетке распола-
гаются, как правило, сильно обугленные дрова /в виде раскаленных
древесных углей/, и пульсации горения на решетке не возникают.
Холодный воздух проходит через горячую решетку и нагревается.
Сам по себе этот нагрев воздуха не является, видимо, решающим фак-
тором для процесса горения дров. Но тем не менее, как подчеркивает-
ся во многих книгах по котельным топкам, явление нагрева воздуха на
254
Дровяные печи
Рис.290. Высотные /по оси Х/ распределения температуры Т(Х) в горящем на решетке
угольном слое разной толщины : а - модель мгновенной выработки кислорода на нижней
поверхности слоя /непосредственно у решетки/, б - модель постепенного выработки кис-
лорода, в - промежуточная модель постепенной выработки кислорода, г - модель посте-
пенной выработки кислорода в тонком слое /печном/, д - модель постепенной выработки
кислорода в толстом слое /газогенераторном/. На рис.290-б обозначения приняты в соот-
ветствии с расчетными формулами на стр.74: То - исходная температура воздуха, Тр -
термодинамическая температура горения, Т - температура дымовых газов на выходе с
верхней поверхности слоя. Л - лучистые потоки с поверхностей горящего угольного слоя.
Рис.291. Явление неравновесности в горящем уголь-
ном слое: температура газа /смеси воздуха с дымовыми
газами/ отличается от температуры углей.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 254

если учесть, что на сгорание 1 кг углей уходит 11 кг воздуха, то стано-
вится ясным, что нагрев столь значительного количества воздуха /и
дымовых газов/ может быть очень продолжительным. Так что фактиче-
ски на фронтальной /нижней/ поверхности углей /то есть на решетке/
мы имеем раскаленные угли, но холодный воздух /рис.291/.
Кроме того, выгорание углей на решетке вызывает появление каверн
в слое /рис.292/. При отсутствии шуровки холодный воздух в этом слу-
чае еще глубже проникает в угольный слой.
При гетерогенном горении нет заранее приготовленной /перемешанной/ гомогенной
смеси горючего и окислителя /см. раздел 1.3.2/. Угли и кислород разделены, и химиче-
ская реакция горения /окисления/ идет на поверхности кусков /частиц/ углей. Скорость
горения К = кС пропорциональна константе скорости химической реакции к (Т) = Аехр(-Е/Т)
и концентрации кислорода у поверхности углей С. С другой стороны скорость поверх-
ностного горения К = а(Со - С) определяется скоростью поступления кислорода и про-
порциональна коэффициенту диффузионного обмена а и разности концентраций кисло-
рода в удалении от углей и на поверхности углей (Со - С). Комбинируя эти соотношения,
получаем формулу для скорости гетерогенного горения К = КоСо, где Ко = (к-1 + а-1)-1
.
Отсюда следует, что при высоких температурах а << к скорость горения определяется
скоростью диффузии кислорода к поверхности углей, поскольку раскаленные угли на
своей поверхности способны поглотить “любое” сколь угодно большое количество кис-
лорода /диффузионный режим горения/. При низких же температурах к << а скорость
горения определяется скоростью окисления на поверхности углей, поскольку диффузия
поставляет так много кислорода, что угли не успевают прореагировать с ним /кинетический
режим горения, а фактически просто окисления/. Действительно, при низких температурах
скорость горения угля зависит только от температуры углей, но не зависит от скорости
набегающего воздуха /рис.293/. А при высоких температурах скорость горения не зависит
от температуры углей, но зависит от скорости набегающего воздуха /приведены данные
для электродного угля, для древесных же углей линейная скорость выгорания будет в
несколько раз большей из-за высокой пористости углей/. Температура горения не зависит
от температуры воздуха, а равна температуре
поверхности углей и в отличие от случая гомо-
генного горения определяется не термодинами-
кой, а тепловым балансом поверхности углей.
Топочные устройства печей
257
Чтобы согласовать эти две край-
ние по своей физической сущности
модели горения слоя углей
/рис.290-а и рис.290-б/, можно
было бы ввести некую промежуточ-
ную модель с первичным скачком
температуры на фронтальной /ниж-
ней/ стороне угольного слоя с последующим плавным ростом темпера-
туры в глубине угольного слоя /рис.290-в/. Это помогло бы как-то согла-
совать применяемую абстрактную теоретическую модель с реально
наблюдаемой картиной явления нагрева решеток как в печах с тонким
слоем углей /рис.290-г/, так и в газогенераторах с толстым слоем углей
/рис.290-д/. Однако, тем не менее, никакими подобными искусственны-
ми ухищрениями невозможно получить полезные выводы, а тем более,
углубиться в физическую суть процесса.
Дело в том, что все эти гипотетические модели на рисунке 290 никак не
учитывают, что горящие угли могут иметь более высокую температуру,
чем воздух, в котором эти угли собственно и горят. Ведь процесс горения
развивается в угольном слое конечной толщины - не более 1-2 слоев кус-
ков древесного угля /рис.263/. При этом фильтрующийся поток воздуха
просто не успевает прогреться /в приосевых зонах каналов/ до темпе-
ратуры горящих углей. Вообще говоря, аналогичная картина наблюда-
ется и в случае проникновения исходно холодного воздуха в горячую
микротопку между пламенно горящими поленьями /рис.268/.
Процесс горения в тонком угольном слое не просто нестационарный
/изменяющийся в пространстве/, но и неравновесный термодинамиче-
ски, когда температура углей одна, а температура воздуха совсем иная.
Фактически речь идет о том, что в каналах между кусками углей имеется
воздух с разным содержанием кислорода и с разной температурой.
Действительно, уголь может жарко гореть даже в холодном воздухе -
так о какой единой температуре может идти речь? Тем более, что ско-
рость химической реакции горения определяется температурой горя-
щей поверхности кусков /частиц/ углей, а не температурой воздуха или
температурой в глубине кусков углей. Термодинамическая равновес-
ность может быть достигнута лишь при долгом соприкосновении рас-
каленного угля и воздуха, когда воздух успеет прогреться от углей. И
256
Дровяные печи
Рис.292. Каверны в слое угля, горящего
на решетках разных модельных форм.
Рис.293. Температурная зависимость скоро-
сти горения сферических частиц электродного
угля в потоке воздуха при различных линейных
скоростях набегающего потока воздуха [144].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 256

большой линейной скоростью - “струей” /то есть требуется открыть
задвижку на трубе и прикрыть поддувало/. А для сжигания дров исполь-
зуется большой расход воздуха, но с малой линейной скоростью /то
есть требуется прикрыть задвижку на трубе и раскрыть поддувало/.
5.8.9. Пепел на углях
Горение углей /в том числе и на обугленной древесине/ сопровожда-
ется образованием пепла в виде слоя белесой “паутинки” на поверхно-
сти углей /рис.295/. Образование пепла - это выделение /в виде остат-
ка от древесины/ негорючих минеральных веществ - твердых окислов.
Воздушно-сухая древесина содержит в % масс.[129]:
Вся зола
K2O
Na2O
MgO CaO
P2O5 SiO2
Бук
0,55
0,09
0,02
0,06
0,31
0,03
0,03
Береза
0,26
0,03
0,02
0,02
0,15
0,02
0,01
Лиственница
0,27
0,04
0,02
0,07
0,07
0,03
0,01
Дуб
0,51
0,05
0,02
0,02
0,37
0,03
0,01
Сосна
0,26
0,04
0,01
0,03
0,14 0,02
0,04
Пепел не препятствует диффузии кислорода к горящей поверхности
углей, но затрудняет доступ к поверхности воздушных потоков. Поэтому,
наличие пепла, вообще говоря, снижает скорость горения углей.
В то же время, энергичные потоки воздуха, обладающие высокими
линейными скоростями, могут механически сдувать с поверхности слой
пепла, что открывает поверхность горящих углей потоку свежего возду-
ха. Пепел может удаляться также стряхиванием или соскабливанием с
поверхности при самопроизвольных обрушениях дров и при шуровках.
Горение нижней поверхности слоя углей, расположенной непосред-
ственно на воздухопродуваемой решетке, сопровождается проседани-
ем всего угольного слоя вниз и накоплением
пепла на решетке. Этот слой пепла между
горящим углем и решеткой снижает темпе-
Топочные устройства печей
259
Именно высокотемпературное горение
углей реализуется на решетке, и именно
раскаленные угли горят в диффузионном
режиме [144,145], то есть при низкой кон-
центрации кислорода на поверхности. Это означает, что около горяще-
го куска /частицы/ углей имеется резко неоднородное поле температур
и концентрации окислителя. И если вдоль угольного канала наблюдается
снижение концентрации кислорода, то значит, что температура газов
/смеси воздуха и дымовых газов/ неуклонно повышается /рис.294/.
Ясно, что лучистое тепло с раскаленной поверхности горящих углей
охлаждает слой углей, но греет решетку. А поступающий холодный воз-
дух охлаждает решетку. Причем, чем сильней поток воздуха, тем лучше
охлаждается решетка. Также ясно, что высокая решетка /рис.292-б/
лучше охлаждается, чем низкая /рис.292-а/. Наиболее высокая темпе-
ратура решетки достигается в местах, промежуточных между явно
застойными зонами и явно продуваемыми. Чем больше газодинамиче-
ское сопротивление решетки, тем равномерней распределяется воздух
по площади однородной решетки /исчезают места преимущественного
течения воздуха/. Чем больше сопротивление решетки, тем больше
нужно разрежение в топливнике. А механическое дутье /напор в подду-
вале/ снижает потребность в сильном разрежении в топливнике. Так что
желательно иметь решетку с большим сопротивлением, но с сильным
нагнетанием воздуха в поддувало.
Большой практический интерес вызывает выбор оптимальной величи-
ны площади проходного /”живого”/ сечения решетки. По сути речь идет
о выборе величины линейной скорости воздуха в решетке при задан-
ном массовом расходе воздуха. При стандартизированном проектиро-
вании по ГОСТ 2127-47 оптимальная площадь решетки принимается
равной 40 см2, а проходное сечение решетки 10 см2 в расчете на ско-
рость горения 1 кг дров в час, что соответствует /в пересчете/ линейной
скорости воздуха в отверстиях /проемах, щелях/ решетки 1-3 м/сек при
коэффициентах избытка воздуха в пределах 1-3.
В соответствии с давно устоявшимися среди печников соображения-
ми [44], для сжигания углей используется малый расход воздуха, но с
258
Дровяные печи
Рис.294. Состав дымового газа в конце канала из
электродного угля в зависимости от температуры сте-
нок канала [144]. Расход воздуха 10 л/мин /усреднен-
ная линейная скорость воздуха в канале 150 см/сек/,
диаметр канала 12 мм, длина канала 950 мм.
Рис.295. Пепел /изображенный ”звездочками”/ обра-
зуется при горении древесных углей, накапливается на
поверхности углей или на поверхности обугленной дре-
весины 1, проваливается 2 через решетку в поддувало
/или на глухой под/, накапливается 4 на решетке /или на
глухом поде/ или уносится потоком дымовых газов 5.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 258

подовая зола может частично спекать-
ся, а зола от каменных углей способна
даже расплавляться, образуя шлаки.
5.9. Сжигание летучих над дровами
Летучие выделяются из горящих дров либо в виде газов /паров/, либо
в виде очень мелких жидких капель конденсата - тумана /белого дыма/.
Газообразные летучие /пары/ сгорают в воздухе гетерогенно в виде
предварительно не смешанных с воздухом струй горючих газов в форме
диффузионных пламен - факелов, языков огня /см. раздел 1.3.2/.
Жидкокапельные летучие /дымы-туманы/ требуют предварительного
испарения капель. Образовавшиеся при этом смеси горючих паров с
воздухом затем сгорают гомогенно в форме хаотично распространяю-
щихся в топливнике фронтов пламени - всполохов /см. раздел 1.3 .1/.
5.9.1. Сжигание газообразных летучих
Горение газообразных летучих начинается в микротопках между
поленьями и продолжается над закладкой дров в виде известных язы-
ков пламени в объеме топливника. Ясно, что появление пламен над
закладкой дров обусловлено неспособностью микротопок сжечь все
выделяющиеся летучие. Это случается, когда летучих в микротопках
выделяется слишком много, а воздуха в микротопки проникает слиш-
ком мало, то есть при низких коэффициентах избытка воздуха 0,2-1,2
/при нехватке кислорода внутри горящей закладки дров/.
Особым случаем является сжигание окиси углерода над дровами,
поскольку ее появление может быть обусловлено не только недогора-
нием пламен, но и восстановлением двуокиси углерода на углях.
5.9.1.1. Сжигание свободным пламенем
Пламена /горящие струи горючих газов/ вырываются из микротопок в
объем топливника, а там коэффициенты избытка воздуха /величины
“альфа”/ могут быть совсем иными, нежели в микротопках между дро-
вами. При малых “альфа” пламена способны тухнуть /рис.296-297/, а
Топочные устройства печей
261
ратуру решетки и предохраняет ее от прогара. Горение же кусков углей
в объеме /в глубине/ слоя сопровождается уменьшением размеров кус-
ков. Внутри слоя между кусками образуются пустоты, каналы, своды,
что ведет к обвалам кусков. Куски горящих углей, проскальзывая друг
относительно друга, обшелушивают /сдирают/ с себя слой пепла. При
этом пепел может утрамбовываться, спекаться, перекристаллизовы-
ваться в малопрочные гранулы /крупинки/, называемые золой /реальным
остатком-осадком от сгоревшей древесины/.
Часть пепла выносится из топливника потоками дымовых газов в
форме так называемой “летучей золы” /зоны уноса/. Другая часть пепла
проваливается на глухой под или на решетку и далее в зольник в форме
так называемой “подовой золы” /осадочной золы или зольного остатка/.
Летучая зола в свою очередь подразделяется на крупную и мелкую фракции [146].
Крупная фракция представляет собой фрагменты слоя пепла, механически оторванные
/сдутые/ газовым потоком с поверхности углей. Крупная фракция состоит из “пушистых”
образований /конгломерататов/ размером до нескольких миллиметров из частиц окислов
размером нескольких микрометров. Мелкая же фракция образуется в объеме над поверх-
ностью обугленной древесины при конденсации охлаждающихся паров окислов металлов,
появляющихся в объеме либо при сгорании /элементоорганических соединений в соста-
ве продуктов пиролиза древесины/ или при испарении /окислов с горящей поверхности/.
Поэтому мелкая фракция имеет очень малый размер частиц /порядка нескольких нано-
метров/ и невидима глазом. Мелкие частицы укрупняются при взаимной коагуляции или
при осаждении на крупных частицах уноса. Мелкая фракция обогащена тяжелыми метал-
лами и нежелательна для использовании в качестве удобрения в сельском хозяйстве.
Летучая зола частично осаждается в дымоходах /совместно с сажей и
конденсатом/, частично выносится в атмосферу. Унос пепла в дымохо-
ды и в атмосферу считается нежелательным явлением. Это дает, в част-
ности, еще один повод считать, что подовые топливники, обладающие
пониженным золоуносом, более экологичны, чем решетчатые.
Подовая зола имеет вид крупинок, в том числе с формой и со струк-
турой кусочков исходной древесины.
При температурах выше 1200оС,
например, в “предтопках” /рис.272-в/,
260
Дровяные печи
Рис.296. Пламя свечи гаснет в колпачке, но
горит при разделении колпачка на каналы /дымо-
обороты/ с помощью вертикальной перегородки.
Рис.297. Моделирование схемы топливника с
помощью пламени горящей свечи /см. текст/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 260

Обычные газоанализаторы дымовых газов не определяют концентрацию углеводородов
СН, а измеряют только концентрацию свободного кислорода в осушенном газе /иногда и
концентрацию двуокиси и окиси углерода/, то есть определяют коэффициенты избытка воз-
духа, большие единицы. Методики пересчета измеряемых концентраций свободного кис-
лорода в коэффициенты избытка воздуха основаны на формулах материального балан-
са химических реакций с учетом реального массового элементного состава топлива [17,
49, 117]. Однако, в большинстве случаев бытовым печникам для оценок достаточно ори-
ентироваться на формальную химическую формулу целлюлозы С6(Н2О)5 как основного
углевода древесины /см. раздел 1.1.3/, откуда следует, что и древесина, и углерод при-
близительно эквивалентны в смысле состава осушенных продуктов сгорания /О2 пре-
образуется в СО2 без изменения объема /приведенного к “нормальной” температуре 0оС/.
Коэффициент избытка воздуха в печи - это величина не только рас-
четная, но и в общем-то весьма абстрактная /см. раздел 1.3.1/. Если в
случае предварительно перемешанных газов /смесей воздуха с газооб-
разным горючим/ коэффициент избытка воздуха может быть в принци-
пе априори задан и затем реально создан смешением определенных
количеств горючего и воздуха, то в случае горения предварительно
неперемешенных газов коэффициент избытка воздуха “образуется сам
собой”, и к тому же он всюду разный /и во времени, и в пространстве/.
Поэтому, коэффициент избытка воздуха в печи вынужденно изме-
ряется именно в дымовой трубе, а не в топливнике /где он всюду раз-
ный/. Коэффициент избытка воздуха при этом свидельствует лишь о
том, что воздуха зашло в топливник в целом либо недостаточно /при
малых величинах “альфа”/, либо избыточно /при больших величинах
“альфа”/ для полного сжигания того количества горючего, которое в дан-
ный момент реально горит в топливнике. При этом, подчеркнем, никто
не знает, какие конкретно массы горючих горят /и как горят/ в данный
момент времени. Более того, никто не знает даже, как реально изме-
рить этот мгновенный расход конкретных горючих /углей и летучих/.
Топочные устройства печей
263
могут стать столь высокими, что выхо-
дят из печи /как из газогенератора/ и
догорают над устьем дымовой трубы.
При больших “альфа” над дровами /а
этим и отличаются топливники печей от
камер сгорания газогенераторов/ пла-
мена с высокой полнотой догорают в
топливнике. При этом коэффициенты избытка воздуха могут быть раз-
личными в разных точках топливника /как и в разных микротопках
между разными поленьями/. Вообще-то, правильней было бы говорить
не о коэффициентах избытка воздуха, а о концентрациях кислорода в
окисляющей газовой среде. Но печники часто оперируют понятием
“коэффициента избытка воздуха”, поскольку оно имеет более житей-
ский смысл - указывает, хватает или не хватает воздуха для горения.
Локальное значение коэффициента избытка воздуха определяют
арифметическим расчетом исходя из результатов измерений локаль-
ного химического состава осушенных дымовых /и не только дымовых/
газов, то есть исходя из реального соотношения концентраций газооб-
разного горючего СН, кислорода О2 и двуокиси углерода СО2 в интере-
сующей зоне. Так что, фактически каждому составу дымовых газов
можно “приписать” некое значение коэффициента избытка воздуха.
Коэффициент избытка воздуха
СН, % об.
О2, % об.
СО2, % об.
менее 1
более 0
0
более 0
1
0
0
21
2
0
10,5
10,5
3
0
14
7
бесконечность
0
21
0
262
Дровяные печи
Рис.299. Частный пример измерения
концентраций окиси углерода, двуокиси
серы и взвешенных микрочастиц /дыма,
видимо, в основном белого/ над откры-
тым свободным костром, используемым
для приготовления пищи в помещении.
Дно кастрюли расположено на треноге в
100 мм над подом. Диаметр костра 0,2
м, мощность костра 4-6 кВт, КПД в части
нагрева воды в кастрюле 12-17% [151].
Рис.298. Высота пламен свободного костра в
случае мелких дров на глухом кирпичном поде и
на решетчатом поде [150]. Тепловые мощности
пламени варьировались изменением диаметра
костра. Замеры проводились при достижении
устойчивых режимов горения. Каждая точка
представляет собой среднее значение по 25
фотоснимкам, сделанным с 15-секундным
интервалом. Экспериментальные точки сопо-
ставлены с результатами “теплового” расчета
для “избытков воздуха” α (степеней разбавле-
ния), численно равных 2 и3/см. текст/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 262

Поэтому печники стремятся повысить полноту сгорания летучих в пер-
вую очередь за счет достаточного поступления воздуха в топливник /см.
раздел 5.3/ . Однако, большие коэффициенты избытка воздуха в топ-
ливнике означают повышенные потери тепла с отходящими газами /то
есть пониженные величины КПД/. Поэтому подачу воздуха в топливник
желательно сокращать, в первую очередь исходя из того, что достаточ-
ные поступления свежего воздуха необходимы только именно в зоны
горения в оболочках пламен /рис.249/, а не просто в объем топливника
в целом. Действительно, даже в случае костров на открытых площадках
/”на улице”/, где имеются, казалось бы, неограниченные количества кис-
лорода вокруг костра, наблюдаются черные дымления, свидетель-
ствующие не просто о недогорании летучих, а о нехватке кислорода
именно вокруг верхушек пламен.
Действительно, с повышением размеров-диаметров свободного костра /и соответ-
ственно мощности/ растет высота пламен /рис.298/. Увеличивается и толщина слоя про-
дуктов сгорания в верхних зонах пламен /рис.39/, и костер начинает дымить из-за нехват-
ки кислорода в верхушках пламен. При малых мощностях костра 5 кВт, характерных для
кухонных очагов размером порядка 0,2 м, мелкие дрова дымят сильнее крупных /рис.299/.
Причем костры на решетке имеют более высокие пламена, нежели костры на глухом поду
/рис.298/. Это явление вызвано повышенным выходом летучих из дров на решетке. Но
авторы [150] объясняют это якобы лучшим “перемешиванием” летучих с воздухом и/или
ламинарностью пламен на решетке и/или образованием “огненных вихрей”. Подобные
неправдоподобные объяснения /www.cookstove.net/ обусловлены тем, что авторы опери-
руют лишь чисто тепловыми теориями костров, рассматривающими пламена не как хими-
чески реагирующие в воздухе потоки горючего газа, а просто как свободно всплывающие
дымовые газы из зоны горения дров. Так, вводя для костра особое понятие “избытка воз-
духа” /как степени разбавления горячих дымовых газов без существенного снижения подъ-
емных сил/, получают ложный результат о росте высоты пламен с увеличением коэффи-
циента избытка воздуха /как показателя концентрации кислорода вокруг пламени/.
Топочные устройства печей
265
Условно считается, что пламена, не
касающиеся стенок и перекрытий топ-
ливника, бездымно догорают над дрова-
ми в достаточно высоких топливниках
при коэффициентах избытка воздуха /в
дымовой трубе/ порядка полутора-двух и выше. А при коэффициентах
избытка воздуха порядка двух-трех и выше, можно добиться низких
/менее 1% об. = 10000 ррм/ концентраций окиси углерода СО в дымовых
газах /имеется в виду режим пламенного горения дров в печи/.
Так, отечественный /отмененный с 1976 года/ стандарт ГОСТ 2127-47
предусматривал в проектируемых отопительных /кирпичных/ печах нор-
мативный объем образующихся продуктов сгорания, равный 10 м3 /в
пересчете на “нормальную” температуру 0оС/ на 1 кг дров влажностью
25%, что как раз соответствует значению коэффициента избытка воздуха
порядка тройки /см. раздел 1.5/.
Европейский стандарт EN 13240 подразделяет твердотопливные ком-
натные обогревательные печи на классы по нормируемой величине кон-
центрации окиси углерода СО в отходящих дымовых газах /класс 1 -
менее 0,3% об., класс 2 - менее 1,0% об./, причем нормируется кон-
центрация СО, пересчитанная именно на концентрацию свободного кис-
лорода О2 в дымовых газах 13% об. /что сооответствует коэффициен-
ту избытка воздуха порядка тройки/.
Аналогичный пересчет реальных концентраций окиси углерода СО в
нормируемую величину /соответствующую концентрации кислорода
13% в отходящих газах/ предусмотрен и в других европейских стандар-
тах EN 15250 на твердотопливные теплоемкие /кирпичные/ отопитель-
ные печи, EN 12815 на твердотопливные варочные плиты, EN 13229 на
твердотопливные камины, EN 14785 на отопительные приборы на дре-
весных брикетах, EN 15821 на твердотопливные печи для саун и др.
Действующий отечественный стандарт ГОСТ 9817-95 ограничивает концентрацию
окиси углерода СО в “неразбавленных” дымовых газах предельной величиной 4% /в пере-
счете на 0% О2, то есть в расчете на коэффициент избытка воздуха, равный единице/. Это
отвечает нормируемой концентрации СО порядка 1,44% об. в пересчете на 13% О2.
Максимальная предельно-допустимая концентрация СО в воздухе жилых помещений по
санитарным требованиям составляет ПДК = 5 мг/м3 = 5 ррм = 0,000005% об./ .
264
Дровяные печи
Рис.300. Рассечение горящих потоков газа /язы-
ков пламен/ на решетке (а) и в слое поленьев (б).
Рис.301. Стесненные диффузионные
пламена: а - свободно всплывающее
пламя в отверстии, б - пламя, всплываю-
щее через решетку, в - пламя в отверстии
при наличии тяги. 1 - газовая горелка, 2 -
газ, 3 - продукты сгорания, 4 - неподвиж-
ный воздух, 5 - сужение пламени, 6 - рас-
пределенный газ, 7 - вторичные продукты
сгорания, 8 - тяга трубы, 9 и 10 - холод-
ный воздух, засасываемый тягой трубы.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 264

так, чтобы сами пламена проходили
бы, а внешний слой продуктов сгорания
“сдирался бы как кожура” /не пропускался бы дальше/ и проходил бы
через какие-нибудь иные, например, соседние отверстия /рис.300 -а/.
Однако, попытка пропустить пламя свечи /или, к примеру, газовой
зажигалки/ через отверстие покажет, что уже при диаметре пламени в
два раза меньшем диаметра отверстия возможно появление черного
дымления кончика пламени /рис.301-а/. То есть пламя, казалось бы,
свободно прошло /в смысле “поместилось”/ в отверстии, но, тем не
менее, это “безконтактное” взаимодействие заметно повлияло на про-
цесс горения. Причем повлияло только в том случае, если в отверстие
входит именно верхняя половина пламени /то есть, в случае высоко
расположенного отверстия/. А это значит, что возмущение наблюдается
в участках пламени с развитым слоем продуктов сгорания /рис.302/.
Область диффузионного горения не ограничивается светящимся контуром “языка пла-
мени”, но затрагивает и окружение /рис.39/. Струя горючего газа 1 горит в окружающем воз-
духе 2 на границе раздела 3, представляющей собой светящуюся оболочку пламени.
Возникающие продукты сгорания образуют слой 4 в смеси с воздухом 2 и слой 5 в смеси
с горючим газом 1 /рис.302/. Молекулы кислорода вынуждены диффундировать через
слой продуктов сгорания 4, называемый ”пограничным слоем пламени”. Горячая обо-
лочка 3 /вместе с горячими слоями 4 и 5/ всплывает вверх под действием сил Архимеда,
образуя вертикально ориентированный факел. Всплывающие горячие газы увлекают за
собой вверх не только “холодный” горючий газ 1 внутри оболочки, но и холодный непо-
движный воздух 2 вокруг пламени. При увеличении линейной скорости всплытия уве-
личиваются силы сдвига /внутреннего трения/ между всплывающими продуктами сгора-
ния и неподвижным воздухом, в результате чего в слое 4 может появиться зона турбу-
лентности 6. В этой турбулентной зоне кислород может затягиваться поближе к оболочке
за счет взвихренных потоков воздуха /а не только за счет молекулярной диффузии/.
Градиенты концентрации кислорода 8 при этом возрастают 9, вследствие чего диффу-
зионное поступление кислорода в оболочку увеличивается, что способствует догоранию
газов и частиц сажи в верхушке пламени 5, сильно разбавленной продуктами сгорания.
Топочные устройства печей
267
Таким образом, необходимо повышать коэффициент избытка возду-
ха именно в зоне пламен. И наиболее надежно это можно сделать спут-
ным обдувом пламен свежим воздухом /рис.247/. Эффективность воз-
духа как окислителя повышается при этом за счет уменьшения толщи-
ны слоя продуктов сгорания вокруг пламени /рис.39/, в котором кислород
воздуха вынужден диффундировать к зоне горения /см. раздел 1.3 .2/.
5.9.1.2. Дожигание пламени стеснением в отверстии
Помимо обдувов пламен потоками вторичного воздуха встречаются и
иные, весьма многочисленные предложения по дожиганию горючих
газов, которые порой хоть и вызывают сомнения, но, тем не менее, хит-
роумны и интересны печникам, поскольку заставляют задумываться о
физике горения газов в топливниках. Ввиду слабой изученности многих
вопросов обозначим их лишь в перечислении с комментариями по сути
/разделы 5.9.1.2 - 5.9.1.8/. Речь пойдет о соображениях в виде гипотез /то
есть умозрительных моделей, порой даже воплощенных в конкретные
технические решения-конструкции/, но не проверенных инструмен-
тально на достигаемый эффект. При этом полезность или вред одного
и того же устройства может придумываться, объясняться и трактовать-
ся по-разному с разных физических позиций. А одна и та же идея /и
цель/ может воплощаться по-разному в разных конструкциях.
Так, например, было бы заманчиво отделить каким-либо образом
слой продуктов сгорания от оболочки пламени и открыть тем самым
“свободный” путь молекулам кислорода к зоне горения в оболочке. В
частности, можно было бы пропустить пламена через некие отверстия
266
Дровяные печи
Рис.302. Структура пламени газовой горелки (слева - лами-
нарный медленно всплывающий пограничный слой продук-
тов сгорания, справа - турбулизированный быстро всплы-
вающий пограничный слой продуктов сгорания): 1 - горючий
газ, 2 - неподвижный воздух, 3 - оболочка пламени, 4 - лами-
нарно всплывающие продукты сгорания в смеси с воздухом,
5 - продукты сгорания в смеси с горючим газом /включая кон-
чик пламени/, 6 - турбулентная зона всплывающих продуктов
сгорания, 7 - ламинарная зона /подслой/ всплывающих про-
дуктов сгорания, 8 - радиальный профиль концентрации сво-
бодного кислорода вокруг пламени при ламинарно всплы-
вающих продуктах сгорания, 9 - радиальный профиль кон-
центрации свободного кислорода вокруг пламени при турбу-
лентно всплывающих продуктах сгорания, 10 - низкораспо-
ложенное отверстие, 11 - высокорасположенное отверстие.
Рис.303 . Гашение диффузионного пламени,
свободно всплывающего через решетки-сетки (а)
и через зернистый слой (б): 1- газовая горелка, 2
-
горючий газ, 3 - продукты сгорания, 4 - непо-
движный воздух, 5 - решетка /сетка/ первичная
нижняя, 6 - газ, всплывающий сквозь нижнюю
решетку, 7 - решетка вторичная верхняя, 8 - дым
черный, 9 - гранулы /например, засыпка камней/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 266

отверстие принудительно просасываются и потоки воздуха 9 и 10
/рис.301-в/, что может обеспечить горение пламени в более узких отвер-
стиях, нежели при отсутствии напора или тяги. По той же причине, горя-
щие пламена способны проникать в фильтрующие каменки только при
наличии тяги /в том числе и самотяги горячей каменки/, когда в камен-
ку может проникать свежий воздух на горение.
Сжатие потока дымовых газов в отверстии отвечает интуитивному
желанию печников собрать воедино все “болтающиеся из стороны в
сторону” горячие пламена и холодный задымленный воздух, чтобы
именно в этой горячей зоне дожечь летучие /см. раздел 5.9/, в том числе
и с помощью дополнительного воздуха /рис.252, рис.301-в/. Но, к сожа-
лению, белый дым в основном наблюдается как раз при растопке печи
/пока нет тяги трубы и когда стесняющие отверстия нежелательны/.
5.9.1.3. Дожигание пламен в ансамбле стесняющих отверстий
Влияние одиночных стесняющих отверстий и ансамблей стесняющих
отверстий /в виде решеток, сеток, слоев гранулированных-кусковых
материалов, например, каменных засыпок/ не ограничивается простым
механическим стеснением пламен. Отверстия и решетки способны тур-
булизировать воздух, могут рассекать пламена на части /рис.301-б/,
сужать /рис.301-а/ или расширять /рис.303 -а/ пламена, могут увеличи-
вать газодинамическое сопротивление топливника и снижать расход
воздуха через печь /и влиять тем самым на процесс горения дров/.
Кроме того, отверстия немыслимы без горизонтальных поверхностей,
в которых они выполнены. И эти перфорированные поверхности тоже
воздействуют на общую обстановку в топливнике. Так, в частности,
поверхности с отверстиями /решетки/ и поверхности с каналами /слои
гранулированных материалов/ могут сильно разогреваться и превра-
щаться в источники теплового излучения, возвращающие тепло в топку,
в том числе и на нагрев и газификацию дров.
Поверхность с отверстиями может накапливать
под собой /как потолок/ газообразные летучие с
изменением характера горения /рис.301-б/, осо-
бенно в случае мелких сеток /рис.303 -а/.
Многофакторность воздействий решеток порой
сильно усложняет анализ топочных процессов.
Топочные устройства печей
269
Действительно, если слой
продуктов сгорания 4 целиком
проходит через отверстие
/нижнее 11 на рис.302/, то пламя “не чувствует” отверстия. А если слой
горячих продуктов сгорания 4 сталкивается с краями отверстия /верхнего
10 на рис.302/, то он тормозится, накапливается “горкой” горячего газа
снизу /рис.301-а/, создавая тем самым давление, способное направить
потоки горячих продуктов сгорания в стороны для растекания вдоль по
потолочной поверхности в соответствии с гидравлической аналогией
/рис.106/. Как раз в этом месте слой продуктов сгорания вокруг пламе-
ни утолщается /вопреки нашему желанию утоньшить слой/, что еще
сильнее затрудняет диффузию молекул кислорода к оболочке пламени.
Более того, из-за возникающего повышенного давления в заторможенной зоне /в “горке”
3, см. рис. 301-а, рис. 303-а/, появляется и радиальный поток продуктов сгорания не толь-
ко от оси, но и к оси пламени /а затем в отверстие/, сжимающий пламя в соответствии со
сдавливанием истекающей струи по гидравлической аналогии /рис.117/.
Кроме того, торможение потока продуктов сгорания приостанавливает турбулизацию
погранслоя, что еще больше ограничивает доступ кислорода к зоне горения. В результа-
те, процесс горения в оболочке пламени от нехватки кислорода увядает, горящая обо-
лочка как непреодолимая разделительная граница между горючим газом и воздухом
может разрушиться, и “остатки пламени” /все еще раскаленные углеводороды, продол-
жающиеся термически разлагаться/ могут беспламенно “вывалиться” изнутри факела в
воздух в виде черных дымлений. Свободно всплывшее через отверстие пламя /с разру-
шенным слоем продуктов сгорания/ все же может в отдельных случаях продолжить горе-
ние, однако уже “заново” в новых условиях - с “новым” неподвижным воздухом и “новыми”
продуктами сгорания 7 /рис.301-а/.
Ситуация кардинально меняется при наличии напора дутья /снизу/
или тяги трубы /сверху/, то есть при наличии перепада давления на
отверстии. Дело в том, что всплывать “свободно” /то есть самопроиз-
вольно за счет сил Архимеда/ вверх в отверстие способны лишь горячие
газы /то есть оболочка и слой продуктов сгорания/, а холодный воздух,
окружающий пламя, не всплывает и через отверстие пройти не может. А
при напоре /то есть, при наличии избыточного давления ниже отвер-
стия/ или тяге /то есть, при наличии разрежения над отверстием/ через
268
Дровяные печи
Рис.305. Пламя в месте турбулентного сужения /см. рис.118/.
Рис.304. Закрутка пламен при рез-
ких поворотах потока за преградой.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 268

В-четвертых, сажа в виде копоти /сажистых отложений/ может выде-
ляться на поверхностях /в том числе и на раскаленных решетках/,
касающихся не только верхних, но и нижних зон “дровяных” пламен /в
отличии от газовых пламен и пламен стеариновых свечей/. Это
обусловлено тем, что газообразные летучие выходят из обугленных
поленьев уже в раскаленном виде с наличием микрочастиц сажи, при-
дающих пламени желтый цвет с самого основания.
Это явление широко известно по копоти на котелках, подвешиваемых
над дровяными кострами, и на кастрюлях, устанавливаемых на откры-
тых конфорках дровяных варочных плит. Иногда появление копоти трак-
туют как “экологически” полезное улавливание частиц сажи из дыма,
тем более, что иногда имеется возможность потом медленно окислить
/”выжечь”/ сажу при последующем нагреве решетки до высоких темпе-
ратур порядка 400-500оС. Однако, поверхности не просто осаждают
копоть /неизвестно, где образовавшуюся/, а сами способствуют ее
образованию /см. раздел 1.3.5/.
В-пятых, тушение пламени происходит не только из-за ограниченно-
сти доступа кислорода к оболочке. С уменьшением размера отверстий
могут расти и тепловые потери из оболочек пламен. Так что пламена
могут потухнуть также и по чисто энергетическим причинам [147].
Приведем для сведения величины критических диаметров пламягася-
щих каналов dп для стехиометрических предварительно подготовлен-
ных смесей горючего газа с воздухом по ГОСТ 12.3 .047-98 /для диффу-
зионных пламен критический размер зазоров еще больше/:
Газ
водород метан пропан бензин ацетон уайт-спирит окись углерода
dп, мм
0,89
3,50 2,60
2,80
2,45
2,45
3,04
Все эти явления можно проследить на модели “столовых вилок в пла-
мени свечи”. Если через один ряд зубьев вилки пламя еще может прой-
ти, то через два ряда зубьев /расположенных, например, крест-накрест/
пламени пройти трудно /рис.303 -а/. Но потух-
шие горючие газы свободно проходят через
зубья /в негорящем состоянии/, и их удается
порой вновь поджечь спичкой. Такие же явле-
ния происходят и в зернистом слое, например, в
каменных засыпках банных печей /рис.303-б/.
Топочные устройства печей
271
Во-первых, решет-
ки действительно
способны “дробить”
пламя на части /рис.58/ с получением из одного высокого пламени мно-
жества низких пламен /рис.49/. И это “дробление” может условно пони-
маться как некое смешение, но не молекул газов, а потоков воздуха и
потоков горючих газов /рис.301-б/. Ведь тоненькая струйка горючего газа
сгорает в воздухе легче /”быстрее и чище”/, чем толстая струя.
При этом под “дроблением” пламени понимается не просто обтекание потоком горя-
щего газа препятствия, которое может происходить с рассечением, а затем вновь со смы-
канием в единый поток с сохранением исходной оболочки пламени /рис.303 -а/.
“Дробление” пламени подразумевает возникновение из одной горящей струи газа именно
нескольких раздельно горящих струек, а это возможно лишь в том случае, если за пре-
градой имеется доступ воздуха в зоны между новыми струйками /рис. 301-б/ .
Напомним, что рассеченные пламена способны вновь объединяться. Пламена не обла-
дают способностью отталкиваться друг от друга. Наоборот, в местах взаимного контакта,
где ощущается нехватка кислорода, пламена стремятся слиться воедино.
Во-вторых, для заметного снижения высоты пламен “дробящая”
решетка должна вступать в действие как можно раньше, то есть долж-
на устанавливаться над дровами как можно ниже или даже внутри
закладки дров, что практически трудноосуществимо /из-за неудобства
обслуживания/ и даже порой бессмысленно, поскольку роль решетки
неизбежно играют сами поленья в закладке дров, причем с возмож-
ностью подсоса воздуха к пламени с боков /рис.300 -б/. Фактически в
топке и без решетки имеется “частокол” пламен в потоке воздуха.
В-третьих, высоко расположенные решетки не только не способны
существенно снизить высоту пламен, но могут и тушить кончики пла-
мен с появлением черных дымлений /рис.58/. Напомним, что кончики
диффузионных пламен содержат сильно разбавленный горючий газ ис
легкостью дымят при касаниях к поверхностям /на потолках и стенках
топливника и дымоходов, на решетках, в каменных засыпках/ скорее от
нехватки кислорода, нежели от захолаживания. А в зоне кончиков пла-
мен как раз и затруднен доступ кислорода к зоне горения из-за боль-
шой толщины слоя продуктов сгорания /рис.39/.
270
Дровяные печи
Рис.306 . Пламена за
преградой /см. текст/.
Рис.307. Вихревой “дожигатель пламен” /И.В.Васильев/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 270

не/ горючих газов с воздухом. Под смешением горючих газов с возду-
хом понималось, видимо, перемешивание молекул горючих газов с
молекулами воздуха, что и содействует их химическому взамодействию,
а значит и снижению высоты пламен. Поэтому такие “смешивающие”
решетки в топливнике печники иногда условно называли “катализато-
рами” горения, хотя каталитическая роль таких “перемешиваний” никем
пока экспериментально не доказана /см. далее раздел 5.9.5/.
Предложения печников “по лучшему смешению газов” были издавна
основаны на невнятном понимании пламен, существовавшем до раз-
работки тепловых теорий воспламенения и горения газов [152-154]. Так,
например, даже в научных изданиях пламена над дровами порой пони-
мались как “смеси раскаленных газов, вступающих между собой в реак-
ции горения” [60], причем “молекула газа, увлекаемая тягой, летит и в то
же время горит...и важно, чтобы каждая молекула газа, выходя из куска
топлива, загораясь и двигаясь, могла бы сгореть” [117]. То есть предпо-
лагалась, видимо, говоря современным языком, некая модель гомоген-
ного горения горючей смеси /из предварительно перемешанных молекул
горючих газов и молекул воздуха/, причем принималось, что молекулы
где-то были “хорошо перемешаны” /видимо, в зонах пламен/, а где-то
“недостаточно перемешаны” /видимо, между пламенами/. И для более
быстрого и полного сгорания надо, якобы, продолжать дополнительно
перемешивать молекулы горючих газов и воздуха в ходе горения.
Конечно же, одиночная молекула газа “гореть” не может - горят смеси
газов /ансамбли молекул, поочередно вступающих в реакцию/ или гра-
ницы раздела газов. А языки пламени от дров в печи - это не потоки
перемешанных смесей горючих газов с воздухом /горящие гомогенно/, а
потоки горючих газов, горящие во внешнем воздухе гетерогенно на гра-
нице раздела горючего газа и воздуха. И надо не перемешивать газ с воз-
духом, а интенсифицировать подачу газа и кислорода в эту границу раз-
дела. Механически же перемешать кислород с горючими газами, горя-
щими диффузионным пламенем, принципи-
ально невозможно, поскольку горючие газы
внутри факела отделены от окружающего
воздуха горящей границей раздела /оболоч-
кой пламени/, где концентрации горючих
газов и кислорода равны нулю. И молекулы
кислорода не могут “проскочить” через эту
Топочные устройства печей
273
В-шестых, при малом размере отверстий
набегающее пламя 2 “растекается” по решетке
в виде “потолочного” пламени, порой образуя вторичные пламена 6
/рис.301-б/, а порой и не образуя. Потолочное пламя ведет себя совсем
по-иному, нежели ничем не стесненное свободно всплывающее пламя.
Потолочное пламя вынуждено растекаться по потолку по горизонтали
“как река”, доступ воздуха к оболочке пламени затруднен как снизу /из-
за отсутствия вертикальных потоков воздуха/, так и сверху /через решет-
ку или зернистый слой/, пламя краснеет, коптит.
В-седьмых, свободно всплывающее пламя, проникшее в слои решеток
/рис.303-а/ и в зернистые слои /рис.303 -б/ развивается в практически
неподвижном воздухе, поскольку эжекция /увлечение/ воздуха пламе-
нем, характерная для нестесненных пламен, затруднена. Затруднена
также и крупномасштабная турбулентность, взвихривающая погранич-
ный слой пламени. Это обуславливает затрудненный транспорт кисло-
рода в оболочку пламени. Пламя в этих условиях коптит и затухает.
Принудительный проток воздуха, обусловленный напором или тягой,
способствует горению, но не способен обеспечить крупномасштабную
турбулентность в слое гранулированного материала.
5.9.1.4. Дожигание пламен “смешением” с воздухом
В печной практике в разные годы выдвигались многочисленные реко-
мендации по интенсификации горения пламен над дровами путем “луч-
шего смешения горючих газов с воздухом”.
Так, например, предлагалось “смешивать” газы в топливнике разного
рода решетками, в том числе и с подачей “пронзающих” струй вторич-
ного воздуха в пространственную зону над решеткой 1, под решетку 2
или в зазоры (отверстия, промежутки,прозоры) решетки 3 /рис.300 -а/.
Предполагалось, что решетки в потоке газов “с очевидностью” спо-
собствуют механическому “смешиванию” /по аналогии ложки в стака-
272
Дровяные печи
Рис.309. Схема эксперимента “свеча тухнет в колпаке”.
Рис.308. Влияние инерционности на поведение водных
потоков /гидравлическая аналогия/ и горячих газовых пото-
ков /пламен/: а - низкоскоростной водный поток имеет
малую инерционность, тормозится и заполняет водопри-
емник /бьеф/, б - высокоскоростной водный поток имеет
большую инерционность и “выскакивает” из водоприемни-
ка /гидравлический прыжок/, в - низкоскоростное пламя от
костра заполняет колпак, г - высокоскоростное пламя от
газовой горелки “проскакивает” колпак /Т1>Т2>Т3/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 272

Для ускорения диффузионного переме-
шивания горючего газа с воздухом жела-
тельно было бы тотчас удалять образую-
щиеся продукты сгорания из зоны горения,
затрудняющие “контакт газов”. Именно уда-
лять продукты сгорания, а не пытаться уни-
чтожить сам слой продуктов сгорания,
поскольку в тщетной попытке удалить слой продуктов сгорания мы уни-
чтожим саму границу контакта. А удаление продуктов сгорания из зоны
горения /из оболочки пламен/ возможно лишь диффузионным путем за
счет хаотического броуновского движения молекул в стороны /так же
как и поступление исходных реагентов в зону горения/.
Таким образом, для повышения скорости горения в пламенах надо
ускорить процессы массообмена - диффузию исходных реагентов горе-
ния в оболочку и диффузию продуктов сгорания из оболочки пламени.
5.9.1.5. Дожигание пламен ускорением потока
Как уже отмечалось, величины диффузионных потоков исходных
реагентов и продуктов сгорания в пламенах могут быть увеличины
истоньшением слоев продуктов сгорания вокруг пламен, например, при
спутном обдуве пламени потоком воздуха /рис.247-а/, при разбиении
пламен /рис.301-б/, при турбулизации пограничного слоя /рис.302/.
Мыслима также возможность утоньшения слоев продуктов сгорания за
счет уменьшения диаметра пламени при “ускорении пламени” в сужаю-
щемся канале /рис.304-а/. Имеется в виду, что ускоряющийся газовоз-
душный поток /а также пламя, которое расположено в этом потоке/
уменьшается в диаметре, то есть сужается. При этом в пламени уве-
личиваются градиенты концентрации горючих газов и кислорода. А это
способствует ускоренной диффузионной подаче реагентов в оболочку
пламени, а, значит, приводит к уменьшению продолжительность горения.
Подобные предложения по интенсификации горения в пламени вызы-
вают порой отторжение у печников, поскольку многие видели, что если
пламя проходит через хайло в канал, то возможно появление дымления
в канале, поскольку в узком канале “нет условий для горения” /нет “про-
стора-объема и продолжительности-времени”/. Имеется в виду, что в
Топочные устройства печей
275
оболочку, поскольку это означало бы появление горения внутри обо-
лочки и отвечало бы простой сдвижке месторасположения оболочки
горения к оси факела /языка пламени/. Можно изменить форму обо-
лочки диффузионного пламени /например, обдувом обтекающими воз-
душными потоками/, но сделать оболочку горения газопроницаемой
/для смешения горючих газов с воздухом/ невозможно.
Механически перемешать молекулы горючих газов с молекулами воз-
духа можно, только погасив пламя /устранив горящую оболочку/. А
после смешения образовавшуюся горючую смесь газов вновь поджечь.
Такой процесс крайне не устойчив, но порой наблюдается в виде спон-
танных всполохов огня над решетками или в камерах дожигания [112].
Строго говоря, в диффузионных пламенах над дровами все-таки про-
исходит образование горючих газовых смесей /из молекул горючего газа
и молекул воздуха/, поскольку граница раздела горючего газа и воздуха
в любом случае с неизбежностью “размыта” за счет взаимопроникно-
вения молекул. При этом перемешивание молекул горючих газов с
молекулами воздуха в пламенах над дровами происходит диффузион-
но путем хаотического /броуновского/ движения молекул через слой кон-
такта /поверхность раздела/ горючего газа и воздуха. Образующиеся и
постоянно обновляющиеся молекулярные смеси тотчас сгорают, обра-
зуя светящуюся оболочку пламени. То есть горючие газовые смеси в
диффузионных пламенах все же создаются, но создаются не заблаго-
временно, а непосредственно во время /в ходе/ горения.
Факт смешения горючих газов с воздухом в оболочке пламени наглядно обнаруживается
при уменьшении скоростей реакций окисления за счет снижения температуры оболочки
пламени ниже 1000оС, например, при разбавлении воздуха продуктами сгорания, в част-
ности под сводами русских печей /см. раздел 5.9.1.7/. Тогда оболочка пламени может стать
не просто “холодной” /красно-дымной/, но и “толстой” /пространственно размытой/. Но
этот режим горения пламен “с повышенным пере-
мешиванием газов” /как у свода русской печи/ тем
не менее не обеспечивает автоматического повы-
шения полноты сгорания, а наоборот, зачастую
ведет к повышенному дымлению.
274
Дровяные печи
Рис.311. Котельная установка с выносной топкой
[117]: 1 - топка выносная, 2 - камера дожигания, 3 -
котел водотрубный.
Рис.310. Топка котла с прямой теплоотдачей
[117]: 1 - топка, 2 - “своды” - теплоизлучающие эле-
менты /”отражатели тепла”/ для нагрева горящих
дров, 3 - котел водотрубный, 4 - барабан /бак с
водой/, 5 - боров /дымовой канал, дымоотвод/.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 274

пламена могут случайным образом
подводить дымовые газы то к одному,
то к другому дымоотводящему отвер-
стию, что вызывает неконтролируе-
мые изменения траектории воздушных потоков в топливнике /в частно-
сти, воздух может пойти мимо дров/. А если канал один, то воздух
неизбежно вынужден сопровождать пламя.
Так что при малой тяге воздух в канал может не поступать / весь вхо-
дящий в канал газовый поток представлен пламенем и слоем продуктов
сгорания/, и пламя при входе в канал увядает с дымлением. При уси-
лении тяги воздух может зайти в канал /может быть в достаточном для
горения количестве/, и горящее пламя может проникать глубоко в трубу.
При сильной тяге пламя может догорать прямо при входе в канал.
Имеются рекомендации поддерживать высокую температуру стенок
канала не ниже 400оС для предупреждения потуханий и дымлений. При
этом бывает неясным, что может обеспечить высокая температура сте-
нок - либо снижение теплопотерь из пламени, либо нагрев воздуха,
либо предотвращение турбулизации окружающего пламя воздушного
потока /за счет повышения вязкости воздуха при нагреве/, либо созда-
ние достаточной тяги в трубе и необходимое повышение расхода воз-
духа в канале, либо вторичные самовоспламенения газов при случайных
потуханиях пламени. Напомним, что для горения языка пламени
/не дров, а именно пламени - горящего потока горючего газа/ нет необхо-
димости в горячем окружении - нужно лишь наличие достаточного коли-
чества воздуха /что видно по горению пламени спички на морозе/. Но при
пространственном стеснении температура способствует горению [147].
5.9.1.6. Дожигание пламен закруткой
При ускорении пламена хоть и сгорают быстрее /”в секундах”/, но за
счет вытягивания пламени “кишкой” вдоль по потоку сгорают на большей
длине. То есть ускоренные пламена могут потребовать для дожига
длинных каналов, что не совсем удобно в конструкторском отношении.
Топочные устройства печей
277
узком канале время пребывания /то есть горения/ мало, имеется уси-
ленное охлаждение газового потока /повышенный теплоотвод от пла-
мени/ и, кроме того, нет достаточного количества кислорода.
Действительно, при свободном всплытии пламени в канал возникают
затруднения с обеспечением пламени кислородом, точно так же как в
случае стесняющих отверстий /рис.301-а/, поскольку холодный воздух
вверх за счет сил Архимеда самопроизвольно всплыть не может /см.
конец раздела 5.9 .1.2/, и пламя без сопровождения воздухом увядает.
Но если речь идет о заходе пламени в канал с напором или с тягой
/рис.301-в/, то есть о течениях “водопроводного” типа в герметичных
аппаратах, то в канал может засасываться и воздух, порой в достаточ-
ном /и даже избыточно большом/ количестве. Действительно, если
засосать пламя от дров /или от свечи/ в холодную узкую трубку пыле-
сосом, то пламя отнюдь не погаснет, а разгорится /добела или до сине-
вы/, укоротится и “сгорит” даже не зайдя глубоко в трубку. При этом
догоранию газов в оболочке пламени способствуют и радиальные сжи-
мающие потоки воздуха при входе в канал, так и возникающие турбу-
лентности потока воздуха /рис.115, рис.118, рис.305/. В этом отношении
влияние канала похоже на влияние отверстия /рис.301-в/.
Процесс горения пламени может распространяться и далеко по кана-
лу. Так, в металлических печах в режиме интенсивного горения дров
неоднократно наблюдалось прохождение пламени из топки через всю
дымовую трубу с догоранием огненного факела в атмосфере над дымо-
вой трубой. Аналогичное явление хорошо известно и в ракетных печах
с аномально сильным разогревом стенок трубы. Заметных дымлений
при этом не наблюдалось /см. раздел 5.9 .3/.
В любом случае, нежелательно допускать наличие нескольких дымо-
выводящих каналов, поскольку пламя может пойти в один канал, а воз-
дух может пойти в другой канал, и кон-
такт пламени с воздухом нарушится.
Это может повлиять не только на горе-
ние языка пламени /горения газового
потока/, но даже и на процесс горения
закладки дров в топливнике, поскольку
276
Дровяные печи
Рис.313. Водоохлаждаемые теплосъемные
элементы /экраны в виде котлов/ в топливнике:
1 - экран /водотрубный котел в топке/, 2 - бак
/барабан/, 3 - обмуровка, 4 - котел типа “чемо-
дан” в топке бытовой печи , 5 - теплосъемная
конвективная система.
Рис.312. Топка котла с водоохлаждаемыми
теплосъемными элементами /экранами/: 1 -
топка выносная, 2 - боров для отвода дымовых
газов, 3 - экран /водотрубный котел в топке/, 4 -
котел водотрубный.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 276

чулок, наполненный “легким” керо-
сином, в потоке “тяжелой” воды,
где на каждый случайно возникший
завиток действует спрямляющая
сила направленного потока, и где
именно кончик пламени /”хвост”/ тянет-выпрямляет все “тело” пламени.
Ведь пламя /как горящий, химически быстро реагирующий газовый
поток в потоке воздуха/ представляет собой автономное не перемеши-
ваемое образование, которое должно где-то начаться /входом в поток
воздуха/ и где-то заканчиваться /либо полным сгоранием либо распадом
с недогоранием и с дымлением/. Пламя ведет в потоке воздуха как ино-
родное тело, как шнур в водопроводной трубе - способно искривляться
/трепетать-виться как флаг на ветру/ от малейших дуновений окружаю-
щего воздуха и может даже рваться на догорающие куски. Но свивать-
ся из однонаправленных жгутов-шпагатов в возвратно-поступательные
петли-спирали /с появлением встречных потоков/ может лишь при опре-
ленных обстоятельствах - либо под действием чисто инерционных сил,
либо за счет конкуренции инерции и вязкости /турбулентность/.
Так, при низких скоростях потока пламя стремится в свободном
всплытии распластаться /расстилаться/ по потолку с возможным
появлением в окружающем /сопровождающем/ воздухе слабых турбу-
лентностей эжекционного типа, то есть за счет вязких увлечений возду-
ха пламенем /306-б/. При повышенных скоростях потока уже начинают
превуалировать силы инерции - скорости потоков становятся больше
скоростей свободного архимедова всплытия. При этом в случае набе-
гания газовых потоков на поверхности начинают создаваться значи-
тельные давления торможения, разворачивающие потоки вдоль изви-
листого канала. В результате, пламена начинают стремиться двигаться
по геометрической оси канала - ”по фарватеру” с возможным появле-
нием турбулентностей окружающего воздуха за счет изменений направ-
лений движения за преградой /рис.306-в/. А при очень больших скоро-
стях в окружающем воздухе возникает турбулентность Рейнольдса -
турбулентность “прямой трубы”, воздействующая и на само пламя. При
этом дымление, наблюдаемое при касании пламени стенок, наблюда-
ется как раз при низких скоростях потока /рис. 306 -б, рис.306-д/.
В заключении отметим, что взвихренности за козырьком /рис.304/
часто мыслятся как средство для интенсификации передачи тепла от
Топочные устройства печей
279
Для уменьшения размеров “каналов дожигания”, заманчиво было бы
уложить пламена петлями-завитушками /”пустить по кругу”, ”закрутить в
спираль”/, чтобы уменьшить габариты зоны горения. Речь идет не о
взвихривании пламен за счет турбулизации горящего газа и окружаю-
щего воздуха в скоростных потоках /рис.52/. И не о затягивании пламен
в малую по размеру турбулентную зону при входе в канал /рис.305/.
Речь идет о ламинарном искривлении траектории газового потока, в
котором располагается пламя /рис.304, рис.306/ . Так, можно направить
ускоренное пламя тангенциально в цилиндрический аппарат циклонно-
го типа /рис.307/, где пламена по инерции движутся вдоль по стенкам,
постепенно стремясь к оси вращения, то есть постепенно ”всплывая” в
поле центробежных сил /рис.126/. При этом проявляется инерционность
газовых потоков, в данном случае именно пламенных /резко неизотер-
мических, химически реагирующих/. Так, ускоренное пламя может чисто
по инерции “проскочить” через колпак, в отличие от неускоренного пла-
мени, способного всплавать только вверх /рис.308/ . То есть для закрут-
ки пламени необходимо затрачивать большие перепады давления,
поскольку для обеспечения инерционности необходимо ускорить пото-
ки газов. А значит, идея закручивания пламен подразумевает наличие
аппарата “водопроводного” типа с достаточно большой тягой.
Закрученности потоков возникают, в частности, при огибании препят-
ствий, например, в случае горизонтальных дымооборотов - ”козырьков”
/рис.304/, в виде крупномасштабных упорядоченных вихрей /рис. 306-а/,
в отличие от мелкомасштабных хаотических взвихренностей окружаю-
щего воздушного потока /рис 306-б/. Как показал А.П .Ферингер, для
закрутки нужна специальная форма “камеры закрутки” с тангенциаль-
ным вводом пламени и осевым выводом дымовых газов /рис.306-е/.
Пламя в потоке воздуха всегда стремится спрямиться как вязкий поток
в низковязком потоке, превратиться как-бы в длинный эластичный
278
Дровяные печи
Рис.315. “Зонтики” пламен над дровами.
Рис.314. Пример металлической печи с дожига-
тельной камерой: 1 - глухой под /например, из
шамотного кирпича/, 2 - закладка дров, 3 - зона
бокового горения, 4 - отверстие для подачи пер-
вичного воздуха /в частности, “растопочного”/, 5 -
отверстие для регулируемой подачи вторичного
воздуха /в частности, для режима длительного
горения/, 6 - дверка топливника, 7 - экран лучисто-
го нагрева боковой, 8 - горизонтально-наклонный
дымооборот, 9 - поток лучистого тепла с поверх-
ности дымооборота, 10 - камера дожигания.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 278

“дымооборота” с помощью вертикальной перегородки, то свеча благо-
получно горит неограниченно долго без копоти, не погасая /рис.296-г/.
Замеры зондовым газоанализатором параметров газов над свечой /С.В.Кириллов/:
Высота над пламенем
Т, оС
О2, %
СО2, %
СО, ррм
Альфа
5мм
600
18,0
3,0
60
12
10 мм
270
19,5
1,5
28
27
15 мм
100
20,0
1,0
7
46
При погружении же пламени свечи в “перевернутый стакан” /жестяную банку диаметром
52 мм и высотой 72 мм/ на 30% горение продолжалось, но фитиль обгорал /истлевал/,
видимо, из-за замедления скорости подачи расплавленного жидкого парафина в хлопча-
тобумажный фитиль. При погружении же пламени на 80% пламя быстро темнело и начи-
нало постепенно угасать без дымления /рис.302/.
Погружение на 30%
450
14
7
50
3
Погружение на 80%
300
11
10
200
2
Аналогичные явления наблюдаются и в топках печей - проточные топ-
ливники обеспечивают “догорание” пламен, а беспроточные колпако-
вые конструкции в верхней части топливника могут затруднять “догора-
ние пламен” из-за нехватки кислорода для “дожига кончиков пламен”
/рис.297/. Поэтому в колпаковых печных системах желательно пред-
усматривать верхние выпускные отверстия, открывая которые, можно
было бы организовывать доступ воздуха в верхнюю часть колпака (то
есть вентилировать колпак, делать его хотя бы частично проточным)
“для догорания верхушек пламен” /рис.297-в/.
В то же время, в колпаках могут сохраняться достаточно высокие кон-
центрации кислорода /порядка 10% в вышеприведенном примере
“свечи в банке”/. Это говорит о том, что даже при столь высоких кон-
центрациях кислорода диффузионное гетерогенное пламя самопроиз-
вольно гаснет /раздел 1.3 .2/. Но с погасанием
диффузионного пламени начинается перемеши-
вание остатков горючих газов с остатками кисло-
рода, что открывает возможность дожечь горю-
чие газы уже в форме гомогенного пламени горю-
чей смеси, не требующего обязательного избыт-
Топочные устройства печей
281
дымовых газов к стенкам. Но для повышен-
ной теплоотдачи нужны не только повышен-
ные коффициенты теплопередачи от газа к
поверхности, но и повышенные перепады
температур. То есть, нужны холодные стенки канала для обеспечения
возможности воспринять тепло горячих дымовых газов /необходима
способность стенок не просто нагреться, но затем тут же и охладиться
путем отвода тепла в удаленные точки целевого теплоусвоения/. Как
раз об охлаждении стенок в местах турбулизации горячего газового
потока печники часто забывают. Впрочем, остаются еще возможности
использовать повышенные температуры козырьков для создания обрат-
ных потоков лучистого тепла для нагрева дров в топливнике.
5.9.1.7. Дожигание пламен под раскаленными сводами
Широко известны предложения В.Е.Грум-Гржимайло создавать в под-
сводовых пространствах “мешки горячих газов”, где “в условиях непо-
движного пыла за счет высокой температуры можно развить реакции
дожигания последних следов горючих в форме пламени во всей массе
печных газов без ясно выраженных факелов” [49,60,95].
Эти предложения впервые прозвучали применительно к пламенным
металлургическим печам с относительно низким раскаленным сводом
/отражательным/ и с протоком воздуха /рис.228/. В последствии, эти
идеи стали порой неоправданно распространяться и на колпаки в топ-
ках бытовых печей, хотя там, как правило, не достигаются необходи-
мые температуры /хотя бы 800оС/, отсутствует проток воздуха и поэто-
му не поддерживаются достаточные концентрации кислорода.
Поясним ситуацию на следующем модельном примере. Парафиновая
свеча в свободном пространстве горит в невозмущенной атмосфере
воздуха абсолютно стабильно и практически с полным сгоранием паров
парафина /рис.296-а/. Но при погружении в колпак / в “перевернутый
стакан”/ пламя свечи сначала удлиняется /из-за снижения концентра-
ции кислорода вокруг пламени/, затем укорачивается /из-за ограничения
подачи расплавленного парафина/ и начинает коптить из-за нехватки
кислорода /рис.296-б/, а потом вообще угасает /рис.296-в/. Но если орга-
низовать постоянный поток свежего воздуха в колпак путем обустройства
280
Дровяные печи
Рис.316. Высокий узкий “шахтный” (а) и низкий широ-
кий “сплющенный” (б) топливники.
Рис.317. Коэффициент дымообразования - величина опти-
ческой плотности выделяющегося дыма в расчете на едини-
цу исходной массы образца по ГОСТ 12.1.044-89 при разных
внешних тепловых нагрузках на тлеющую древесину [136].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 280

ливника/. Это транзитная /проточная/ полость, соединенная с топлив-
ником широким проходным отверстием /“окном”, проемом/, в которую
свободно истекают пламена при их чрезмерном удлинении.
Камеры дожигания мыслимы /так же как и раскаленные своды/ в двух
основных вариантах исполнения - камер дожигания пламен и камер
дожигания горючих газов /в том числе погасших пламен/ в беспламенном
режиме. Появление идеи камеры дожигания пламен обусловлено
потребностью удлинения топливника при форсировании существую-
щего топливника. Потребность в камере дожигания пламен может воз-
никнуть не только при интенсификации горения дров, но и при стрем-
лении повысить чистоту горения. При этом топливник превращается, в
частности, в предтопку или в газогенераторную камеру /рис.259/.
Так, например, первые пароводогрейные котельные установки имели котел /водотруб-
ный регистр/ непосредственно в топке /рис.310/. Теплосъем в топке называется “прямой
теплоотдачей”. Прямая теплоотдача подразумевает наличие в топке так называемого
“холодного ядра” /охлаждаемых участков среди раскаленных стенок/, что снижает лучи-
стые потоки тепла на дрова и уменьшает скорости газификации древесины, то есть не поз-
воляет древесине быстро гореть /быстро преобразовываться в горючие - летучие и угли/.
Напомним, что поглощение тепла дымовых газов является основной целевой функци-
ей печей и котельных установок, в связи с чем факт наличия “холодного ядра” в топлив-
нике может отрицательно сказываться лишь на сопутствующих факторах - на скорости
газификации древесного топлива и на скорости выделения белого дыма.
В целях форсирования горения дров в топке стали монтировать теплоизлучающие
“своды” 2 /рис.310/, а впоследствии котел /как холодное ядро/ вообще вынесли из топки
или, что одно и то же, топку “вынесли” из камеры, где расположен котел, или к топке при-
строили котельную камеру, где и расположили котел /рис.311/. Так или иначе, но тем
самым образовались две камеры, причем все стенки в топочной камере стали горячими,
что привело за счет повышения теплового излучения на дрова к усиленному выходу лету-
чих и удлинению пламен, которые догорали в котельной камере, ставшей одновременно
Топочные устройства печей
283
ка кислорода /раздел 1.3 .1/. А
можно и просто окислить
остатки горючих газов при
высоких температурах в бес-
пламенном режиме, например, типа FLOX® /рис.269/. Этот режим рабо-
тает в средах, бедных кислородом, но требует высоких температур внут-
ри колпака /хотя бы 800 - 900оС/, а главное, больших времен пребыва-
ния порядка секунд для окисления /в режиме без саморазогрева смеси/.
Наибольшие затруднения в горении всегда возникают в зоне кончиков пламени 5, где
и горючие газы, и воздух сильно разбавлены дымовыми газами /рис.302/. Поэтому и тем-
пературы горения в верхушке низки. Низки и скорости реакций окисления. Вследствие
этого, зону догорания верхушек пламен желательно либо теплоизолировать-разогревать
/поскольку для пламени важен “каждый градус”/, либо продувать свежим воздухом.
В то же время, поддержанием кончика пламени при высокой температуре создаются
условия, когда окисление уже возможно и без саморазогрева реагирующих газов, то есть
в беспламенном режиме. По сути, процесс горения в верхушке пламени 5 /рис.302/ всегда
/даже без колпака/ близок к режиму беспламенного горения FLOX® /рис.269/, поскольку
происходит в среде горячего воздуха, сильно разбавленного продуктами сгорания.
Чаще всего, столь высоких температур /порядка 800оС и выше/ в кол-
паках топок печей не бывает, тем более, что пламена в условиях тяги
трубы стремятся идти в хайло, нежели вверх в высокий тупик. Так, ароч-
ная русская печь обычно имеет температуру сводов не более 400оС,
поэтому дожигания остатков горючих газов там ожидать не приходится.
5.9.1.8. Выделенные камеры дожигания
В развитие соображений о дожигании пламен под раскаленными сво-
дами обозначим концепцию выделенных камер дожигания,
Камера дожигания пламен представляет собой отдельный узел - по
конструктивной сути продолжение топливника /или некая часть топ-
282
Дровяные печи
Рис.318. Распространение белого
дыма в низких топливниках: а, б -
длинный /глубокий/ узкий топливник,
в, г, д, е - короткий /мелкий/ широкий
топливник. 1 - белый дым, 2 - подача
воздуха через отверстие в дверке
топливника, 3 - массивный потолок.
Рис.319. Принципиальная схема малодымя-
щей печи с уровнем дымления не более 7,5
г/час (www.epa.gov): 1 - корпус печи, 2 - гори-
зонтальный дымооборот, 3 - перфорированная
труба для распределенного ввода вторичного
воздуха, 4 - хайло, 6 - экранирование печи
/кожух/, 7 - канал подогрева вторичного воздуха,
8 - огнеупорная футеровка /теплоизолирую-
щая/, 9 - огнеупорный глухой под, 10 - канал
подогрева первичного воздуха.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 282

Конечно, такое подразделение камер дожигания может показаться надуманным, тем
более с учетом обстоятельств, связанных с возможным осаждением смол и сажи на
холодных поверхностях. Но здесь нам важно было обозначить основной физический
смысл объекта - печные камеры дожига горючих газов используют длительное беспла-
менное доокисление и аналогичны высокотемпературным аппаратам очистки промыш-
ленных газовых выбросов от вредных органических примесей /например, в огневых кана-
лах, в том числе с применением списанных авиационных турбореактивных двигателей, в
раскаленных муфельных камерах, в каталитических реакторах и т.п./.
5.9.2. Дожигание жидкокапельных летучих
Жидкокапельные летучие представляют собой туманы смол и масел
/дегтей/, образовавшихся при термолизе древесины. Жидкокапельные
летучие выделяются с поверхности нагреваемой древесины /в частно-
сти, из негорящих пока торцов воспламенившихся поленьев/, в виде
белого дыма проходят мимо пламен, не воспламеняются и уходят в
дымовую трубу /см. раздел 1.3.5/.
Чтобы сжечь белый дым, надо сначала его газифицировать - испа-
рить капли горючих жидкостей и получить горючие пары. Здесь мысли-
мы два основных варианта - можно испаритьбелый дым тотчас при
выходе из древесины, а можно испарить в объеме топливника.
5.9.2.1. Дожигание белого дыма у поверхности древесины
Испарение капель тумана тотчас при их выходе из древесины по сути
является способом предотвращения распространения белого дыма в
объем топливника. При испарении белого дыма непосредственно у
поверхности древесины образуются сплошные объемы горючих паров,
распространяющиеся в виде потоков горючих газов, которые могут вос-
пламениться в воздухе в форме обычных языков диффузионного пла-
мени. Фактически, речь идет о том, что испаряя белый дым, можно объ-
ять пламёнами все газовыделяющие поверхности дров.
Для испарения белого дыма надо нагреть его сразу же при выходе его
из древесины. Это можно сделать либо облизыванием дымящих зон
поленьев пламёнами, горящими над соседними участками древесины,
либо облучением лучистым теплом с горящих обугленных поленьев или
с раскаленных стенок и перекрытий топливника. То есть надо органи-
зовать либо сплошной “зонтик огня” над дровами /рис.315-а/, либо
накрыть все дрова сверху тепловым излучением /рис.315-в/ так, чтобы
испарить разом все возможные потоки белого дыма (условно обозна-
Топочные устройства печей
285
и камерой дожигания. Во всяком случае, так удается разделить процессы горения дров,
требующие горячих стенок, и процессы сжигания пламен, не требующие обязательно
горячих стенок. При этом учитывалось также, что доля прямой теплоотдачи /и в нагрев
воды в котле, и в теплоаккумуляцию стенками/ уменьшается при увеличении расхода воз-
духа через топку. В дальнейшем, при переходе на форсированное сжигание пылеугольного
топлива, в целях предупреждения разрушения огнеупорных стенок топки и предотвра-
щения оплавления золы, в топку промышленных котельных установок вновь стали вводить
“экраны” 3 в виде дополнительных водотрубных регистров /рис.312/.
Можно предположить, что топливники
бытовых печей, имеющие “холодное
ядро”, например, в виде водогрейных
регистров /рис.313/, не требуют особых
камер дожигания пламен, поскольку из-за
малых тепловых нагрузок на дрова пла-
мена не имеют большой высоты и могут
догорать в топливнике. Но если топливник
имеет раскаленные стенки, то пламена
становятся настолько высокими, что
камера дожигания в том или ином виде
становится весьма желательной /рис.314/.
Камеры дожигания горючих газов отли-
чаются тем, что пламена там отсутствуют
/в отличие от камер дожигания пламен/, и
окисление горючих газов ведется не при
высоких температурах оболочек диффу-
зионных пламен 1000-1700оС, а беспла-
менно при температуре камеры дожига-
ния. Поэтому камеры дожигания горючих
газов должны обязательно иметь раска-
ленные стенки /в отличие от камеры
дожигания пламен/. Камеры дожигания
горючих газов близки по своей сути к
камерам дожига белых дымов /см. далее/.
284
Дровяные печи
Рис.320. Схема печи Jotul F3 /высота х ширина х
глубина = 0,21 х 0,48 х 0,21 м/ и динамика горения
при подкладках дров [155]: 1 - дрова, 2 - белый дым,
3 - вторичный воздух, 4 - воздух на розжиг, 5 - воздух
на обдув стекла, 6 - воздух первичный, 7 - труба.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 284

ливники могут иметь длительные белые дымления при растопке /пока не
прогреется все перекрытие/. Тем не менее, из-за красоты “развернуто”
горящих пламен, “сплющенные” топливники широко используются в
комнатных печах с застекленными дверцами топки.
5.9.2.2. Дожигание белого дыма в объеме топливника
Белый дым, не загоревшийся сразу же над древесиной, приходится
дожигать в объеме топливника. Удачным вариантом при этом является
расположение хайла над зоной преимущественного горения древесины
/рис.318-б,г,д/, поскольку белый дым при этом неминуемо проходит
рядом с существующими пламенами и при достаточно высоких пламе-
нах может испаряться и догорать при тепловом контакте с ними.
Белый дым /туман капель масел и смол в газообразных продуктах тер-
молиза дров/, вышедший в объем топливника, отличается тем, что он
уже смешался с воздухом. Тогда при испарении капель жидкостей обра-
зуются не сплошные объемы горючих паров в воздухе, а молекулярные
смеси горючих паров с воздухом, способные гореть не гетерогенно язы-
ками пламени, а гомогенно в виде всполохов пламени /см. раздел 1.3/.
Испарение белого дыма в объеме топливника обеспечивается нагре-
вом пламенами /рис. 252 / и тепловым илучением /рис.256, рис.259/. К
особым методам испарения относится нагрев белого дыма подогретым
вторичным воздухом /рис.246-в/. Идея этого способа /для дожигания
именно дыма/ зародилась, видимо, в металлических печах длительно-
го горения, использующих режим тления дров в топливнике. Такие ото-
пительные печи тления /”газогенерирующие” печи/ по-существу являют-
Топочные устройства печей
287
ченные “завитушечными” линиями) прямо при выходе
из древесины /рис.315-б/. Ясно, что узкие высокие топ-
ливники /шахтные/ более пригодны для организации
сплошного зонтика огня, особенно при розжиге сверху
/рис.316-а/, а широкие низкие топливники - для орга-
низации теплового облучения дров сверху /рис.316-б/.
Напомним, что при облучении древесины тепловыми потоками
мощностью выше 14 кВт/м2 /то есть тепловыми излучениями с
поверхностей с температурой свыше 440оС/ возможно не просто
испарение белого дыма, но и воспламенение паров, а при облучении
мощностью свыше 20 кВт/м2 возможно и их самовоспламенение /см. разделы 1.2 .1 и
5.8.4/. Действительно, пик дымления тлеющей древесины приходится как раз на мощ-
ность внешнего теплового облучения порядка 20 кВт/м2, поскольку при более высоких
мощностях возникает пламя, сжигающее образовавшиеся пары смол и масел /рис.317/.
Сплошное пламя над дровами, играющее роль “огневого зонтика”,
состоит комбинированно из “первичных” /основополагающих/ пламен,
гревших /прямо или косвенно/ белый дым первоначально, и “вторич-
ных” пламен, образовавшихся в результате нагрева и испарения бело-
го дыма “первичными” пламенами. Разобрать значимость роли каждого
языка пламени порой невозможно. Важно лишь учитывать, что сплош-
ной “огневой зонтик” не может возникнуть при горении одиночного поле-
на - нужна куча поленьев, где в результате коллективного взаимодей-
ствия пламен испаряются все капли тумана и тотчас дожигаются.
Вместе с тем, в случае низких /”сплющенных”, ”распластанных”/ подо-
вых топливников с низкими закладками дров основополагающая роль
“первичных” пламен может оказаться недостаточной. Дело в том, что в
случае длинных поленьев “первичные” пламена могут находиться
настолько далеко от холодных дымящихся торцов поленьев, что ни
испарить, ни поджечь выделяющийся белый дым не могут /рис.318/. Не
могут зачастую “первичные” пламена и прогреть /раскалить/ потолки
над дымящимися торцами поленьев, поскольку тепловой поток по
перекрытию q бывает недостаточным для сильного равномерного про-
грева всего перекрытия /рис.318-б/. Так что “сплющенные” подовые топ-
286
Дровяные печи
Рис.321. Схема испытания печи по евростандарту EN 13240: 1 -
весы, 2 - испытываемая печь, 3 - труба, 4 - пробоотбор дымовых
газов, 5 - измерительный тракт, 6 - регулятор тяги в печи, 7 - канал
разбавления, 8 - вентилятор /дымосос/, 9 - в дымовую трубу.
Рис.322. Ракетные печи /см. текст/: 1 - емкость с маслом лампадным /оливковым/, 2 -
фитиль хлопчатобумажный плетеный, 3 - трубка стеклянная /плафон/, 4 - подсос возду-
ха, 5 - древесный хворост /ветки, лучина/, 6 - выход дымовых газов, 7 - кожух /бочка,
банка, бидон/, 8 - утеплитель термостойкий /зола/, 9 - трубчатый топливник, выполняющий
также и роль дымовой трубы, 10 - язык пламени, 11 - огненное окружение пламени, 12 -
полый корпус, 13 - угли древесные, 14 - пламена воздуха в дымовых газах, 15 - посуда.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 286

менного горения. В этот
момент наблюдается
пиковый выход из нагре-
ваемых дров продуктов
пиролиза (разного рода
углеводородов СхНу) и
продуктов неполного сгорания (окиси углерода СО), которые затем
вспыхивают, сгорают пламенами и больше в составе дымовых газов не
регистрируются. Установить, чем обусловлено воспламенение СО и
СхНу (то ли повышением их концентрации, то ли разогревом за счет
повышенной температуры вторичного воздуха) невозможно.
Даже в активном пламенном режиме /”номинальном”/, наряду с выхо-
дом СО и СхНу, возможен выход через дымовую трубу аэрозолей жид-
ких частиц дегтей /белого дыма/ и аэрозолей твердых сажистых частиц
/черного дыма/. Действительно, методами фильтрации дымовых газов
/из пробоотборника в трубе 4/ было замерено “сажевое число” - среднее
содержание частиц в горячих дымовых газах 10,9 мг/МДж (миллиграмм
на мегаджоуль выделившейся при горении тепловой мощности).
Содержание же окиси углерода составило 643 мг/МДж. Это очень низ-
кие цифры, даже учитывая, что в топливнике происходил активный пла-
менный процесс горения дров. Тем не менее, содержание частиц в
охлажденных дымовых газах в канале разбавления 7 оказалось рав-
ным 108 мг/МДж [155]. Десятикратное увеличение содержания частиц
объяснялось объемной конденсацией паров дегтей в ультрадисперс-
ный масляный туман-аэрозоль /в сизый дым по терминологии раздела
1.3 .5/. Таким образом, испарение белых дымов в топливнике не гаран-
тирует их полного сгорания даже в случае пламенного горения специ-
ально сконструированных печей /см. далее раздел 5.10/.
5.9.3. Ракетные печи
Вышеприведенные соображения по дожиганию летучих могут быть
проиллюстрированы, в частности, на примере так назывемых “ракет-
Топочные устройства печей
289
ся генераторами белого дыма - аэровзвеси микрокапель дегтя, пригод-
ного, в частности, для использования в качестве антисептика /фенола/
для копчения мясных и рыбных продуктов. Но в отопительных печах
белый дым, образующийся в большом количестве, желательно было
сжигать /по экологическим соображениям, а также в целях снижения
конденсатообразования в дымовых трубах, а также для повышения КПД
печей/. Для этого топливник утепляли /чтобы он смог нагреться даже от
тепла тления и испарить белый дым/, а вторичный воздух подогревали
/к сожалению, как правило, не за счет тепла отходящих дымовых газов,
поскольку они и так холодные, а вынужденно за счет тепла, отбирае-
мого из топки/. В таких печах действительно наблюдались диффузион-
ные пламена вторичного воздуха в загазованном воздухе топливника
/как в горючем газе/, однако эти пламена были не устойчивы и затухали
при снижении скорости газификации дров в топке. В результате, такие
печи так и не смогли обеспечить надежный дожиг белого дыма в режи-
ме тления дров /вопреки коммерческой рекламе/, но в пламенном
режиме давали сниженный уровень дымления и были сертифицирова-
ны экологическими органами США /рис.319/.
Приведем для примера результаты испытаний чугунной печи Jotul-F3
/Норвегия/ системы “чистого горения” /рис.320/. Согласно требованиям
стандарта DIN EN 13240 в испытываемой печи с первого же момента
розжига поддерживалось постоянное разрежение 12 Па /тяга/ специ-
альным вентилятором 8, что существенно отличает такие евроиспыта-
ния от реальной практики, когда холодная печь стартует с нулевой тягой
/из-за исходно холодной дымовой трубы/. Видно, что при подкладках
дров в горячую печь, температура в печи на короткое время падает за
счет охлаждающего воздействия холодных дров. При этом концентрация
кислорода повышается (а концентрация двуокиси углерода соответ-
ственно снижается, поскольку сохраняется соотношение концентраций
О2 + СО2 = 21% об.), что указывает на приостановку процессов пла-
288
Дровяные печи
Рис.323. Экологически чистая (серти-
фицированная в США с уровнем дымле-
ния не более 4,1 г/час) металлическая
печь с каталитическим дожиганием горю-
чих газов: 1 - корпус, 2 - перегородка, 3 -
катализатор сотовый, 4 - выход дымовых
газов, 5 - задвижка обходного /байпасного/
канала, 6 - кожух печи /экран/, 7 - футе-
ровка, 8 - канал подогрева воздуха, 9 - глу-
хой под, 10 - система охлаждения дверцы.
Рис.324. Динамика выделе-
ния окиси и двуокиси углерода
в воздушную атмосферу в
составе дымовых газов из дро-
вяных печей с разными прин-
ципами сжигания дров [157].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 288

новится по цвету желтым, а то и оранжевым /но
дымовые газы при этом становятся горячее/.
Устройства, подобные осветительным кероси-
новым лампам, можно использовать и для приго-
товления пищи в посуде над открытым огнем в
форме широкоизвестных кухонных “кероси
́
нок”.
На принципе осветительных лампад работают и кухонные “ракетные
печи”, но не на масле или керосине, а на древесном топливе. Ракетные
печи постепенно приходят на смену кухонным открытым огачам /мини-
кострам/ в жилых помещениях жарких развивающихся стран Азии и
Африки /Larri Winiarski, 1980/. Считается, что ракетные печи имеют
меньшее дымление, чем открытые очаги. Ракетные печи используют
непрерывную ручную подачу в топливник древесного топлива в виде
хвороста 5 /сухих веток/ или лучины /сухих мелкоколотых поленьев/, а
также непрерывную подачу воздуха 4 за счет тяги дымовой трубы
/рис.322-г/. Ракетные печи имеют простейший топливник, не относя-
щийся, строго говоря, ни к подовому, ни к решетчатому /колосниковому/
типу, а являющийся камерой сгорания с непрерывно подаваемым горю-
чим, как и в случае топливников на пеллетах /древесных таблетках/.
Для дожигания пламен используется достаточно большой расход воз-
духа, а в целях сжигания белых дымов выбираются малые поперечные
размеры топливника так, чтобы выделяющийся белый дым тут же испа-
рялся бы и окислялся при контакте с пламенем, тесно заполняющим
топливник /и трубу тоже/. Для предотвращения выхода дыма через
открытое загрузочное отверстие /для подачи хвороста/, приток воздуха
за счет тяги трубы организовывается именно через это отверстие.
Топливник /камера сгорания/ и дымовая труба часто выполняются из
единой изогнутой герметичной металлической трубы 9 небольшого диа-
метра /100-150 мм/, причем труба утепляется термостойкими тепло-
изолирующими материалами 8 /рис.322-д/. За счет повышенной темпе-
ратуры стенок топливника достигается испарение белого дыма /непо-
средственно при выходе из древесины/, а также и сжигание получен-
ных горючих паров в горячей трубе, заполненной диффузионным пла-
менем. Горячие стенки топливника обеспечивают также высокую ско-
рость газификации топлива и высокую мощность горения ракетной печи
/до 10 кВт/, способной вскипятить литр вода за считанные минуты.
Топочные устройства печей
291
ных печей” /Rocket
Stoves/, использующих
древний принцип астральных /”звездно-белого” света/ осветительных
лампад на масле, обладающих очень высокой степенью дожигания
углеводородного топлива. Первоначально масляные лампады /в том
числе и ритуальные церковные/ представляли собой плошку с маслом
1, в которую погружали фитиль 2 /рис.322-а/. Такая лампада горела
обыкновенно тускло желтым светом и сильно коптила “чадом” /сизым
дымом, то есть масляным туманом/. Однако, если пламя погружалось в
вертикальную стеклянную трубку 3, то пламя переставало загрязнять
стекло, не коптило и становилось белым /рис.322-а/. Разработанные на
этом принципе осветительные масляные лампы /Aime Argand, 1780/
стали использоваться даже на морских маяках /рис.322-б/ и стали пред-
шественниками керосиновых осветительных ламп /рис.326/.
Принцип интенсификации горения за счет спутного принудительного
обдува может быть использован и при сжигании древесины в кострах
/рис.322-в/. Дело в том, что подсос воздуха 4 тягой трубы способен за
счет “облизывания” и воздушного “обжатия” пламени увеличивать
поступление кислорода в оболочку пламени, что способствует повы-
шению температуры горения в оболочке пламени /хотя и сокращает
температуру отходящих дымовых газов по аналогии с рис.87-б/.
Собственно, для любых печей с трубной тягой как раз
и характерна такая ситуация, когда при полностью
открытом поддувале /воздухоподающем отверстии/
пламя от дров является горячим, то есть по цвету
белым /но дымовые газы при этом относительно холод-
ные из-за разбавления избыточным воздухом/, а при
закрытии поддувала пламя охлаждается, то есть ста-
290
Дровяные печи
Рис.325. Принципиальные
схемы топливников дровя-
ных печей, поясняющие
физическую суть способов
снижения дымообразования
при горении дров /см. текст/.
Рис.326. Устройство бытовой осветительной керосиновой лампы:
1 - керосин в бачке, 2 - фитиль хлопчатобумажный плетеный, 3 -
пламя светящееся, 4 - подача воздуха на горение, 5 - заужение /кон-
центратор воздуха/, 6 - ламповое стекло /плафон, колба/.
Рис.327. Выход полициклических ароматических углеводо-
родов (ПАУ) в зависимости от температуры в топке [155]. При
температурах выше 700оС ПАУ начинают окисляться.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 290

4 подается в кожух 12 и затем, подогревшись, поступает в “топочный”
стакан, перераспределяясь на первичный /через перфорации в при-
донной части топочного стакана/ и на вторичный /через перфорации в
верхней части топочного стакана/. Из-за предусмотренной нехватки пер-
вичного воздуха (с коэффициентом избытка воздуха порядка 0,3 - 0,4 при
влажности дров 10-12%), из закладки дров наряду с языками пламени
вырываются и недогоревшие газообразные углеводороды, в которых и
горят пламенами языки воздуха 14. Как и в обычных печах, наряду с
газообразными летучими, из топливника могут вырываться и дымы -
белые туманы дегтей от тлеющей древесины и черные аэрозоли твер-
дых частиц углерода /сажи/ от недогоревших кончиков пламен.
Несмотря на заявляемые потребительские достоинства вышеуказан-
ных печей, замеры показывают наличие вредных выбросов [159]:
Тренога над костром Ракетная печь Печь газификации
Пламенный режим
Затраты тепловой энергии
дров на нагрев воды
до кипения. кДж/литр
6553
2470
3721
Эмиссия в помещение:
- окись углерода, %об.
3,80
1,67
3,01
- углеводороды газ, %об.
0,35
0,33
0,94
-углеводороды туман
/белый дым/, г/кг
1,45
0,55
0,82
- сажа /черный дым/, г/кг
0,88
1.16
0,28
Тлеющий режим
Эмиссия в помещение:
- окись углерода, %об.
11,8
3,2
4,7
- углеводороды газ, %об.
0,47
0,27
0,96
Тем не менее, печи газификации
широко применяются не только в
развивающихся странах Азии и
Африки /где они пользуются даже
государственной экономической
поддержкой, в том числе и в части
Топочные устройства печей
293
Отметим, что ракетные печи
способны в принципе поддержи-
вать устойчивое горение длинных /вытянутых ”кишкой”/ пламен в высо-
ких дымовых трубах /высотой до нескольких метров/ с практически без-
дымным порой догоранием пламени над срезом трубы, что полезно для
ряда применений. При этом в дымовой трубе отчетливо различается
центральное /приосевое/ горячее желтое ядро диффузионного пламе-
ни 10 и более холодное оранжевое “огненно-воздушное” внешнее окру-
жение 11, содержащее горящие частицы дыма, образовавшиеся при
беспламенном нагреве и термодеструкции паров дегтей /рис.322-е/.
5.9.4. Печи газификации
Помимо ракетных печей в последние годы зарубежом активно разви-
ваются бытовые кухонные “печи газификации” /Gasifying Stoves/, также
называемые “печами дровяного газа” /WoodGas Stoves/, “печами био-
логического газа” /BioGas Stoves/ или “дымосжигающими печами”
/Smoke Burner Stoves/ системы “верхнего розжига с прямой тягой” TLUD
/Top lit Updraft/ с принудительным дутьем от электровентилятора
/Forced-Air/ или на естественной тяге /Natural Draft/. Как и бытовые
кухонные ракетные печи, “печи газификации” могут эксплуатироваться
в помещении без применения дымовой трубы, поскольку эти печи, как
заявляется в рекламе, “сжигают дым” /рис.322-ж/.
Печь “газификации” /газогенерации/ представляет собой “стакан” с
двойными металлическими стенками 12 /рис.322-ж/. Наружный стакан
является теплоизолирующим и газораспределяющим кожухом.
Внутренний “топочный” стакан является подовой /а в ряде случаев и
решетчатой/ камерой газификации /точнее, газогенерации, по принципу,
близкому к рис.319 и 320/, в которую загружают топливо в виде дере-
вянных чурок или брикетов биотоплива /то есть из растительного сырья/
с характерным размером порядка 5х2х1см /рис.322-ж/. Первичный роз-
жиг закладки топлива осуществляется, как правило, сверху с после-
дующими дозагрузками топлива на горящие угли 13. Воздух на горение
292
Дровяные печи
Рис.328. Динамика потребления дров
в жилищах на примере Норвегии: 1 -
открытые очаги /камины/, 2 - печи /и
огражденные очаги/ старых конструк-
ций, 3 - печи новых конструкций [156].
Рис.329. Динамика снижения выбросов
окиси углерода СО в атмосферу с дымовыми
газами дровяных печей в Австрии [157].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 292

ся/. В таком случае поверхность называется каталитической. Ясно, что
каталитической активностью может обладать не сама по себе поверх-
ность, а отдельные компоненты этой поверхности, называемые ката-
литическими агентами /добавками/. Так, в частности, в химической тех-
нологии на термостойкий пассивный носитель, например, цеолит, нано-
сят /осаждают, спекают, напыляют/ специальную активирующую добав-
ку, которая и выполняет роль катализатора.
В печной технологии в одно время считалось, что шамотный огнеупор /спеченная глина/
может иметь каталитические свойства по отношению к окислению. Это привело, в част-
ности, к тому, что шамотные решетки в верхней части топливников стали иногда назы-
ваться каталитическими /рис. 258, 300/. Однако, детальные исследования показали, что
“обычный” шамот обладает крайне слабыми каталитическитми возможностями, и при мак-
симально приемлемых температурах окисляет /в дробленом виде в реакционной квар-
цевой трубке/ водород и окись углерода за времена, исчисляемые минутами [160,161]:
Степень окисления (%) Температура, оС Время, мин
Кварц Шамот
Дунит
Водород Н2
500
5
1%
3%
75%
Окись углерода СО
500
5
2%
5%
99%
Окись углерода СО
1000
5
5%
45%
100%
Окись углерода СО
1000
30
12%
90%
100%
Дунит - натуральный огнеупор /горная порода/, состоящий в основном из окислов крем-
ния и магния, в отличие от шамота, состоящего в основном из окислов кремния и алюми-
ния. Дунит использован в исследованиях исключительно как объект сравнения и под-
тверждения работоспособности методики измерений. Таким образом, шамот /без введе-
ния активирующих добавок/ не проявляет достаточных каталитических свойств.
Тем не менее, в работах [17, 161] сообщалось, что шамотные решетки / рис.300/ обес-
печивают в дровяной топке существенное снижение концентрации окиси углерода в дымо-
вых газах при температурах решетки 600 - 840оС. Это может являться следствием не
каталитического или смесительного влияния, а последствием развития пламен над дро-
вами под действием лучистого тепла, испускаемого раскаленной решеткой /рис.258-а/.
Топочные устройства печей
295
научных исследований/, но и в
индустриально развитых странах,
например, в сфере туризма.
Отметим, что печи газификации с успехом используют принудительное
дутье от миниатюрных электровентиляторов, питающихся от аккумуля-
торов. Образующийся древесный уголь является побочным продуктом.
5.9.5. Каталитическое окисление горючих газов
Известна возможность сорбционного беспламенного окисления оста-
точных количеств углеводородов в дымовых газах (в том числе и в виде
дымов-конденсатов) на нагретых поверхностях. Дело в том, что при
наличии раздела фаз появляется возможность физической (в форме
“прилипания”) или химической (в форме образования радикалов,
неустойчивых химических соединений) адсорбции (внешней сорбции)
или абсорбции (внутренней сорбции), в том числе и селективной, моле-
кул углеводородов на твердой поверхности из газовой фазы. При этом
может достигаться длительный контакт сорбированных /то есть удер-
живаемых поверхностью/ молекул углеводородов с кислородом в дымо-
вых газах, что способствует их окислению внутри топливника. Не углуб-
ляясь в химию подобных процессов, укажем лишь, что физически сор-
бироваться /осаждаться/ могут и частицы сажи, а потом при достаточ-
ности температуры могут долго гореть /вернее, окисляться, поскольку
самопроизвольного повышения температуры практически не происхо-
дит/ в остаточных количествах кислорода в дымовых газах.
Твердые поверхности по отношению к сорбированным веществам
могут проявлять и химическую активность, как правило, селективную
/избирательную - выборочную по отношению к отдельным химическим
соединениям/. Так, окислы металлов /ванадия, марганца, железа,
кобальта, никеля, молибдена/ способствуют окислению сорбированных
углеводородов. На платине, палладии и родии дожигается окись угле-
рода. На окиси меди может дожигаться сажа.
При этом сама твердая поверхность в ходе химической реакции может
и не потребляться /химически не преобразовываться и не расходовать-
294
Дровяные печи
Рис. 330 . Зависимость общей эмиссии
частиц /задымленности дымовых газов/
от мощности горения металлических дро-
вяных печей старой (Jotul-3) и новых кон-
струкций (Jotul-F3) в Норвегии [156].
Рис.331. Содержание
элементарного углеро-
да ЕС /сажи/ и органи-
ческого углерода ОС
/углеводородов-дегтей/
в дымах дровяных
печей старых и новых
конструкций [156].
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 294

- для предотвращения перехода пламенного горения в тление, а также для дожигания
окиси углерода и черного дыма 6 в “зонтиках огня”, обеспечивать коэффициент избытка
воздуха в топке не менее 1,3-1,7, а в закладке дров не более 0,2-0,4, причем воздух 1 и 2
распределять во все зоны горения пламен /рис.325-г/, то есть обеспечивать хороший кон-
такт воздуха с пламенами, например, с помощью заужений 5 /рис.326/,
-
для доокисления окиси углерода и газообразных углеводородов поддерживать при
температуре выше 800оС /рис.327/ камеру дожигания 4 /рис.325-в, рис.325-г/.
Мировое потребление дров /и возобновляемого биотоплива вообще/
остается весьма значительным. Так, в США на протяжении уже 180 лет
выработка бытовой тепловой энергии за счет дров сохраняется прак-
тически на неизменном уровне, хотя доля этого “дровяного тепла” в
энергопотреблении США за это время снизилась со 100% до 3%. Даже
в Норвегии, добывающей огромные количества природного газа,
потребляется около 1,4 млн. тонн дров в год /рис.328/ и при этом выбра-
сывается в атмосферу около 50 тыс.тонн жидких и твердых загрязняю-
щих веществ /дымов/ ежегодно, что может влиять на экологию Арктики.
В Европе традиционно в первую очередь контролировались выбро-
сы окиси углерода (см. стр.264), причем ужесточение экологических тре-
бований к котлам и печам шло в соответствии с повышением чистоты
выхлопа автомобилей /рис.329/. Так, стандарты Германии DIN EN 13240
и DIN EN 15250 нормируют СО на уровне 2 г/м3 (более низком, чем
общеевропейский) и планируют на перспективу уровень 1,25 г/м3.
В США традиционно в первую очередь контролировалось дымление
печей с допустимой нормой по содержанию аэрозолей /частиц/ 7,5 г/час
с ужесточением до 4 г/час. В других странах допустимые нормы дым-
ления устанавливались в иных единицах измерения: в международном
стандарте ISO 13336 и новозеландском NZ 4013
-
4г/кг (4 г частиц на 1кг дров), в английском BS
7256 - 5,5 г/кг, в шведском SP 1425 - 40 мг/МДж,
в австралийском стандарте AS 4013 - 3,3 г/кг.
Нормы постоянно ужесточаются. Так, в
Германии в 2010 году введены стандарты DIN
EN 13240 и DIN EN 15250 с нормированной
эмиссией “пыли” 75 мг/м3 с перспективой уже-
сточения до 40 мг/м3. В России дымление печей
пока не контролируется и не нормируется.
Топочные устройства печей
297
В России каталитические бытовые печи
пока не актуальны /хотя в стране про-
изводятся промышленные катализаторы
для “беспламенного дожигания” окиси углерода и углеводородов в
дымовых газах/. В США же серийно выпускаются каталитические быто-
вые отопительные печи /рис.323/. Металлоокисный каталитический
пакет 3 /в виде прессованной и спеченной фильтрующей решетки/ уста-
навливается в верхней части топливника, чаще всего подового. Печь
разжигается при открытой задвижке прямого хода 5. После предвари-
тельного прогрева каталитического пакета 3 и дымовой трубы, задвиж-
ку прямого хода 5 закрывают, и каталитический пакет поддерживается
постоянно при рабочей температуре 180-400оС за счет тепла потока
дымовых газов. Для каталитического окисления углеводородов и окиси
углерода большие избытки воздуха не требуются.
5.10. Эмиссия печей
Эксплуатация дровяных печей сопровождается выделением /эмис-
сией/ в атмосферу загрязняющих примесей. Продукты полного сгорания
древесины СО2 и Н2О могут влиять на свойства атмосферы, но не отно-
ситься к токсичных веществам. Продукты неполного сгорания древеси-
ны /углеводороды в виде газов и белого дыма, окись углерода, сажа в
виде черного дыма/ могут представлять угрозу для здоровья людей.
В разделе 5.9 при анализе вопросов дожигания пламен и дымов по-существу рас-
сматривались способы предотвращения эмиссии продуктов неполного сгорания, выде-
ляющихся в основном при розжиге печи, а также при подкладках дров и при обрушениях
горящих поленьев /рис.324/. Так, повышенный выход окиси углерода СО наблюдается
при беспламенном пиролизе древесины, при “раскрытии” микротопок, при дымлении кон-
чиков пламен и при относительно низкой температуре догорания /тления/ углей.
В целях снижения эмиссии СО и дымов рекомендуется [157]:
- для испарения и дожигания белых дымов 5 /рис.325-а/ топливник “утеплять”, то есть
быстро нагревать и поддерживать при температуре выше 500оС /рис.325-б/,
- для предотвращения дымления кончиков пламен обеспечивать достаточную высоту
топливника и не допускать касаний стенок пламенами,
296
Дровяные печи
Рис.332. Распределение размеров ультрамелких
частиц дыма, образующихся в дровяных печах: 1 -
на стадии розжига печи, 2 - на стадии основного
горения, 3 - на стадии догорания дров [158].
Рис.333. Внутренняя структура диффузионного пламени
воздуха в горючих загазованных дымовых газах.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 296

ричным воздухом Jotul-F3 /рис.320/ не все-
гда обеспечивают устойчивое снижение
дымления при малых скоростях горения /в тлеющих “ночных” режимах/ по сравнению с
печами старого поколения Jotul-3 без наличия вторичного воздуха вообще /рис. 330/.
В последние годы начато экспериментальное исследование дисперсного состава
дымов дровяных печей /рис.332/.
5.11. Пламена воздуха в горючем газе
При вводе “дожигающего” вторичного воздуха в “недожженные” дымо-
вые газы топливника могут возникать необычные пламена “воздуха в
горючем газе” 14 /рис.322/. Имеется в виду, что внутри оболочки пла-
мени находится воздух, а снаружи располагается горючий газ.
Вообще говоря, для горения предварительно неперемешанных газов
форма разделительной поверхности не существенна /рис.38/ . При
избытке воздуха образуются языки пламени горючего газа в воздухе, а
при избытке горючего газа - языки пламени воздуха в горючем газе
/рис.334/. Важно учитывать лишь, что в любом случае на горящей гра-
нице раздела горючего газа и воздуха /в оболочке пламени/ образуется
слой продуктов сгорания, через который вынуждены диффундировать
молекулы горючего газа и кислорода /рис.39, 40, 302/. Так что и рас-
сматриваемые необычные /”вывороченные”/ пламена имеют те же осо-
бенности, что и обычные пламена /рис.333/ . Так, в частности, чтобы
интенсифицировать процесс горения “вывороченного” пламени, надо
турбулизировать /”перемешивать”/ именно окружающий горючий газ /по
аналогии с рис.302/.
Непривычной особенностью таких “вывороченных” пламен является
наличие светящейся зоны горящей раскаленной сажи не внутри обо-
лочки пламени, а снаружи /рис.334/. Эта светящаяся зона вздымается
вверх “завесой огня” над оболочкой пламени. Внутри же оболочки нахо-
дится темная несветящаяся зона воздуха. Наиболее наглядно это выра-
жено в топливниках с подачей вторичного воздуха в задымленный топ-
ливник снизу вверх вдоль стекла дверки топливника /рис.325/.
Воздушная зона 3 видна в стекле как темная область под зоной огня 5.
Топочные устройства печей
299
Разные единицы измерения уровня дымления могут быть сопоставлены между собой
лишь крайне условно при известных режимах работы печей и при известных составах
дымов. Так, при отсутствии пепла, при коэффициенте избытка воздуха, равном трем, при
теплотворной способности дров 2400 ккал/кг, при расходе дров 1 кг/час уровень дымле-
ния 4 г/кг соответствует ориентировочно 400 мг/МДж или 400 мг/м3 или 4 г/час. Дожигание
дымов дает заметный вклад (более 1%) в тепловой баланс печи лишь при уровнях дым-
ления более 10 г/кг /то есть более 10 г жидких и твердых частиц дыма на 1 кг дров/.
Наиболее детально вопросы нормирования дымления печей прора-
ботаны, видимо, в норвежских стандартах NS 3058 и NS 3059. В част-
ности, учтено, что дымление особо характерно для низких скоростей
горения дров и что при охлаждении дымовых газов возможно появление
добавочных частиц дыма, обусловленных объемной конденсацией
паров дегтей [156].
Действительно, при малых скоростях горения печи /”нормальный” режим, отопительный,
ночной/ преобладают процессы тления дров с выходом большого количества белого и
сизого дыма до 40-100 г/кг , что соответствует до 10% недожега дров /рис.330/. При повы-
шенных скоростях горения печи /”средний” режим, дневной/ выделение дыма снижается
до 5-10 г/кг. А при больших скоростях горения печи /”номинальный” режим, протопочный/
выделение дыма сокращается до 1-5 г/кг. При этом оказалось, что при “нормальном” режи-
ме горения /тлеющем/ дым практически полностью состоит из жидких частиц дегтей
/рис.331/. Поэтому норвежские стандарты предусматривают замеры содержания частиц
дыма в четырех диапазонах скоростей горения печи (менее 0,8 кг/час, 0,8-1,25 кг/час,
1,26-1,90 кг/час и более 1,9 кг/час). Среднее значение замеров не должно превышать пре-
дельную нормируемую величину 10г/кг /максимально допустимое сажевое число/.
Все эти цифры соответствуют норвежским замерам в камере разбавления при темпе-
ратуре фильтра не более 30оС /рис.321/, а не в дымовой трубе, как это принято в немец-
ких стандартах при температуре фильтра 70оС /см раздел 5.9.2.2/. В результате, “нор-
вежский” уровень дымления 10 г/кг соответствует примерно “немецкому” уровню дымле-
ния 1 г/кг /который контролируется, кстати, только при “номинальном” режиме горения/.
Отметим, что печи нового поколе-
ния “чистого горения” с горячим вто-
298
Дровяные печи
Рис.334. Светящаяся зона горящей
сажи внутри пламени углеводородно-
го газа СН в воздухе /слева/ и над
пламенем воздуха в горючем углево-
дородном газе СН /справа/.
Рис.335. Пламена вторичного воздуха :
1 - тлеющая древесина, 2 - горючие газы
/дымы, пары/, 3 - воздушная внутренность
пламен, 4 - пламена ВВ в горючем газе, 5
-
светящаяся зона горящей сажи.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 298

ное тепло затруднитель-
но /необходимо поддер-
живать очень высокую температуру стенок топливника/. Именно поэ-
тому в бытовых печах газификации используют пламена пирогазов, а
образующийся древесный уголь сохраняют как побочный продукт, порой
даже как товарный /раздел 5.9.4/. Если процесс газификации продол-
жительный, то приходится постоянно отводить угли из зоны горения
/предотвращая их горение ограничением доступа к ним воздуха/, что и
осуществляется с помощью решетки, сквозь которую проваливаются
угли на глухой под /углесборник/.
Например, при ремесленническом производстве керамики обжигае-
мые глиняные изделия загружались в камеру 1, разогреваемую дымо-
выми газами из камеры сжигания 2. Сначала газовой горелкой 3 или
дровами разогревали трубу 4, затем внешними кострами 5 через про-
духи первично прогревали камеры, после чего на прутья решетки 6
закладывались дрова и поджилались. По мере пргорания угли падали на
под, а на решетку 6 подкладывали свежие дрова /рис.337-а/.
Использовались и многорешетчатые конструкции, когда в раскаленном
топливнике /в потоке воздуха снизу вверх из воздухоподающего отвер-
стия 8 в выпускное отверстие 9/ на разных уровнях устанавливались
несколько решеток 7 с редкими прутьями, что позволяло интенсифици-
ровать нагрев дров от раскаленных стенок и подачу воздуха к горящим
поленьям /рис.337-б/.
Если пламена предпочтительны для получения горячих дымовых
газов, то для нагрева изделий /например, металлических заготовок 11 в
кузнечных гонах/ предпочтительны именно горящие древесные угли,
раздуваемые принудительным потоком 10 снизу /ри.337-в/. При этом
потоки дымовых газов /например, направляемые в зонт 12/ высокой
температуры не имеют, что известно, в частности, из практики жаро-
вень для приготовления шашлыка.
Топочные устройства печей
301
Как и в случае обычных диффузионных пламен /газ внутри, воздух
снаружи/, в “вывороченном” диффузионном пламени /газ снаружи, воз-
дух внутри/ концентрация наружного газового реагента должна сохра-
няться высокой на всем протяжении пламени. Это означает, что в “выво-
роченных” пламенах коэффициент избытка воздуха должен быть мень-
ше единицы. Для дожигания же сажи требуется, наоборот, избыток воз-
духа. К счастью, обычно над всеми этими “вывороченными” пламенами
располагается воздух атмосферы, где все остатки горючих компонен-
тов догорают обычным пламенем /рис.336/ .
В реальной же практике недожженные дымовые газы в топливнике
содержат не только горючие газы, но и свободный кислород. Такое
неожиданное обстоятельство дает основание полагать, что подобные
пламенные явления являются промежуточными между гетерогенными
/диффузионными/ и гомогенными /кинетическими/ пламенами. Такие
пламена изучены пока недостаточно.
5.12. Газифицирующие решетки
Обычно решетки топливников бытовых печей имеют узкие прорези и
удерживают одновременно и дрова, и древесные угли. Причем провал
древесных углей в поддувало /в зольник/ считается неблагоприятным
фактором, приводящим к неполному сгоранию
древесного топлива.
Однако имеются и иные конструкции, в кото-
рых решетки, удерживая дрова, наоборот,
предназначены для проваливания образую-
щихся углей. Такие решетки имеют широкие
прорези.
Так, в частности, для получения потоков горя-
чих дымовых газов предпочтительней исполь-
зовать горящие пламена, нежели горящие угли.
Дело в том, что горящие угли в основном выде-
ляют энергию в виде лучистого тепла, переве-
сти которое в высокотемпературное конвектив-
300
Дровяные печи
Рис.337. Печь для обжига
керамики (а), генератор горя-
чих дымовых газов (б), нагре-
ватель металлических загото-
вок - горн (в). См. текст.
Рис.336 . Пламена воздуха в дымовых газах бытовой
кулинарной /варочной/ печи газификации” типа “дровяной
керосинки” [162]. Выше /над этими сходящимися к центру/
пламенами располагается атмосферный воздух, в котором
и догорают остатки углеводородов обычным пламенем.
глава5 - 8 готовый макет:книга1.qxd 30.03.2014 22:17 Page 300

мический режим работы трубы. Дело в том,
что движения газа в трубе могут быть вызваны
многими причинами: гравитационной тягой Хт
/рис.339-а/, внутренней эжекцией Хэ /рис.339-
б/, инжекцией-засасыванием Хи /рис.339-в/ и
эжекцией-увлечением ветром /рис.339 -г/ и другими, например, наличи-
ем других печей или механической вентиляции в доме.
Трубы с гравитационной тягой будем называть тяговыми /раздел 6.3/.
Трубы с внутренней эжекцией будем называть безтяговыми /раздел 6.2/.
Механическую тягу /вентилятором/ и ветровые воздействия здесь спе-
циально рассматривать не будем, но печникам приходится учитывать
возможное появление этих факторов и их сильное влияние из-за боль-
ших величин динамического напора /рис.340/.
Для ориентировки приведем характеристики силы ветра по шкале Бофорта [166]:
Баллы Сила
Cкopocть,
Hanop
Наблюдаемый эффeкт
ветра
м/сек
Па
0
Штиль
0-0,2
0,03
Дым поднимается строго вверх
1
Тихий
0,3-1,5
1,5
Дым слегка отклоняется
2
Легкий
1,6-3,3
7,0
Ощущается лицом
3
Слабый
3,4-5,4
19
Колышатся листья деревьев
4
Умеренный
5,5-7,9
40
Колеблются ветки деревьев
5
Свежий
8,0-10,7
74
Раскачиваются небольшие деревья
6
Сильный
10,8-13,8
123
Раскачиваются большие деревья
7
Крепкий
13,9-17,1
190
Ломаются тонкие ветки
8
Очень крепкий
17,2-20,7
278
Ломаются толстые ветки
9
Шторм
20,8-24,4
387
Ломаются деревья
10
Сильный шторм 4,5-28,4
524
Деревья вырываются с корнем
11
Жесткий шторм 28,5-32,6
690
Разрушения
12
Ураган
более 32,7 более 700 Опустошения
На формирование тяговых или
бестяговых режимов /и на их рас-
ходные характеристики/ опреде-
Дымовые трубы
303
6. Дымовые трубы
Дымовые трубы первоначально зародились как дымоотводы от кур-
ных печей /рис.338-г/, которые в свою очередь явились развитием идеи
курных строений /рис.163, рис.225/. Если в простейших курных строе-
ниях /пещерах, норах, шалашах, чумах и т.п./ само помещение пред-
ставляло собой топку, в которой горел костер /рис.338-а,б/, то впослед-
ствии в стационарных курных помещениях /землянках, избах и т.п./ вме-
сто пожароопасного костра стали применять более безопасные сводо-
вые курные печи /топки/ из камня, глины и кирпича /рис.338 -в/.
Впоследствии дымовую трубу стали встраивать в горнило печи, что
позволило, не только отводить дым, но и создавать тягу в печи для луч-
шего горения дров /рис.338-д/. Одним из ранних проектов печей с тяго-
выми трубами явились, в частности, древнеегипетские подпольные
/подвальные, подземные/ печи, развившиеся затем в древнеримские
гипокаусты /рис.338 -е/.
6.1. Конструктивные типы дымовых труб
Дымовые трубы бытовых дровяных печей в государственных техни-
ческих документах официально не классифицировались и не категори-
ровались, хотя именно трубопечные работы наиболее строго норми-
руются строительными и противопожарными требованиями [163].
Главным фактором технической систематизации дымовых труб “по
происходящим процессам и явлениям” безусловно является газодина-
302
Дровяные печи
Рис.340. Напор и разрежение в дымовой
трубе под действием ветра в атмосфере.
Рис.338. Развитие приемов отвода дыма от дровяного очага наружу из помещения.
Рис.339. Причины движения холодного газа в трубе: а-
гравитационная, б - внутренне-эжекционная, в - инжек-
ционная, г - внешне-эжекционная.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 302

режимам медленного горения дров. В последние
годы приобрели популярность малотеплоемкие и
низкотеплопроводные утепленные металличе-
ские трубы в теплоемком или малотеплоемком
кожухе со слоем термостойкой волокнистой или пористой теплоизоля-
ции, разработанные первоначально для отвода низкотемпературных
дымовых газов котлов и печей с режимами медленного горения или тле-
ния, но затем распространившиеся /порой необоснованно/ и на другие
виды печных устройств, вплоть до банных печей /рис.343-в/.
Дополнительную техническую систематизацию можно провести на
основании государственных технических требований к дымовым тру-
бам, в частности по термической и химической устойчивости материалов
трубы, обеспечивающих должный ресурс работы трубы до отказа.
Так, в частности, в соответствии с ГОСТ Р 53321-2009 “дымовой канал твердотоплив-
ных аппаратов должен быть устойчивым против длительного (не менее 4 часов) действия
температуры не более 400оС и против кратковременного (не более 0,5 часа) действия
температур не более 1000оС, должен быть устойчивым против коррозионного воздей-
ствия продуктов сгорания и конденсата. В Своде Правил МЧС РФ СП 7.13130.2013 пред-
писывается: ” Дымовые трубы должны быть вертикальными без уступов из глиняного кир-
пича со стенками толщиной не менее 120 мм или из жаростойкого бетона толщиной не
менее 60 мм, с карманами в основаниях глубиной 250 мм с отверстиями для очистки,
закрываемыми дверками. Допускается применять дымовые каналы из хризотилоце-
ментных (асбестоцементных) труб или сборных изделий из нержавеющей стали заводской
готовности (двухслойных стальных труб с тепловой изоляцией
из негорючего материала). При этом температура уходящих
газов не должна превышать 300оC для асбестоцементных труб
и 400оC для труб из нержавеющей стали. Допускается пред-
усматривать отводы труб под углом до 30° к вертикали с отно-
сом не более 1 м; наклонные участки должны быть гладкими,
постоянного сечения, площадью не менее площади попереч-
ного сечения вертикальных участков."
Дымовые трубы
305
ляющее значение оказывают геометрические
параметры дымовых труб - высота, площадь
поперечного сечения /проходной размер/,
наклоны, неровности, шероховатости и т.п.
Поэтому важно определиться, например, откуда следует отсчитывать высоту трубы. В
насадных трубах, опирающихся на сам массив печи /рис.341-а/, высоту обычно отсчиты-
вают от верха печи, хотя ясно, что фактически труба начинается где-то внутри печи /может
быть, даже у пода/. То есть, помимо тяги самой трубы, следует учитывать и самотягу печи.
В коренных же трубах, стоящих отдельно /рис.341-б/, в том числе в толще стен здания,
высоту трубы отсчитывают порой от основания трубы, хотя печь может подсоединяться к
трубе не через нижний соединительный патрубок, а через некий вышерасположенный.
Что касается проходного размера дымовой трубы, то при его оценке необходимо учи-
тывать геометрическую форму поперечного сечения дымового канала. Так, при одной и той
же площади поперечного сечения канала трубы, эффективный /действующий, эффек-
тивный/ проходной размер будет больше у круглой формы, нежели квадратной или пря-
моугольной /рис.342/, поскольку в углах поступательное движение дымовых газов может
быть приторможено вязким трением. Однако, прямоугольное сечение канала /или оваль-
ное/ может оказаться предпочтительнее в наклонных дымовых трубах.
Первичными факторами технической систематизации являются также
и теплотехнические свойства дымовой трубы - теплоемкость и тепло-
проводность стенок трубы /рис.343/. Высокотеплоемкие /каменные, кир-
пичные, керамические/ дымовые трубы долго прогреваются, медленно
повышают тягу, но зато потом, прогревшись, долго поддерживают тягу
/порой и не столь уж нужную на этапе охлаждения печи/.
Низкотеплоемкие трубы /металлические/ быстро прогреваются, соз-
дают значительную тягу, но быстро охлаждаются при уменьшении
интенсивности горения дров. Это обеспечивает эффект “автоматиче-
ской газовой вьюшки” /сокращает поток воздуха через печь по окончании
пламенного горения дров при переходе к тлению углей/, но создает и
затруднения из-за возможного образования конденсата при переходе к
304
Дровяные печи
Рис.341. Дымовые трубы насадные (а) и коренные (б).
Рис.343. Дымовые трубы теплоемкие кирпичные или
каменные (а), нетеплоемкие стальные (б) и нетеплоемкие
утепленные типа сендвич (в).
Рис.344. В бестяговую трубу горячий газ всплывает так же, как
струя воды падает в пустую сточную трубу.
Рис.342. Форма поперечного сечения дымо-
вого канала влияет на величину эффективного
проходного размера из-за наличия углов, в
которых движение газов заторможено.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 304

При увеличении линейной скорости восходящих дымовых газов /то
есть при появлении струйных течений/ не только возникает турбулент-
ность и усиливается эжекция, но и становятся возможными инерционные
явления, когда струи горячего дыма, набегая на преграду, могут разво-
рачиваться навстречу потоку, в результате чего горячий газ может “по
инерции” расположиться под холодным газом /рис.308/. Но разогнать
горячий дымовой газ до высоких скоростей в бестяговой трубе трудно.
В то же время уже при обычных скоростях всплытия горячих газов в
кострах 1-3 м/сек /см. также рис.166/ эжекция Хэ может приводить к уве-
личению массы движущегося газа в несколько раз. Однако, это не озна-
чает, что вся эта прибавка массы движущегося газа обусловлена “эжек-
ционной тягой”, то есть всасыванием воздуха через нижний срез трубы.
Дело в том, что в бестяговых трубах по определению имеются “пусто-
ты”, не заполненные горячими газами, причем сквозные /через всю
трубу/. В этих пустотах наряду с эжекцией возможны произвольные
течения холодного газа, в том числе и встречные нисходящие потоки
внешнего воздуха Хн, причем как сквозные, так и замкнутые циркуля-
ционные /локальные/, например, инжекционные “и” /рис.346-а/. Так что
холодный воздух на эжекцию поступает с обоих концов трубы, а не обя-
зательно только через нижний. “Эжекционная тяга” через нижний торец
дымовых трубах обычно не превышает 0,1-1Па, в то время как грави-
тационная тяга в трубах начинается с 0,1-1 Па.
Гравитационные тяговые явления в бестяговых трубах возникают при
уменьшении поперечных проходных размеров труб /при стеснении
потока дыма стенками трубы, см.раздел 3.6.1/. Тяга может образовы-
ваться через отдельные тяговые участки “h”, с оздающие транзитный
поток холодного воздуха в бестяговых участках /рис.346-б/. По гидрав-
лической модели возникновение печной самотяги аналогично появле-
нию водопроводного самонапора /см. раздел 4.2/.
Дымовые трубы
307
6.2. Бестяговые трубы
Бестяговые трубы являются настолько широкими, что на всем своем
протяжении не стесняют поток восходящих дымовых газов /рис.170/.
Такие бестяговые трубы некогда использовались в григорианских ками-
нах, а сейчас используются порой в уличных мангалах. По гидравли-
ческой аналогии такие трубы являются объектами водоводного типа и по
виду течений газа напоминают реки, водопады и пруды /рис.344/.
Однако в трубах мы имеем дело не с водой, а с горячими газами, кото-
рые при восхождении не сужаются в тонкую струю /рис.100/, а наоборот,
расширяются. Дело в том, что к всплывающим горячим газам “приклеи-
ваются” /эжектируются/ из-за вязкого трения большие массы окружаю-
щего холодного воздуха. С увеличением скорости всплытия горячих
газов пограничный слой между горячим и холодным газами турбулизи-
руется, при этом эжекция еще более усиливается /рис.147/. Течения
газов в бестяговых трубах фактически аналогичны турбулентному тече-
нию свободно всплывающего дыма над костром /рис.166/.
Увлечение холодного воздуха Хэ потоком горячего дымового газа
/рис.345/ воспринимается как “подталкивание” газов в трубе, зависящее
от скорости потока дыма, но не зависящая от высоты трубы /рис.218/. По
мере подъема вверх, общая масса восходящих газов в трубе увеличи-
вается, но их линейная скорость снижается, что воспринимается как
сопротивление подъему газов /как торможение/. При этом всплывающий
дым все сильнее “утыкается” в вышележащие затормозившиеся слои.
Взаимодействие восходящего потока дымовых газов с окружающим воздухом можно
умозрительно трактовать не только с вязкостной точки зрения, но и с инерционной.
Например, можно условно представить себе нестационарную картину /рис.121/, когда
восходящая струя дыма “утыкается” в неподвижный воздух
как в потолок /рис.106/. Струя подталкивает воздух вперед,
а сама начинает растекаться краями в стороны /раскры-
ваться/, обнажая из своей глубины новую порцию скоро-
стного осевого газа, устремляющегося на ”прорыв” непо-
движного воздуха в трубе.
306
Дровяные печи
Рис.345. В широкую бестяговую трубу /как и в костре/
холодный воздух Хэ эжектируется - увлекается потоком
горячего дымового ггаза (а), а в узкой тяговой трубе холод-
ный воздух Хт засасывается гравитационной тягой (б).
Рис.346. Развитие гравитационной тяги в
трубе: а - бестяговый режим, б - режим
появления тяги, в - тяговый режим. Г - восхо-
дящий горячий дымовой газ, Хг - холодный
воздух, поступающий в костер, Хэ - холодный
воздух, увлекаемый горячими дымовыми
газами /эжекция/, Хт - холодный воздух, увле-
каемый тягой трубы /”поршнем” горячего
газа/, Хн - холодный воздух, произвольно
перемещающийся внутри бестяговой трубы,
и - явление инжекции /см. рис.146/.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 306

Для общей ориентировки приведем результаты расчетов величины
тяги и “нормальной” линейной скорости Vx в зависимости от темпера-
туры трубы /точнее, от температуры газов в трубе/ и высоты трубы.
Величина тяги трубы Δр = (ρх - ρг)gH быстро растет с температурой,
но при 200-400оС рост затормаживается, поскольку плотность горячих
дымовых газов становится малой по сравнению с “нормальной” плот-
ностью /рис.347/. Обычная величина тяги в бытовых печах составляет 5-
20 Па (0,5-2,0 мм вод.ст.), в евростандартах принята равной 12 Па.
Величина линейной скорости газов Vx = (2Δр/ρx) 0,5 также быстро рас-
тет с температурой и также при 200-400оС наблюдается затормажива-
ние роста /рис.348/. Учет турбулентного сопротивления при входе и
выходе из трубы /то есть учет местных газодинамических потерь дав-
ления, см. раздел 2.5.4/ дает заметную поправку /пунктирная кривая на
рис.348/. Учет же сопротивления трения в трубе высотой 1 метр /как при
ламинарном течении, так и при турбулентном течении в кирпичной
трубе, см. раздел 2.5.3/ заметной поправки не дает /штрих-пунктирная
кривая на рис.344/. Характерные величины “нормальных” /пересчитан-
ных на 0оС/ скоростей в трубе составляют 2-6 м/сек. Для получения
величины объемного расхода величину линейной скорости надо пере-
множить с величиной эффективной площади канала дымовой трубы.
Обычные потребные для горения дров в печах “нормальные” /пересчи-
танные на 0оС/ расходы воздуха через печь составляют 20-200 м3/час.
Для практических оценок приведем результаты расчетов тяговых труб-
ных характеристик простейшего модельного камина романского типа
/рис.349/. Условимся, что для предотвращения выхода дыма через
проем /портал/ камина Sп в нем необходимо обеспечить расход холод-
ного воздуха /с температурой условно
0оС/ внутрь с линейной скоростью 0,25
м/сек, что воспринимается человеком как
полный штиль, но тем не менее оказыва-
ет воздействие на дым и пламена. В
таком случае, в трубе необходимо соз-
дать “нормальную” линейную скорость
Дымовые трубы
309
При этом гравитационная тяга в трубе
появляется наряду с “эжекционной тягой”. При
увеличении расхода дымовых газов бестяго-
вая труба стремится стать тяговой /рис.346-в/.
Так что правильней было бы говорить не о
тяговых и бестяговых трубах, а о тяговом или
бестяговом режимах работы дымовой трубы.
6.3. Тяговые трубы
Появление гравитационной тяги в трубе проявляется в первую оче-
редь тем, что возникает “всасывание” холодного свежего воздуха Хт в
трубу через ее нижний торец /рис.346-б/, в чем можно убедиться по
отклонению пламени свечи или спички /рис.219/. Дымовая труба начи-
нает работать ”как пылесос”, засасывающий все подряд - и холодные, и
горячие газы. В тяговых участках труб встречных потоков газов быть не
может /рис.216/. При этом может возникнуть явление, когда над движу-
щимся горячим газом может устойчиво располагаться холодный газ.
Возникновение явления гравитационной тяги отвечает появлению разрежения /пони-
жения давления относительно давления во внешней атмосфере на том же высотном
уровне/ на нижнем торце горячей трубы. Абсолютное значение величины этого разреже-
ния и назывется в официальных технических документах тягой.
В печном быту иногда уточняют, что под такой “тягой” имеют в виду “силу тяги”, посколь-
ку имеется еще и другое житейское понятие тяги как факта самого движения дымового газа
в трубе или засасывания воздуха в топливник. Скорость такого движения газов под дей-
ствием тяги в печном быту называется “скоростью тяги”. Мы же будем называть эту рас-
ходную характеристику тягового процесса просто “линейной скоростью движения газа”
или массовым (объемным) расходом газа.
Массовый расход газа строго постоянен вдоль всей тяговой трубы /по закону сохране-
ния массы в изолированном пространстве/ в отличие от бестяговых труб, где масса
всплывающего в трубе газа может возрастать за счет эжекции. Это означает, что скорости
и давления в тяговой трубе могут изменяться только локальными скачками при входе и
выходе из трубы. Внутри самой трубы “нормальная” линейная скорость Vx /то есть при-
веденная к нормальным условиям 0оС и 1атм/ сохраняется постоянной.
308
Дровяные печи
Рис.347. Расчетные зависимости тяги дымовой трубы
от температуры дымовых газов в трубе и от высоты
трубы /при температуре воздуха снаружи трубы 0оС/.
Рис.348. Расчетные зависимости линейной ско-
рости ламинарного всасывания холодного воздуха в
трубу с разной высотой и температурой. Для ори-
ентировки приведены данные расчетов с учетом
турбулентного входа и выхода газов /без учета и с
учетом вязкого трения/.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 308

эти температурные параметры сильно
разнятся для разных каминов и даже
могут сильно меняться в ходе прогрева любого камина или трубы, то
литературные рекомендации не следует считать догмой, но их можно
использовать для “исправления” работы камина, в том числе и истоп-
ником, путем изменения температуры газов в трубе [165].
6.4. Дымовая труба как дымоотвод
В вышеприведенных расчетах /рис.349-352/ в качестве исходного
условия было принято наличие потока холодного воздуха в проем ками-
на со скоростью 0,25 м/сек. Этот поток воздуха за счет тяги должен был
предотвратить выход дыма через проем камина в жилое помещение.
Но в топливниках с закрывающимися дверками такой подход к оцен-
ке необходимых параметров дымовой трубы, казалось бы, совсем не
уместен, поскольку потоков холодного свежего воздуха Х через проем
закрытой дверки порой вообще нет /рис.353/. А если эти потоки воздуха
через дверку все же имеют место, то мыслятся они либо лишь в качестве
вторичного воздуха “для дожига пламен”, либо в качестве вредых /пара-
зитных/ подсосов, бесполезно захолажи-
вающих продукты сгорания.
Дымовые трубы
311
потока газа, равную Vх = 0,25Sп/Sт, где Sп иSт - площади
проема камина и канала дымовой трубы соответственно.
С учетом условно принятого значения суммы величин мест-
ных газодинамических потерь Σξгд = 2 /см. раздел 2.5 .4/
получаем требуемое соотношение высот дымовой трубы и
площадей проема камина /рис.350/. Видно, что чем горя-
чее газы в трубе и чем больше площадь трубы Sт, тем
меньшая высота трубы требуется для создания в проеме
камина требуемой линейной скорости 0,25 м/сек. При Sп =Sт имеем
случай трубы с “нормальной” линейной скоростью 0,25 м/сек.
Сопоставим результаты подобных оценочных расчетов с имеющими-
ся в литературе рекомендациями для труб открытых каминов [114,164],
широко используемыми бытовыми печниками /рис.351-352/. Видно, что
рекомендованные кривые [114,163] являются заметно более крутыми,
чем кривые по расчетам для “идеальной трубы” с учетом лишь мест-
ных газодинамических входных и выходных сопротивлений Σξгд = 2.
Однако, для столь высоких труб 5-16 метров уже может оказаться суще-
ственным трение газов о стенки трубы /в отличие от коротких труб высо-
той 1 метр на рис.348/. Действительно, при учете трения разногласия
расчетов с рекомендациями [114,164] практически устраняются.
Рекомендации [114] хорошо соотносятся с расчетной температурой
50оС для кирпичных труб /рис.351/, а рекомендации [163] - с расчетной
температурой 80оС для гладких труб /рис.352/.
Все это означает, что имеющийся существенный разброс многочис-
ленных литературных рекомендаций по каминным трубам может быть
объяснен различиями в принятых при расчете особенностях трубы /по
форме канала, по геометрии ствола, по шеро-
ховатости стенок и т.п./, а также в подразуме-
ваемых температурных параметрах /в том
числе и изменяющихся по высоте/. Поскольку
310
Дровяные печи
Рис.349. Геометрические параметры модельного камина для рис.346-348.
Рис.352. Расчетная высота дымовой трубы
модельного камина /рис.345/ при различных темпе-
ратурах трубы и при заданных соотношениях пло-
щади трубы Sт к площади проема камина Sп: 1 -
базовая кривая сопоставления [164] - рекоменда-
ция фирмы “Шидель” для трубы диаметром 200мм,
2 - базовая кривая сравнения - рекомендация
фирмы “Шидель” для трубы диаметром 250мм, 3 -
расчет 80оС без учета трения, 4 - расчет для 80оС с
учетом трения о гладкую трубу.
Рис.350. Расчетная высота дымовой трубы модельно-
го камина /рис.345/ при различных температурах трубы и
при заданных соотношениях площади трубы Sт к пло-
щади проема камина Sп: 1 - 25оС, 2 - 50оС, 3 - 100оС, 4
-
расчет для обрезаемой на заданной высоте трубы с
исходной высотой 16 метров с исходной температурой
внизу 100оС, в середине 50оС и наверху 25оС.
Рис.351. Расчетная высота дымовой трубы
модельного камина /рис.345/ при различных темпе-
ратурах трубы и при заданных соотношениях пло-
щади трубы Sт к площади проема камина Sп: 1 -
базовая кривая сопоставления - методическая реко-
медация по строительству каминов [114] , 2 - в трубе
50оС без учета трения, 3 - 50оС с учетом трения по
гладким металлическим стенкам, 4 - 50оС с учетом
трения по шероховатым кирпичным стенкам.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 310

нуть дверку топливника, то тяга трубы продолжит высасывать из топ-
ливника “все подряд” /в первую очередь, конечно, горячие дымовые
газы, поскольку они самопроизвольно всплывают вверх непосред-
ственно к трубе/, но в основном начнет высасывать воздух через откры-
тый проем дверки топливника в том смысле, что расход воздуха через
проем Х станет много больше расхода воздуха через решетку Хр из-за
более низкого газодинамического сопротивления решетки, заваленной
дровами /рис.354/. Образование потока свежего воздуха Х означает
появление в горячем топливнике столба /колена/ холодного газа, а это
в свою очередь означает, что самотяга топливника исчезает. То есть для
бездымного открывания дверки необходимо, чтобы самотяга именно
трубы обеспечивала в проеме открытой дверки скорость приточного
свежего воздуха, равную, к примеру, условно не менее 0,25 м/сек. Для
печной дверки среднего размера 25 х 25 см это означает, что труба
должна обеспечивать приток свежего воздуха в печь с расходом не
менее 56 м3/час. В кирпичных отопительных печах на этапе активного
горения /с горячими дымовыми газами в трубе/ такие расходы являют-
ся штатными. А вот на этапе растопки кирпичных печей /а также при
медленном горении дров, особенно в режиме тления/ недостаточно про-
гретая дымовая труба может не обеспечить такие расходы даже при
полностью открытой задвижке на дымовой трубе.
При раскрытии дверки топливника разрежение в топливнике уменьшается. Снижается
и поток воздуха из поддувала, поступающий через решетку на горение дров. Но исчезнуть
полностью /без затухания дров/ этот поток не может - горящие дрова /газифицирующие-
ся за счет раскаленных стенок топливника и раскаленных углей/ продолжают засасывать
воздух Хг сбоку и снизу в компенсацию самопроизвольно всплывающих горячих дымовых
газов /рис.354/. Так что закрытие дверки поддувала
перед раскрытием дверки топливника, часто практи-
куемое в быту, скорее ограничивает скорость поступ-
ления свежего воздуха в дрова, нежели повышает ско-
рость притока воздуха в проеме открытой дверки.
Дымовые трубы
313
Однако, распахивая дверку топливника /для под-
кладывания дров или шуровки/, истопник тут же убеж-
дается, что “бесполезный”, якобы, поток воздуха Х в
открывающийся проем дверки все-таки жизненно
необходим и в печах. Именно этот поток воздуха пред-
отвращает выброс дыма в помещение при открытой
дверке топливника дыма /рис.354/. Фактически, распахивая дверку топ-
ливника, истопник превращает печь в открытый камин.
Действительно, отсутствие выброса дыма в помещение через открытую дверку топ-
ливника становится подчас самым главным требованием к бытовой дровяной печи. То
есть дымоотводящие способности порой важней тягообразующих способностей. Пусть
дрова в топливнике плохо разгораются и медленно /или, наоборот, слишком быстро/ сго-
рают, но возможность беспрепятственно раскрыть дверку топливника должна сохранять-
ся у истопника всегда. К сожалению, не все печи удовлетворяют этому требованию, осо-
бенно при растопке печи. Ведь отвести горячие дымовые газы в хайло легче /для этого
порой достаточно трубы высотой всего 5-10 см/, чем предотвратить выход дыма через
распахнутую дверку. Иногда разработчики печей идут даже на то, чтобы специально огра-
ничивать истопников в их желании открывать дверку для шуровки дров. Так, часто пред-
писывается загружать в печь сразу всю порцию дров и больше не открывать дверку топки,
хотя это может вызывать повышенный выброс вредных веществ в атмосферу, но зато
несколько повышает КПД печи и позволяет избавиться от дыма в помещение.
Что же происходит при распахивании дверки топливника? С закры-
той дверкой свежий воздух поступает в топливник за счет общей тяги
печи /в данном случае за счет суммы самотяги тяги дымовой трубы и
самотяги топливника/ через решетку под дрова /рис.353/. Свежий воздух
частично поступает в очаги горения /в микротопки/
внутри закладки дров, частично обходит очаги горе-
ния и выходят в объем топливника, частично расхо-
дуясь на горение пламен над дровами. Если распах-
312
Дровяные печи
Рис.353. При закрытой дверке топливника весь воздух поступа-
ет за счет тяги печи через решетку Хр. В топливнике образуется
разрежение, препятствующее подсосу воздуха Х.
Рис.355 . Расчетная высота дымовой трубы,
необходимая для создания потока воздуха в проеме
дверки топливника со скоростью 0,25 м/сек, при раз-
личных температурах трубы и при заданных соотно-
шениях площади трубы Sт к площади проема откры-
той печной дверки Sп, рассчитанная по формуле
(Sт/Sп)2 = 0,87(1 + Σξгд)/HΔТ при Σξгд = 2.
Рис.354. При распахивании дверки топливника холодный поток
воздуха Х устремляется в трубу, препятствуя выходу дыма в поме-
щение через открытый проем дверки. Разрежение в топливнике
исчезает, также исчезает поток воздуха через решетку Хр.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 312

чим “трубным стояком” над топкой /рис.356-а/, является более пред-
почтительной /по крайней мере для растопки/, нежели схема с началь-
ным горизонтальным участком дымовой трубы /рис.256-б/. Тем не
менее, схема /рис.356-б/ тоже зачастую применяется /в печах медлен-
ного горения, в том числе, ввиду возможных удобств монтажа трубы/.
Действительно, открывая дверку горящей печи, мы “отключаем” само-
тягу топливника, и в этом случае схема рис.356-б может оказаться не
способной предотвратить выход дыма из топливника в помещение
через открывающийся проем дверки топливника /ввиду “слабого затя-
гивания” дыма/. Дело в том, что схема дымовой трубы со стояком над
топкой /рис.356-а/ имеет более высокую тягу за счет более высокой тем-
пературы поступающих в нее дымовых газов, чем схема /рис.356-б/, в
которой дымовые газы, прежде чем попасть в вертикальный стояк,
могут сильно охладиться на горизонтальном участке.
Важность горячего трубного стояка /рис.356-а/ наиболее четко про-
является при растопке холодной печи, когда тяги дымовой трубы пока
вообще нет. При этом крайне желательно, чтобы первые же горячие
дымовые газы всплывали бы тотчас именно в вертикальный участок
дымовой трубы, который способен создать тягу /см. раздел 6.6/.
Известно, насколько большое значение в системах центрального водяного отопления
придается вертикальному стояку с горячей водой над котлом. Именно он формирует цир-
куляцию воды в замкнутой системе сообщающихся сосудов, где вторым холодным и тяже-
лым коленом является охлаждающиеся в помещении радиаторы или конвекторы.
И в системах канализации сточную трубу предпочитают сразу направлять вниз, а не по
горизонтали в сторону. Так что и в печах дымовую трубу лучше направлять сразу вверх.
Большое зачение имеет также факт охлаждения дымовых газов по
мере их продвижения по дымовой трубе. Обычно температура дымовых
газов в трубе снижается вверх экспоненци-
ально [167]. Так, например, если внизу трубы
температура дымовых газов равна 400оС, а
наверху из-за охлаждения 100оС, то средняя
температура в трубе составит 240оС, что
Дымовые трубы
315
Отношения проходных сечений дымо-
вой трубы и дверных проемов Sт/Sп в
случае печей (составляющие условно
15-50%) являются не столь малыми, как в случае открытых каминов
(условно 5-15%). По оценочным расчетам для температур в трубе 100-
200оС при низких сопротивлениях трубы порядка Σξгд = 2 необходимые
высоты труб могут составлять всего 1-2 метра, а при малых размерах
дверок могут снижаться даже до десятков сантиметров /рис.355/.
Поэтому, ситуация с дымлением через открытый дверной проем печи не
столь критична, как в случае портала открытого камина.
Согласно рис.354, для предотвращения дымления через распахивающуюся дверку топ-
ливника, в хайло должны одновременно засасываться и горячие, и холодные газы. С точки
зрения гидравлической модели это соответствует случаю, когда в сливное канализа-
ционное отверстие сливается вода, не переполняя все проходное сечение стока. То есть
в сточном отверстии должно оставаться место для воздуха. Хотя ниже сточного отвер-
стия в канализационной трубе может создаваться водопроводный режим полного пере-
крытия водой всего поперечного сечения трубы /с появлением тяги вниз/. Действительно,
если вдруг сточное отверстие переполняется, и в кухонной раковине накапливается вода
/или удерживается на определенном уровне/, это не означает, что сливная канализация
перестала работать. Просто производительность канализационного стока уменьшилась
за счет частичного засора. И подъем уровня воды в раковине повышает напор в сливной
системе, повышая производительность канализационного стока до того расхода воды,
который поступает в раковину. Но такая ситуация не считается нормальной.
Аналогичная ситуация может происходить и в топливнике печи. Если при открытии
дверки дым вьется вверху топливника и не уходит полностью в хайло, то этот режим не
может быть нормальным, поскольку случайное повышение скорости горения /например,
при обрушении горящих дров/ вызовет дымление через проем открытой дверки. Для
исправления ситуации надо увеличить расход газов трубной задвижкой /шибером/ так,
чтобы в хайло входили одновременно и горячий дым от горящих дров, и холодный воздух
из проема. Особенно критично указанное замечание для труб духовых русских печей.
6.5. Принцип горячего трубного стояка
В этом разделе будет пояснен достаточно очевидный факт, что схема
с вертикальным начальным участком дымовой трубы, то есть с горя-
314
Дровяные печи
Рис.356. Если дымовая труба идет сразу вверх
/горячим стояком/, то такая схема (а) обеспечива-
ет повышенную тягу по сравнению со случаем (б),
когда в вертикальный участок трубы попадают уже
охладившиеся дымовые газы.
Рис.357. При объединении дымовых каналов в одну
дымовую трубу необходимо избегать лобовых столкно-
вений газовых потоков, и во избежание взаимного влия-
ния рекомендуется спутное слияние газовых потоков с
помощью стояков в объединенной трубе.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 314

Бестяговый режим работы дымовой трубы /раздел 6.2/ наиболее характерен для пер-
вых моментов розжига холодной печи, пока поток горячего дыма не может заполнить все
поперечное сечение трубы. Эжекционная “тяга” вызывается увлечением неподвижного
газа движущимся газом /потоком, струей/ за счет трения /см. разделы 2.5.5 и 4.5.2/. Таким
движущимся газом может быть самовосходящий поток горячего дыма /рис.339 -б/ или
поток ветра /рис.339 -г/. Инжекционная “тяга” вызывается разрежениями, вызванными
ускоренным движением ветра /рис.339-в/, или задувами в образующиеся “воздухозабор-
ники” /рис.340/. Гравитационная же тяга обусловлена самопроизвольным /архимедовым/
всплытием горячих газов, заполняющих все сечение дымовой трубы /рис.339 -а/.
6.6.1. Первичное образование тяги при розжиге печи
Для появления гравитационной тяги необходимо заполнить холодную
трубу горячими дымовыми газами. Надежней всего это сделать с помо-
щью специального “подтопка” - дополнительной небольшой камеры
сжигания 1 в основании трубы, в которой временно /разово/ разжигает-
ся вспомогательная растопка 2 /рис.358-а/. Пламя от растопки попада-
ет при этом сразу в трубу. После появления тяги производят поджиг
основной растопки 3 в топливнике, которая разгорается в потоке све-
жего воздуха 4, обусловленного появившейся тягой /см. раздел 5.3.2/.
Чаще всего в качестве подтопка используется чистка 1 канала печи /в
месте подвертки/ с дверцей в основании трубы. В качестве растопки в
подтопке 1 обычно применяется легко разгорающаяся и быстро сго-
раемая мятая бумага, сухая лучина. Для неспешного разогрева трубы
можно использовать свечи /парафиновые или стеариновые/ и масля-
ные лампады. Можно использовать также и пламя газовой горелки.
Но наиболее распространенным методом, обеспечивающим поступ-
ление горячих дымовых газов непосредственно в трубу, является розжиг
растопки непосредственно в топливнике с использованием канала пря-
мого /холостого, летнего/ хода - отверстия из топливника в трубу, имею-
щего задвижку 5 /рис.358-б/. Ведь розжиг растопки решает обычно две
совсем разные задачи - создание тяги и воспламенение дров, и этот
метод растопки в топливнике как раз и совмещает обе эти задачи.
Канал прямого хода временно пре-
вращает канальную или колпаковую
печь в прямоточную. Иногда вместо
перекрываемого канала прямого
Дымовые трубы
317
много ниже температуры
дымовых газов при входе
в трубу 400оС. Поэтому в
формировании тяги большую роль имеет именно нижний наиболее
нагретый участок дымовой трубы. Нижний участок надо делать в виде
вертикального стояка, а уж потом можно организовывать горизонталь-
ный боров - появившаяся внизу трубы тяга “продавит” в таком случае
дымовые газы через боров /и, возможно, даже через опускной участок
при его наличии/. В качестве примера на рис.350 приведен расчет для
трубы высотой 16 метров с экспоненциальным падением температуры
/внизу 100оС, наверху 25оС/ - график 4 показывает, на какой высоте
надо “обрезать” эту трубу при заданном значении Sт/Sп для достижения
необходимой линейной скорости воздуха в проеме 0,25 м/сек.
Трубные стояки применяются также и при объединении нескольких
газовых потоков /в единую дымовую трубу/ в целях предотвращения
инерционного подавления слабого потока сильным /рис.357/.
6.6. Возбуждение тяги
До растопки печи, когда дымовая труба пока холодная /то есть тем-
пература трубы равна температуре воздуха на улице/, гравитационная
тяга отсутствует. Однако, как ни странно, в заводских инструкциях по
бытовым печам и котлам обычно предписывают проверять наличия тяги
трубы при каждом розжиге. Действительно, часто /даже при холодной
трубе/ наблюдается засасывание пламени спички в холодную трубу /или
в воздухоприемные отверстия печи/, что способствует бездымному /и,
главное, гарантированному/ розжигу печи.
Порой это засасывание воздуха в холодную дымовую трубу вызвано
тем, что в помещении теплее, чем на улице. Порой труба сохранила
повышенную температуру с прошлой протопки. А порой засасывание
вызвано наличием “тяги” за счет ветра или наличием приточной меха-
нической вентиляции /раздел 6.1/. Возможно образование при розжиге
печи и “тяг” иной природы - эжекционной и инжекционной /рис.339/.
Тем не менее, для нормальной работы современных бытовых печей
необходима именно гравитационная тяга, позволяющая протягивать
горячие дымовые газы даже по нисходящим каналам.
316
Дровяные печи
Рис.358. Методы розжига: а -
подтопком, б - прямым ходом, в
- вентилятором, г - эжектором.
Рис.359. Особенности розжига /см. текст/.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 316

ко охладившись за счет турбулентного смешения с окружающим возду-
хом /рис.166/. Поэтому дымовые газы не создают столь высоких темпе-
ратур в трубе, как в случае проникновения в трубу самих пламен.
Часть дымовых газов с смеси с воздухом поступает вниз на горение
растопки, то есть засасывается взамен всплывающих дымовых газов
/рис.359-б/. Поэтому концентрация кислорода в газах топливника посте-
пенно снижается, что и является причиной возможного затухания рас-
топки. При этом, сколько дымового газа смогло проникнуть в трубу
/вытолкнув вверх воздух, ранее находившийся в трубе/, столько свеже-
го воздуха на поддержание горения проникает в топливник /рис.359-а/.
Большая часть дымовых газов /”периферийная”/, всплывая, вообще не попадает в
дымовую трубу, а достигнув перекрытия топливника, ударяется в него /рис.359 -б/ . При
этом динамическое давление /импульс потока/ переходит в статическое давление, затор-
маживающее поток всплывающих газов всюду, кроме того места, где располагается дымо-
вая труба. Под действием этого повышенного периферийного статического давления
дымовые газы “центруются” /подталкиваются, сталкиваются/ в дымовую трубу. Этому про-
цессу препятствует инерция всплывающих потоков, под действием которой потоки могут
проскакивать мимо трубы и взвихриваться вверху топливника /беспорядочно клубиться/.
Для облегчения возбуждения тяги желательно в топливнике непо-
средственно под дымовой трубой /под хайлом, под каналом прямого
хода/ организовывать специальный карниз-подтопок для розжига вспо-
могательной растопки на глухом поде /”зубе”/ или на решетке, а после
появления тяги дымовой трубы осуществлять розжиг закладки дров
основной растопкой. Само же перекрытие топливника желательно
делать с подъемом в сторону дымовой трубы /рис.359-в/.
6.6.2. Влияние высоты расположения хайла
На процесс возбуждения тяги при розжиге печи влияет и объем /высо-
та/ топливника. Действительно, в условиях отсутствия тяги загорев-
шаяся растопка горит исключительно за счет воздуха, имеющегося в
топливнике. Горячие дымовые газы поднимаются
вверх и выталкивают сверху вниз воздух из топливни-
ка. Нисходящий воздух поступает либо в дрова /на
Дымовые трубы
319
хода делают постоянный неперекрывае-
мый канал 5 /или отверстие/ малого про-
ходного сечения, который называют “про-
гаром”. Прогар должен пропускать неболь-
шие расходы дымовых газов при растоп-
ке печи, но не должен пропускать замет-
ную долю дымовых газов на этапе актив-
ного пламенного горения печи.
Тяга может быть возбуждена также искусственно
с помощью вентилятора-дымососа 6 /рис.358 -в/, в
том числе и с регулируемым разрывом потока
/рис.321/, или с помощью эжектора со струей возду-
ха от вентилятора-воздуходувки 7 /рис.358-г/. После
надежного разгорания закладки дров и после запол-
нения трубы горячими дымовыми газами вытяжной
вентилятор может быть отключен.
Напомним, что применение вытяжных вентилято-
ров может приводить из-за чрезмерности тяги к выду-
ву /из топливника или из подтопка через дымовую
трубу/ бумаги и щепок растопки, что может представлять пожарную опасность. Выдув
может возникнуть также и на печи с горячей трубой при повторном розжиге дров растоп-
кой с “высокой парусностью” /то есть бумагой и щепками, особенно при верхнем розжиге/.
Так или иначе, розжиг растопки обычно производится в режиме пря-
моточной печи. В отличие от розжига растопки в узком подтопке /чистке/,
розжиг в широком и высоком топливнике прямоточной печи связан с
охлаждением горячих газов /пламени/ по пути непосредственно в трубу.
То есть растопка может не обеспечить возбуждение достаточной тяги.
Вследствие этого, либо загоревшаяся растопка затухает /при закрытой
дверке/ из-за нехватки воздуха /заполнив топливник дымом, но так и не
воспламенив дрова/, либо дымовые газы поступают не в трубу, а в поме-
щение /при открытой дверке/.
Горячие дымовые газы от растопки /вместе с расположенными в них
пламенами/, самопроизвольно всплывая и “раздвигая” воздух, уско-
ряются и могут достигнуть трубы /хайла, канала прямого хода/, но толь-
318
Дровяные печи
Рис.360. Различные ситуации в топливнике, воз-
никающие при растопке печи /см. текст/.
Рис.361. Отсос О1 в большей степени устраняет дымление через
распахнутую дверку топливника, чем отсос О3.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 318

выше и где дымление, поэтому, наиболее вероятно /рис.360-з/. Легко
промоделировать эту ситуацию умозрительно, представив, что из топ-
ливника, в котором циркулируют дымовые газы Ц, начинается отсос
газов “пылесосом” из различных точек по высоте /рис. 361/. При этом
становятся более ясными и газодинамические особенности течений при
наличии искусственных /специально предусмотренных по тем или иным
причинам/ “прогаров” или “сухих швов” /щелевых прогаров/.
Вообще говоря, при высоком перевале в принципе возможно возбуж-
дение тяги без участия трубы. Действительно, в процессе горения рас-
топки сначала начинает заполняться горячими дымовыми газами верх
топливника /рис.362-а/. Эти горячие газы могут сбрасываться для соз-
дания тяги в трубу через задвижку прямого хода /рис.362-б/. При отсут-
ствии же канала прямого хода горячие газы заполняют по закону
сообщающихся сосудов весь верх топливника до уровня верхнего края
дверки /рис.362-в/. Но если в правом колене располагаются исходно
холодные /или успевшие остыть/ газы, то возникает тяга за счет разных
весов колен сообщающихся сосудов. При наличии же “прогара” /отвер-
стия в перегородке/ возникают дополнительно и циркуляционные тече-
ния дымовых газов, направленные обратно в топливник /рис.362-г/.
6.6.3. Поддержание тяги при горении печи
Для возбуждения и последующего поддержания тяги в дымовую трубу
должны постоянно поступать /за счет свободного всплытия и за счет
тяги/ горячие газы, причем заполнять все поперечное сечение трубы.
Так, при отсутствии тяги в трубу действительно всплывают только
самые горячие дымовые газы /от пламен/, накапливающиеся в верхней
части топливника /рис.360-а/. Но в момент возникновения тяги в трубу
устремляются также и относительно “холодные” воздушные массы, рас-
полагающиеся в топливнике /рис.360 -б/. Но если
“столб” горячего газа /в том числе и язык пламени/
начинает контактировать со “столбом” более холод-
ного газа, то тяга будет определяться более холод-
ным газом /раздел 6.2/. И если “холодные” газы дей-
ствительно холодные, то тяга в нижней части трубы
может исчезнуть вообще /рис.363/ .
Дымовые трубы
321
горение/, либо в открытую дверку топлив-
ника /давая возможность поступления све-
жего воздуха в топливник/. Чем больше
высота топливника, тем больше воздуха
может поступить на горение растопки, тем
дольше может гореть растопка, тем толще
может образоваться слой горячих дымовых
газов Н наверху топливника, тем больше
напор топливника, выталкивающий дымо-
вые газы вверх в трубу /рис.360-а/.
Горячие дымовые газы и дым - это не одно и то же. Горячие дымовые газы /особенно
пламена/ могут сами по себе уйти /всплыть/ в трубу под действием подъемной силы. А дым
может быть холодным /например, белый дым из негорящей, но прогреваемой огнем дре-
весины/, и для его ухода в трубу требуется тяга /см. раздел 6.4/. Так что главной задачей
растопки является получение именно пламен /потоков горячих газов для возбуждения
тяги и для розжига дров/ за счет высокого качества растопочного материала. С появлением
тяги в трубу начинают уходить все газы при любом расположении хайла /рис.360-б/ .
При растопке /до момента появления тяги/ важна высота расположе-
ния верхнего края хайла, а высота расположения нижнего края хайла
может оказаться некритичной /рис.360-в,г/. Снижение высоты располо-
жения верхнего края хайла /рис.360-д/ может приводить к тому, что горя-
чие дымовые газы при отсутствии тяги вообще не могут всплыть в трубу
при открытой дверке топливника и выходят наружу /рис.360 -е/.
Поэтому в случае низкого расположения хайла иногда рекомендуют
для устранения дымления через открытую дверку устанавливать в топ-
ливнике перегородку с уровнем перевала выше верхнего уровня двер-
ки [168]. Однако ясно, что такое решение /рис.360 -з/ обеспечивает
эффект лишь при наличии тяги дымовой трубы, когда дымление через
дверку может быть, в принципе, предотвращено и при низкой перего-
родке /рис.360 -ж/, и даже при отсутствии какой-либо перегородки
вообще /рис.360-е/, за счет потока свежего воздуха, всасывающегося в
топливник через все сечение распахнутой дверки за счет тяги трубы.
Вместе с тем, чем выше перевал, тем действительно выше эффек-
тивность перегородки, поскольку при этом усиливается всасывание у
верхнего края дверного проема, то есть там, где статическое давление
320
Дровяные печи
Рис.362. Появление тяги в перевале /см. текст/.
Рис.363. В вытяжном зонте на высоте Н столб горячих дымо-
вых газов располагается в окружении холодного воздуха.
Поэтому нижний участок зонта Н не дает вклада в создание тяги.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 320

в трубе, а также взвихренности на входе в трубу, осо-
бенно в случаях каминов с широкими трубами /рис.366/.
Так, при 200оС в трубе диаметром (0,1 - 0,3)м турбу-
лентность самопроизвольно возникает уже при скоро-
стях газов (0,6 - 0,2) м/сек соответственно /рис.137/.
Таким образом, при горении прямоточной печи тяга трубы может
определяться самыми “холодными” газами, находящимися в топлив-
нике. Горячие газы самопроизвольно всплывают в среде “холодных” газов под действием
сил Архимеда даже при наличии тяги. Это приводит к тому, что восходящий поток /при
наличии в нем объемов горячих газов/ неустойчив в том смысле, что в восходящем пото-
ке возможно образование устремляющихся вверх /вперед/ “языков” горячих газов
/рис.367-а/, причем даже при однородном заполнении верха топливника горячими газами
/см., например, разделы 3.5 и 3.6.4/. И для подавления образования этих “языков” горячих
газов требуется турбулизация потока /рис.367-б,в/. При наличии же в печи дымооборотов
нет необходимости специального перемешивания горячих и холодных газов перед поступ-
лением их в трубу, поскольку в нисходящих каналах не образуются врущиеся вперед
“языкы” горячих газов, а происходит самопроизвольное перемешивание, поскольку горя-
чие газы в нисходящем потоке не ускоряются, а наоборот, тормозятся.
Ясно, что образовавшийся теплый газ не может создать столь высокую
тягу, которую мог бы создать “неразбавленный” горячий газ. С этой точки
зрения, при появлении тяги, казалось бы, полезно было бы прикрывать
задвижку на трубе /вплоть до появления признаков дымления из топ-
ливника/ с целью ограничения поступления холодного газа и повышения
за счет этого температуры газов в трубе. Действительно, простейший
опыт с вертикальной трубой над газовой горелкой кухонной плиты пока-
жет, что прикрытие верхнего торца трубы приведет к повышению тем-
пературы истекающих дымовых газов Т
/рис.366/ . Однако, тем не менее, общий
расход газа G через трубу может сни-
зиться из-за уменьшения проходного
сечения S. Действительно, роль геомет-
Дымовые трубы
323
Причину исчезновения самотяги топливника при
появлении тяги трубы можно пояснить аналитиче-
ски. В начале растопки горячие дымовые газы в
отсутствии тяги трубы, всплывая, накапливаются
наверху топливника /рис.364-а/. При этом общий
объем образовавшихся при горении /растопки и
дров/ горячих дымовых газов G(t) =[h(t)s + H(t)S]
идет на увеличение объемов горячих дымовых
газов, накопившихся в дымовой трубе h(t)s ивтоп-
ливнике H(t)S, где s иS- площади поперечного
сечения дымовой трубы и топливника соответ-
ственно /рис.364-б/ . Учтем, что G(t) = βt растет
линейно со временем t, а высота столба /путь/ сво-
бодно ускоряющегося вверх /свободно всплываю-
щего без тяги/ горячего дыма в дымовой трубе h(t)
= g[(ρo-ρ)/2ρо]t2 = g[(T-To)/2To]t2 - растет квадратично со временем, где g - ускорение
свободного падения, ρ и T - плотность и абсолютная температура горячих и холодных
газов соответственно /рис.364-в/. В таком случае получаем графический вывод о том, что
высота горячих дымовых газов H(t) сначала растет, а потом уменьшается со временем и
даже уходит в отрицательные значения /рис.364-в/. Это означает, что все горячие дымо-
вые газы уходят в дымовую трубу ивтопливнике не накапливаются /рис.360-б/.
Принятое предположение о свободном ускорении горячих газов в трубе является гру-
бым, поскольку не учитывает трение и турбулизацию потоков. Но так или иначе, извест-
но, что при возникновении тяги языки пламени могут устремляться в хайло. При этом в
трубу могут проникнуть “холодные” /относительно пламен/ газы. А такие относительно
“холодные” газы /окружающие пламена, не принимающие непосредственного участия в
химическом процессе горения и нагревающиеся только от стенок/
присутствуют в топливнике всегда, поскольку для бездымного пла-
менного горения необходим избыток воздуха /раздел 1.3.7/.
Так что для поддержания возникшей тяги горячие и
холодные газы должны где-то /предварительно или
уже в самой трубе/ перемешиваться с получением
“теплого” газа, и именно эти однородно “теплые” газы
должны постоянно заполнять трубу /рис.365/. Это
перемешивание может обеспечивать турбулентность
322
Дровяные печи
Рис.365. Для формирования тяги трубы V горячие Гихолодные
Х газы должны перемешаться на неком входном участке ΔН.
Рис.367. Восходящие горячие газы стремятся к
образованию неоднородных струйных потоков (а),
что может быть предотвращено их турбулизацией,
в том числе различного рода козырьками (б,в).
Рис.366 . Турбулентное смешение газов в дымовой камере над
дымосборником способствует образованию тяги за счет подачи одно-
родно нагретых газов в дымовую трубу камина.
Рис.364. Накапливающиеся объемы горячих
дымовых газов G(t) идут на заполнение объема
топливника H(t)S и объема дымовой трубы h(t)s.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 322

/до красного каления/ металлических дымовых труб. Вообще говоря,
расход можно ограничивать и вручную прикрытием задвижки на трубе
или дверцы поддувала, но хотелось бы, чтобы ограничение расхода
газов через печь происходило бы по возможности автоматически.
Так, например, всякого рода завихрители при входе в дымовую трубу
/рис.367-б,в/ создают газодинамическое сопротивление, быстро расту-
щее /квадратично/ со скоростью газов в трубе /см.раздел 2.5 .4/. Такие
завихрители не только ограничивают расход газов, но и заставляют
горячие дымовые газы омывать необходимые теплосъемные элементы,
причем в высокоскоростных режимах турбулентного обтекания, что
мыслится как увеличение эффективности теплосъема.
Напомним, что горячие газы, свободно всплывая, могут ускоряться -
набирать линейную скорость, то есть могут приобретать свойства инер-
ции. Это может быть использовано для закручивания газов /рис.306/
перед входом в трубу /система “Vortex” А.П .Ферингера/. Крутку можно
организовать и в крупных вихревых аппаратах типа циклона /рис.370/,
позволяющих увеличивать и сопротивление трения /О.Ю.Сотников/.
Упомянем также вопрос об ограничении влияния горячей дымовой
трубы на протопленную печь. Обычно этот вопрос решается с помо-
щью задвижки на дымовой трубе /или вьюшки/, закрываемой после про-
топки печи. Напомним, что в соответствии с СП7.13130-2013 для пред-
упреждения возможных угаров людей в помещении в трубной задвижке
должно быть предусмотрено отверстие с проходным сечением не менее
15х15мм. Предлагалось также использовать колпаковые конструкции
печей, которые даже при открытой задвижке хуже выхолаживались, чем
канальные печи /рис.188-в/. Это объяснялось эффектом “автоматиче-
ской газовой вьюшки” - неспособностью холодных транзитных газовых
потоков /из поддувала в трубу/ проникать в нагретые колпаки печи [96].
Дымовые трубы
325
рического множителя S в формуле для расхода
газа G = S[2gH(T-To)/To]0,5 является количе-
ственно более значимой, чем роль температур-
ного множителя (T-To)0,5
.
Поэтому, открытие
задвижки на дымовой трубе практически всегда приводит к росту рас-
хода дымовых газов /и к увеличению подачи воздуха на горение дров/.
В то же время именно горячие газы создают тягу в дымовой трубе, а
отнюдь не задвижка на дымовой трубе /или диаметр или высота дымо-
вой трубы/. Поэтому для поддержания достаточной тяги трубы порой
вынужденно /при необходимости/ топят печь с приоткрытой задвижкой
прямого хода или с наличием прогара из топливника непосредственно
в трубу. Достаточно высокая температура трубы важна и с точки зре-
ния предотвращения образования конденсата в дымовой трубе.
Особый интерес представляет случай отдаленного пространственно-
го расположения дымовой трубы, когда невозможно создать короткий
прямой ход из топливника непосредственно в первично разогреваемую
дымовую трубу. Имеются в виду проекты с чердачными боровами /в
городских многоэтажных домах и в деревенских избах с русскими печа-
ми/, ныне запрещенными государственными нормами пожарной без-
опасности. Отдаленные трубы ныне встречаются, например, в уличных
кухонных комплексах. Основным принципом создания и поддержания
тяги в таких проектах является организация быстропрогреваемого при
растопке стояка над печью /рис.369-г,д,е/, после которого уже возможно
создание борова /удлиненного горизонтального дымохода/ желательно
с максимально возможной высотой канала до дымовой трубы.
6.7. Технологическое ограничение трубной тяги
Выше была отмечена полезность турбулизации потоков газов при
входе в дымовые трубы прямоточных печей. Эта турбулизация пред-
отвращала образование “бесполезных” /не образующих тяги/ рвущихся
вверх языков горячих газов /в том числе и пламен/. В связи с этим обо-
значим еще одну полезную функцию турбулизации, связанную с огра-
ничением расхода газов в дымовой трубе при разгорании печи, что
могло бы предотвращать /при необходимости/ чрезмерный перегрев
324
Дровяные печи
Рис.368. Если в трубе, расположенной над газовой горел-
кой, частично прикрыть выходной торец, то температура
истекающих газов увеличивается за счет уменьшения под-
соса холодных газов Хт через нижний торец трубы.
Рис.369. Варианты вывода дымовых газов из печи в отдаленную дымовую трубу.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 324

выгорает при 300-500оС. Сажистая копоть выгорает при еще более низ-
ких температурах и даже может самовозгораться при 200-300оС.
Возгоревшись в одной точке, сажа способна выгореть во всей трубе
тлеющим фронтом с температурой до 1000оС.
Если осадки в трубе не выгорают и сами по себе не обрушиваются, то
их удаляют механически /щетками, скребками, гирями/ методами,
известными у трубочистов. Маслянисто-смолистую и сажистую копоть
можно смыть /так же как и копоть с котелков, почерневших над костром/
водными растворами соды, поташа /золы/, аммиака /нашатырного спир-
та/, жидкого стекла - конторского клея /только не для стекла/, щелочей
/в частности, каустической содой/.
Предлагаются также готовые товарные химические препараты для
удаления копоти путем закладки их в горящие дрова. Действие этих пре-
паратов основано на термическом диспергировании активных веществ
с осаждением в каналах и трубах печи, где они вступают в реакции либо
с “выжиганием” /окислением/ сажи и дегтей, либо с химическим разру-
шением связующих свойств дегтей. Причем оба указанных механизма
мыслятся применительно к высоким температурам, характерным для
дымовых труб. Так, окисление сажи интенсифицируется окислителями,
газификацией парами воды /сырая осина или сырые картофельные очи-
стки/, катализируется окислами переходных металлов или меди /которые
обычно образуются термическим разложением солей, например, сер-
нокислого железа или хлоридов меди/. Так, в частности, в быту приме-
няется известный чешский состав “Коминичек” /монохлорид меди/.
Устранение же связывающих свойств дегтей, содержащих жирные и
карболовые кислоты, осуществляют, например, омылением в щелоч-
ной среде. Для этого щелочной компонент препарата /в том числе и
пепел от горящих дров, в частности, от “сильно искрящей” сухой осины/
осаждают в трубе. При конденсации влаги /в том числе и при после-
дующей топке/ на стенках образуются щелочные растворы, взаимодей-
ствующие с жирными кислотами с образованием мыл, которые и спо-
собствуют обрушению сажистых отложений.
Например, для очистки от нагара и шлаковых наростов применяется
противонагарная химическая композиция ПХК, состоящая из поварен-
ной соли (70%), нашатыря (12%), сернокислого натрия (12%), медного
купороса (4—5%) и алебастра. Композицию равномерно разбрасывают
по горящему слою топлива. Газообразные продукты композиции в виде
белого дыма разрушают нагар и шлаковые отложения, которые при
хорошей тяге уносятся в дымовую трубу /www.vparavoz.com/.
Дымовые трубы
327
Еще более эффективным
видом “автоматической газо-
вой вьюшки” является метал-
лическая дымовая труба. В отличие от теплоемкой кирпичной печи
нетеплоемкая стальная труба быстро остывает /по окончании активно-
го пламенного горения дров в печи/, и тяга автоматически снижается.
6.8. Осадки в дымовых трубах
В дымовых трубах возможно выделение неблагоприятных осадков,
способных приводить к легочным отравлениям людей и к пожарам.
Во-первых, это вода из древесины /до 20-30% от веса дров/. Способна
конденсироваться на холодных стенках топливника и дымовой трубы, а
также на стекле дверки топки в виде прозрачных капель, слегка пахучих
из-за примесей /раздел 1.1 .4 / и “поддымливающих” затем /парящих/
при последующем испарении в ходе прогрева топливника.
Во-вторых, это маслянисто-смолистая копоть /до 5-10% от веса дров/.
Оседает /конденсируется/ в виде “дегтей” [169] - бурых на просвет жид-
костей, представляющих собой растворы смол /жирных кислот/ в маслах
/в фенолах, то есть в карболовых кислотах/. При нагреве масла /”крео-
зоты”/ отгоняются, и осадки подсыхают в сухую пленку смол /налет/.
Зачастую масла и смолы пиролиза древесины конденсируются совмест-
но с водой в виде стекающего пахучего “печного трубного конденсата”.
В-третьих, это сажистая копоть /до 1% от веса дров/. Сажистые отло-
жения бывают сухими /в том числе “лохмотьями” или пушистыми/, мас-
лянисто-жирными /увлажненными маслами и смолами/, “водянистыми”
/в виде потеков/. При высушивании маслянистая и водянистая сажа
может образовать черные твердые матово-бугристые или стеклянно-
глянцевые пластовые отложения /спеки, корки/, представляющие
пожарную опасность, но не в такой степени, как легкая пушистая сажа.
В-четвертых, это золоунос /пепел/ в количествах до 0,1% от веса дров.
Пепел бывает сыпучим /выгоревшим/ или в смеси с маслами или с
сажей. Выход пепла уменьшается при использовании глухого пода и
при предотвращении обвалов горящих в топке дров.
Маслянисто-смолистая копоть /гарь, нагар, пригар, изгарь/, известная
также в быту по копчению мясных и рыбных продуктов, испаряется и
326
Дровяные печи
Рис.370. Ограничение тяги “крут-
кой” в циклоне перед входом в трубу.
глава6 - 8 готовый макет:книга1.qxd 11.01.2014 8:51 Page 326

поверхность углей, и окружаю-
щие газы одновременно.
Выделение тепла на поверхности углей расходуется на лучистый поток
тепла с поверхности 1 /рис.371/ и на кондуктивный поток тепла /посред-
ством теплопроводности/ внутрь углей, в частности, на газификацию
древесины в глубине обугленного полена. Чем больше по величине этот
поток тепла внутрь углей на газификацию древесины /например, в слу-
чае мокрой древесины/, тем меньше тепловое излучение с поверхности
обугленного слоя. По мере прогорания полена угли на его поверхности
все больше нагреваются и все больше излучают тепла.
При поверхностном химическом взаимодействии древесных углей /пиролитического
углерода/ с кислородом воздуха образуются короткоживущие /метастабильные/ возбуж-
денные молекулы двуокиси углерода СО2* /раздел 1.3.1/. Эти возбужденные молекулы
имеют повышенный запас потенциальной энергии /в виде расширенных электронных обо-
лочек, а также в виде колебаний и вращений ядер, но могут не иметь повышенной кине-
тической энергии, то есть могут двигаться “медленно” /без повышенных скоростей/. Но
затем, при контактах /соударениях/ с поверхностью угля или с другими молекулами /в
частности, азота/, возбужденные молекулы СО2* либо раскачивают кристаллическую
решетку углерода, либо с ускорением отбрасывают от себя окружающие молекулы газа,
что воспринимается как нагрев твердой фазы /углей/ и газовой фазы одновременно.
Горючие газы образуются в глубине полена за счет нагрева древеси-
ны вышеупомянутым кондуктивным потоком тепла с поверхности обуг-
ленного слоя внутрь полена. Чем активнее горит поверхность углей
обугленного слоя, тем больше образуется газов пиролиза. Отсюда сле-
дует, что для повышения скорости горения дров /то есть для повышения
скорости газификации/ надо увеличивать концентрацию кислорода у
Теплофизика печных устройств
329
7. Теплофизика печных устройств
Печи являются теплотехническими приборами, не просто сжигающи-
ми дрова, но и полезно использующими выделяющееся тепло.
При этом печнику приходится отвечать самому себе на вопросы типа:
- где, как и в какой форме выделяется тепло,
- как тепло распространяется внутри печи,
- как тепло улавливается стенками печи,
- как тепло распространяется через эти стенки,
- как тепло затем усваивается целевым образом.
В качестве конечного результата возникает вопрос о величине коэф-
фициента полезного действия печи /как показателя эффективности/.
7.1. Механизмы первичного выделения тепла
Как уже отмечалось /разделы 1.1 и 5.7/, в печи горят не дрова, а про-
дукты их термодеструкции - горючие вещества в виде древесных углей
/остаточного углерода от пиролиза древесины/ и горючих газов /лету-
чих продуктов пиролиза древесины/. Причем механизмы тепловыделе-
ния при горении этих горючих являются совсем разными /рис.371/.
Древесные угли горят в слое “жаром” с преимущественным выходом
теплового излучения, а горючие газы горят в объеме “пылом” - пламе-
нами с преимущественным выделением потоков горячих газов.
Древесные угли /полностью обугленные или в виде угольного слоя на
поверхности горящей древесины/ горят на своей поверхности в месте
контакта с кислородом воздуха. То есть химическая реак-
ция происходит на границе раздела горючего и окислителя.
Выделяющееся тепло химической реакции нагревает и
328
Дровяные печи
Рис.371. Первичное тепло в печи выделяется из горящих углей 1 /пре-
мущественно лучистым способом/ и из горящих потоков горючих газов -
пламен 2 /преимущественно конвективным способом/.
Рис.372. Особенности подвода воз-
духа для горения дров: а - варианты
ввода воздуха в помещение, б - подо-
грев подаваемого воздуха дымовой
трубой, в - утепление канала притока
холодного воздуха зимой, г - изморозь
на полу /или на стенах/ при чрезмер-
ном охлаждении нетеплоизолирован-
ного канала морозным приточным
воздухом, д - образование контура
приточно-вытяжной вентиляции при
вводе воздуха с чердака /см.текст/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 328

помещение /сверх вентиляционного притока/. Приток технологического
воздуха мыслим по-разному /рис.372/, например, через окна и двери 1,
через стены 2 и 3, через пол 4 /из подвала/ или через потолок 5 /из чер-
дака/. При этом могут возникать технические трудности /например, в
связи с влиянием на общеобменную гигиеническую вентиляцию/, юри-
дические /правовые/ вопросы, проблемы по технике пожарной без-
опасности. Так, при подводе воздуха сверху 14 может создаваться
выстуживающий вентиляционный контур с вытяжным стояком 15, поэ-
тому при неработающем печном устройстве надо перекрывать техно-
логический приток. При необходимости приходится предусматривать
установку противопожарных клапанов в каналах притока по СНиП 41-01-
2003 для предотвращения распространения пожаров по помещениям.
Наиболее опасны в пожарном отношении подводы воздуха 6 и 7 непо-
средственно в топливник, поскольку оттуда возможны выбросы искр,
пламен, дыма. Упомянем и зимние особенности эксплуатации техноло-
гического притока. Морозный приточный воздух выстуживает каналы
12, вследствие чего на полах или стенах возможно образование измо-
рози 13. Поэтому необходимо или подогревать приточный воздух
/например, дымовой трубой 8, не допуская образования в ней конден-
сата/ или теплоизолировать каналы 9, в том числе, в глубине стен или
пола 11 /сохраняя необходимые ревизионные, прочистные или техно-
логические отводы 10/.
7.2. Лучистая теплопередача
Лучистая теплопередача является важным механизмом нагрева топ-
ливников печей. Если при растопке печи конвективные потоки горячих
газов /в том числе и пламена/ являются единственными источниками
тепла в топливнике, то затем лучистое тепло от накапливающихся углей
и нагревающихся стенок может стать преобладающим /рис.281/.
Лучистым теплом называется поток электромагнитного /оптического/
излучения в инфракрасной области спектра
/см.стр.66/, излучаемый нагретыми телами и не
видимый глазом человека [39, 40, 55, 56, 63].
Теплофизика печных устройств
331
поверхности углей обугленно-
го слоя поленьев, то есть надо
усиливать обдув первичным
воздухом именно горящих поленьев. Ясно, что обдув пламен и стенок
топливника вторичным воздухом не ускоряет горение дров.
Образовавшиеся в глубине полена горючие газы фильтруются через
обугленный слой, выходят из поленьев и горят в виде пламен - языков
огня /раздел 5.8 .1/. Поэтому можно было бы ожидать удлинения пла-
мен при усилении обдува горящих дров. Однако, повышенная подача
воздуха к поверхности поленьев, ускоряя газификацию древесины,
может одновременно ускорять и горение горючих газов, что может,
наоборот, снижать высоту пламен. Так что высота пламен зависит от
способа подвода первичного воздуха к горящим дровам. Именно поэ-
тому, пламена на решетке выше, чем пламена на глухом поде /рис.298/.
Так или иначе, мощность дровяной печи в быту традиционно регули-
руется преимущественно скоростью подачи воздуха через поддувало
или воздухозаборники в закладку дров /см. раздел 5.6/. В связи с этим
напомним, что подача воздуха из помещения в топливник требует одно-
временной подачи воздуха из атмосферы в помещение. Приток осо-
бенно важен для открытых классических очагов и каминов, где поток
воздуха в проём должен быть особенно большим для предотвращения
выхода дыма /”воздушная шторка”/. Отопление помещений открытыми
каминами сопровождается интенсивной вентиляцией помещений, что
может быть полезным в помещениях с пребыванием большого количе-
ства людей /например, ресторанов/, но совершенно неприемлемо в
небольших жилых комнатах.
При недостаточности притока воздуха, в помещении за счет тяги
трубы может возникнуть разрежение, которое не просто воспрепят-
ствует выходу дыма через трубу, но и нарушит тягу трубы, что прекратит
подачу воздуха в топливник. Это особенно актуально для помещений с
герметичными окнами и дверьми. В таких условиях для обеспечения
печей /и особенно открытых каминов/ воздухом предусматривают спе-
циальные технологические подводы воздуха с улицы непосредственно
в топку. Но поскольку печи при распахивании дверок топливника тре-
буют подачи воздуха именно из помещения /куда распахивается дверка/,
а то должен предусматриваться и технологический приток воздуха в
330
Дровяные печи
Рис.373. Пояснение особенностей
лучистой теплопередачи /см. текст/.
Рис.374. Каждый отдельный участок раскаленных углей 1
излучает лучистое тепло на стенки 2 /под телесным углом 3/. В
свою очередь каждый отдельный участок стенки 2 излучает на
угли под телесным углом 4/ и на пол за пределы камина /под
телесным углом 5/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 330

абсолютно черного тела εσТ4, то есть светимости плоской черной
поверхности во всем спектральном диапазоне в полное полупростран-
ство с поправкой на реальную степень черноты ε/см.раздел 1.3 .6/.
Так, поверхность углей 1 /как плоскость/ излучает тепло на заднюю стенку камина 2, а
задняя стенка камина 2 /как плоскость/ излучает встречно на поверхность углей 1
/рис.374/. Поскольку температура углей /обугленных поленьев/ обычно намного превышает
температуру стенок камина, то мощность облучения стенок камина /от углей/ намного
превышает мощность облучения углей /обугленных поленьев/ от стенок камина даже при
учете разницы телесных углов облучения 3 и 4.
Часто лучистый поток тепла с задней стенки камина называют “отраженным излучени-
ем”, хотя на самом деле этот поток тепла является собственным тепловым излучением
стенки, определяемый температурой стенки. Действительно, степени черноты углей и
стенок камина /керамика, сталь/ близки к единице и в видимой, и в инфракрасной области
спектра, то есть, коэффициенты отражения близки к нулю. Это значит, что излучение,
направленное углями на стенки камина, именно поглощается стенками, а не отражается,
как иногда утверждается в популярной литературе. А излучение с задней стенки являет-
ся не отраженным /”зеркальным”/, а является собственным тепловым /”диффузным”/.
В то же время, полированный алюминий, имеет низкую степень черноты и высокую
степень отражения и в видимой, и в инфракрасной области спектра, и поэтому задняя
стенка камина из полированного алюминия способна заметно отражать тепловое излуче-
ние /пока не покроется копотью/. Что касается белых защитно-декоративных красок, хоро-
шо отражающих солнечное излучение и слабо поглощающих в видимой области спектра,
то они обычно не отражают, а сильно поглощают в инфракрасной области спектра.
Излучать тепло могут не только нагретые твер-
дые поверхности, но и слои горячих газов. Если
атомы и двухатомные молекулы способны испус-
кать электромагнитное излучение /кванты/ только
в ультрафиолетовой области спектра /и иногда в
видимой/, то многоатомные /в том числе и трех-
атомные/ молекулы за счет колебательных воз-
буждений испускают и инфракрасное /тепловое/
излучение в виде спектральных полос колеба-
тельно-вращательных переходов /рис.70/.
Теплофизика печных устройств
333
Особенности теплового излучения /в части
испускания, поглощения, пропускания,
отражения/ обычно понимаются в быту на
умозрительных примерах всем хорошо
известного видимого света /излучения
видимого спектрального диапазона/ от
солнца, ламп, пламен , в том числе и при-
менительно к котлам и печам [6, 38, 41].
Так, от лучистого тепла можно отгородить-
ся /даже листом простой бумаги/, а порой
лучистое тепло можно даже отразить /как видимый свет зеркалом/.
Каждый участок раскаленных углей 1 светит на каждый участок окру-
жающих стенок 2, освещая “как фонарик” с углом раствора 3 /рис.373-а/.
При этом на воспринимающий участок 2 и на площадь поперечного
сечения светового потока S /рис.373-а/ приходится одна и та же мощ-
ность излучения. Отсюда следует, что плотность излучения /мощность
на единицу площади/ уменьшается по мере удаления от источника как
квадрат расстояния и, кроме того, зависит от угла наклона восприни-
мающей площадки по отношению к лучу распространения излучения.
Так, зимой на единицу площади Земли падает меньше лучистого тепла
от Солнца, чем летом /из-за низкого расположения Солнца над гори-
зонтом/, и поэтому зимой холоднее, чем летом.
На воспринимающую площадку 2 попадает излучение и от других уча-
стков углей. Поэтому, чтобы определить общую освещенность площад-
ки 2 надо проинтегрировать /просуммировать/ потоки излучения от всех
участков углей /рис.373-б/. А чтобы определить общую мощность
излучения слоя углей по все стороны 5 /на всю поверхность 4/, надо
проинтегрировать потоки излучения от всех участков углей по всем
углам излучения /рис.373-в/. Ясно, что мощность излучения со слоя
углей в конкретном направлении эквивалентна мощности излучения с
перпендикулярной площадки s /рис.373-в/, имеющей ту же температу-
ру, что и угли. То есть угли светят преимущественно перпендикулярно
своей поверхности, а наличие неровностей /изломов/ поверхности слоя
углей не увеличивает общую мощность излучения со слоя углей.
Поэтому при количественном анализе вклада излучения углей в энер-
гетический баланс топки используют формулу для мощности излучения
332
Дровяные печи
Рис.375. Степень черноты слоев горячих газов СО2
и Н2О [84] при оптической толщине pL = 2 атм.см,
характерной для дровяных печей /см. также рис.69/.
Рис.376. Суммарная степень черноты (а) и мощность
излучения (б) горячего газового слоя, содержащего одновре-
менно углекислый газ СО2 и пары воды Н2О /с оптической тол-
щиной компонентов СО2 иН2О по pL = 2 атм.см каждый/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 332

мен, вклад теплового излучения пламен может превышать вклад теплового излучения
углей. Так, на этапе растопки верх топки нагревается преимущественно конвективно от
горячих дымовых газов /от пламен/, а низ топки, где отсутствуют облизывания стенок пла-
менами, нагревается преимущественно от лучистого тепла пламен. И поскольку верх
топки при растопки прогревается быстрее и сильнее, чем низ топки, можно заключить,
что конвективные тепловые потоки от пламен превышают лучистые тепловые потоки от
пламен /хотя потом, по мере накопления углей, низ печи начинает прогреваться сильнее,
чем верх, за счет лучистого тепла от углей/. Во всяком случае суммарный вклад конвек-
тивного и лучистого тепла от пламен в начале горения полена превышает вклад лучи-
стого тепла от углей на полене, что фиксируется при прямых экспериментах /рис.281/.
Что касается влияния задымленности газов, то частицы белого дыма /тумана дегтей/ не
могут иметь высоких температур, необходимых для появления мощных потоков лучисто-
го тепла /так как они попросту испаряются или разлагаются/. А вот сажистые частицы
образуются именно в пламенах и светят в наиболее горячих зонах - в оболочках пламен.
Однако, степени черноты аэрозолей сажи в дровяных пламенах невелики /примерно на
том же уровне 0,1/, то есть дровяные пламена прозрачны даже в видимой области спек-
тра /а в инфракрасных областях спектра дровяные пламена еще более прозрачны/. В
наличии излучения от частиц сажи можно убедиться, поднося палец к пламени свечи в
нижней голубой части пламени и в верхней желтой части пламени. Повысить светимость
дымных пламен можно путем ввода специальных коптящих добавок в пламя /например,
ароматических полициклических/, что практикуется в промышленных теплоаппаратах.
Лучистые потоки могут не только поглощаться и отражаться, но и про-
ходить насквозь через оптически прозрачную среду /рис.377/. В общем
случае, исходный поток электромагнитного излучения Iо, падающий на
слой вещества, частично отражается Iотр /зеркально под углом паде-
ния/, частично входит в слой вещества, частично поглощаясь Iп, а
частично проходя через слой Iпр /в том числе рассеиваясь вперед и
назад в случае мутного слоя вещества/. Поэтому, в частности, если
среда очень сильно поглощает, то она не может сильно отражать. А
если среда обладает
высокой прозрачностью,
то она плохо отражает. В
качестве примера приве-
дем данные по прозрачно-
Теплофизика печных устройств
335
В условиях дровяных печей трехатомные
молекулы представлены двуокисью углерода
СО2 /углекислым газом/ и парами воды Н2О.
Парциальное давление СО2 в дымовых газах печей составляет поряд-
ка р = 0,1 атм /при обычных величинах избытка воздуха порядка двух/.
Парциальное давление паров Н2О находится примерно на том же уров-
не /см. стр.83/ . Поэтому, применительно к топкам с характерным раз-
мером L = 0,2 м, оптическая толщина слоев дымовых газов в расчете
отдельно на СО2 и Н2О находится примерно на одинаковом уровне
порядка pL = 2 атм.см = 2 кПа.м. Исходя из общепринятых величин сте-
пеней черноты газов /рис.69/, определяются характерные для дровя-
ных печей степени черноты дымовых газов по СО2 и Н2О /рис.375/, сум-
марно составляющие величину порядка (εСО2 + εН2О) = 0,1 /рис.376/.
При столь малых значениях степеней черноты характерные мощности
излучения незадымленных печных газов /рис.376/ оказываются на поря-
док меньшими, чем характерные мощности излучения раскаленных
твердых поверхностей в топке /горящих углей и стенок топки/. Но это
справедливо при равенстве температур газов и твердых поверхностей
/углей, стенок/ и в случае отсутствия задымления газов сажистыми
частицами. Так или иначе, хорошо известны высокие широкие пламена
/заполняющие объем топки в герметичных дровяных каминопечах при
малых коэффициентах избытка воздуха/, которые воспримаются “как
холодные”, поскольку не греют через стекло дверок топки /рис.272-б/.
В действительности же, температура газов может существенно превышать температу-
ру стенок, а в оболочках пламен температура газов может превышать температуру углей.
Так, например, если топка полностью заполнена /гипотетически/ незадымленными пла-
менами с температурами 1300оС, то мощность лучистых тепловых потоков в топке может
повыситься теоретически в три раза по сравнению со случаем, когда топка заполнена
незадымленными дымовыми газами с температурой 1000оС /то есть вклад лучистых пото-
ков может возрастать с 10% до 30%/. Но обычно оболочки пламен имеют малые размеры
/по сравнению с размерами топки/, а поэтому имеют небольшие оптические толщины.
Вместе с тем, в начальный период интенсивного пламенного горения дров, когда тем-
пература углей /охлаждающихся потоком пиролизных газов, см.рис.266/, а тем более тем-
пература стенок топки, могут быть значительно ниже температуры газов в оболочке пла-
334
Дровяные печи
Рис.377. Исходный поток теплового излучения Iо при набе-
гании на слой вещества распадается на зеркально отражен-
ный поток Iотр, на поглощенный Iп и на проходящий Iпр.
Рис.378. Спектральное рас-
пределение степени пропускания
термостойкой стеклокерамики
для дверок топливников печей.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 334

Если же поверхность с температурой Т1 контактирует с неограничен-
ным пространством горячего газа с температурой Т2, то строгое понятие
толщины слоя δ отсутствует из-за постепенности изменения темпера-
туры /рис.379-б/. Придется использовать математическое понятие гра-
диента температуры dT/dx, величина которого меняется от точки к точке.
В этих условиях для кондуктивного потока тепла вводится формальное
соотношение qконд= αконд(T2-Т1), где αконд - так называемый коэффи-
циент теплопередачи.
Тем не менее, можно чисто формально ввести условное понятие тол-
щины пограничного слоя δ как характерного размера переходной зоны
от холодной поверхности с температурой Т1 до невозмущенного про-
странства газа с температурой Т2 /рис.379-б/. Зная примерно реальное
значение коэффициента теплопередачи от газа к поверхности, состав-
ляющее для воздуха в отапливаемых помещениях величину порядка
αконд= 5 Вт/м2.град [170-172], можно определить примерную величину
толщины пограничного слоя /переходной зоны/ δ = λ/α = 5 мм.
7.4. Конвективная теплопередача
Неравномерно нагретый газ /рис.379/ в месте контакта газа с поверх-
ностью является гидравлически неустойчивым - нагревающийся газ
начинает самопроизвольно всплывать под действием архимедовых сил,
а охлаждающийся газ начинает тонуть. То есть на неизотермической
границе раздела возникают газовые потоки. А любой поток вещества
переносит с собой собственную внутреннюю тепловую энергию.
Теплоперенос за счет движения /конвекции/ масс вещества называ-
ется конвективным. Конвективный и кондуктивный теплоперенос сосу-
ществуют вместе. При этом величины тепловых потоков за счет кон-
векции могут многократно превышать величины тепловых потоков за
счет теплопроводности, причем при любых температурах.
Характер конвективной теплопереда-
чи во многом зависит от типа реализуе-
мого движения газов. Поэтому разли-
чают конвективную теплопередачу с
естественной конвекцией и конвектив-
Теплофизика печных устройств
337
сти стеклокерамики марки “Робакс”, обыч-
но используемой в качестве стекол в
дверках топливников дровяных печей
заводского производства /рис.378/. Там
же для сведения приведена кривая спек-
трального распределения мощности излучения абсолютно черного тела
/по формуле Планка/ для характерной температуры горения /тления/
углей на решетке 1000оС. Видно, что стеклокерамика “Робакс” /как и
обычное оконное стекло/ прозрачна в диапазоне длин волн ниже 2,7
мкм /рис.66/, что отвечает В-диапазону инфракрасного излучения
/см.стр.66/, но имеет дополнительное “окно” прозрачности в спектраль-
ном диапазоне (3,0 - 4,5) мкм. Вследствие этого стеклокерамика
“Робакс” лучше пропускает тепловое излучение от горящих углей, чем
оконное стекло.
7.3. Кондуктивная теплопередача
В любой сплошной среде при появлении перепадов температур воз-
никают потоки тепла “от горячего к холодному”. В неподвижных средах
/то есть в отсутствии внутреннего перемещения масс/ эти тепловые
потоки обусловлены колебаниями решеток твердых тел, перемещением
электронов /в металлах/, встречным движением атомов и молекул в
газах и жидкостях. Так, в частности, в неподвижном кирпиче появляет-
ся тепловой поток qконд= λΔT/L, где ΔT - перепад температуры на рас-
стоянии L. Это явление называется кондуктивным теплопереносом, а
множитель λ называется коэффициентом теплопроводности газа.
Аналогичный кондуктивный поток тепла qконд= λ(T2-Т1)/δ возникает и в
слое неподвижного газа толщиной δ /рис.379-а/.
Сразу отметим, что неподвижный газ в неизотермических зонах теплопередачи являет-
ся абстракцией, возможной только в условиях невесомости, поскольку неподвижность
неизотермического газа в земных условиях неминуемо нарушается самопроизвольным
всплытием нагретых зон газа за счет архимедовых сил /см. раздел 7.4/. Тем не менее, в
пристеночных зонах газ всегда остается неподвижным из-за вязкости, так что пристеноч-
ная теплопередача всегда является кондуктивной. Коэффициент теплопроводности непо-
движных газов очень мал, например, для воздуха λо=0,024 Вт/м.град.
336
Дровяные печи
Рис.379. Кондуктивная теплопередача через
плоский слой газа толщиной δ (а) и из полупро-
странства горячего газа к холодной поверхности (б).
Рис.380 . Над горячей горизонтальной поверх-
ностью кондуктивная теплопередача сменяется
конвективной за счет естественной конвекции.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 336

нагревов в пламенах. Так что внутри печи реа-
лизуется в основном теплоотдача с принуди-
тельной конвекцией, то есть при обдуве
поверхностей потоками горячих газов.
Естественная конвекция зарождается в ниж-
ней части внешней стенки печи. Там же
появляется и пограничный /нагретый/ слой между горячей стенкой и
холодным воздухом /рис.382/. И пока пограничный слой тонок, можно
ожидать высоких значений коэффициентов теплопередачи.
Потоки воздуха в нижней части стенки печи строго упорядоченны -
ламинарны. По мере подъема нагревающегося воздуха, ламинарный
пограничный слой δ постепенно утолщается, коэффициент теплопере-
дачи при этом уменьшается. Затем, из-за увеличения скорости подъе-
ма нагретого воздуха, спонтанно /самопроизвольно/ возникают волновые
и локонообразные неустойчивости ламинарного потока, способствую-
щие поступлению холодного воздуха непосредственно к горячей
поверхности. Это препятствует дальнейшему уменьшению коэффици-
ента теплопередачи с увеличением высоты Х.
И, наконец, на еще больших высотах, возникает неупорядоченно-вих -
ревая турбулентность, все перемешивающая в пограничном слое.
Коэффициент теплопередачи в этих условиях, как выясняется, стре-
мится к константе /см. правый график на рис.382/.
Впервые коэффициенты теплопередачи при свободной конвекции были измерены
Нуссельтом в 1909 году и выражены формулой α(ккал/м2.час.град) = 2.2(Т1-Т2)0,25
,
вошедшей впоследствии в отечественный стандарт ГОСТ 3000-45. Нуссельт экспери-
ментировал с трубкой высотой 0,5 мидиаметром 9 см при температурах поверхности 27
и 109оС. В 1924 году Юргес исследовал теплопередачу на плоской вертикальной пла-
стине размером 0,5х0,5 м (при температурах стенки 46 и 60оС и при температуре возду-
ха 20оС) и нашел для коэффициента конвективной теплопередачи в спокойном воздухе
значение α = 5,0 ккал/м2.час.град = 5,8 Вт/м2.град /рис.383/. В 1928 году Нуссельт и Юргес
провели совместные эксперименты на вертикальной пластине 0,5х0,5 м и обнаружили
наличие зависимости коэффициента теплопередачи по высоте пластины [173]:
Высота, см
0,10 0.35 1,40 5,30 25,2 28,0 42,5 47,5 48,8
α, Вт/м2.град 29,8 18,8 13,8 9,8
7,1
6,4
6,7
5,4
6,0
Теплофизика печных устройств
339
ную теплопередачу с принудительной кон-
векцией /см.раздел 3.3/.
Естественная /natural/ конвекция порож-
дается самопроизвольно при теплопере-
даче и обусловлена гравитационными
силами непосредственно в неизотермиче-
ской зоне теплопереноса. Так, например, над горячей поверхностью за
счет кондуктивного нагрева образуется горячий газ, самопроизвольно
всплывающий и уносящий тепло вверх /рис.380/.
Принудительная /forced/ конвекция порождается вне зоны теплопе-
редачи, в том числе и механическими вентиляторами. И при этом не
важно, за счет чего образовались эти внешние газовые потоки [176-177].
В теплотехнике имеются некоторые особенности трактовки естественной /свободной/ и
принудительной /вынужденной/ конвекции по сравнению с трактовкой в газодинамике
/раздел 3.3/. В газодинамике мы приняли за естественную конвекцию движение газов за
счет гравитационных сил, а за принудительную конвекцию приняли движение газов за
счет внешних механических сил. В теплотехнике же примем за естественную конвекцию
движение газов при отсутствии перемещения Vo среды вдали от теплообменной поверх-
ности /рис.381-а/, а за принудительную конвекцию примем движение газов при наличии
перемещения Vo среды вдали от теплообменной поверхности /рис.381-б/ . То есть прину-
дительная конвективная теплопередача происходит при внешнем обдуве, а естествен-
ная конвективная теплопередача происходит без внешнего обдува /в спокойном воздухе/.
7.4.1. Теплопередача при естественной конвекции
Прежде всего отметим, что естественная /свободная/ конвекция в
печах имеет место в основном на внешних стенках печи, нагревающих
воздух в отапливаемом помещении /рис.382/.
Внутри же печи газы разгоняются не за счет
нагрева от стенок /топливника и каналов/, а
за счет разрежений в топливнике и за счет
338
Дровяные печи
Рис.381. Распределение линейных скоростей газа
V(r) в пограничном слое δ в случае естественной кон-
векции (а) и в случае принудительной конвекции (б).
Рис.383. Температурная зависимость коэффициента
теплопередачи от нагретой поверхности печи в воздух
помещения по ГОСТ 3000-45 /сплошная кривая/.
Рис.382. Самопроизвольное всплытие неподвижного
воздуха, нагревающегося на горячей вертикальной
поверхности /например, на стенке кирпичной печи/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 338

реализуются ориентировочно на высотах
ниже 0,7 м от основания печи. Таким обра-
зом, переход с отечественного стандарта на
евростандарт приводит к уменьшению пас-
портной тепловой мощности печи /рис.384/.
Что касается свободноконвективной тепло-
передачи с поверхности металлических
печей, то она происходит при много больших
перепадах температур, нередко составляющих сотни градусов. При
этом преобладающую роль могут играть лучистые потоки тепла
/рис.385/. Указанные экспериментальные данные были получены на
горизонтальной стальной трубе диаметром 254 мм, нагреваемой изнут-
ри и охлаждающейся наружу в неподвижный воздух [173]. Наклон трубы
на угол 45о приводил к снижению теплоотдачи трубы на 8%. При вер-
тикальном же расположении трубы теплоотдача снижалась при темпе-
ратурах ниже 160оС (на 35%), но повышалась при температурах выше
160оС (на 15%) по сравнению с горизонтальной трубой.
Горячие газы, самопроизвольно всплывая, прижимаются к потолкам.
Поэтому, обращенная вниз /“потолок”/ горячая горизонтальная поверх-
ность свободноконвективно охлаждается в холодном газе хуже, чем
обращенная вверх /“дно”/ горячая горизонтальная поверхность (по
одним данным на 10% [173], по другим данным - вдвое [178-179]). Тем не
менее, с учетом преобладающей роли теплового излучения, можно счи-
тать, что данные по суммарной теплоотдаче, приведенные на рис.385,
с приемлемой для печников точностью можно распространить на про-
извольные ориентации нагретых поверхностей металлических печей.
Отметим, что свободноконвективная теплоотдача печи греет не весь воздух в помеще-
нии, а только воздух непосредственно у поверхности печи. Фактически, речь идет о фор-
мировании свободноконвективной струи нагретого воздуха, но только не от компактного
/точечного/ источника тепла /рис.166/, а от пространственно распределенного-протяжен-
ного /рис.167,168,216/. Затем нагретая струя перемешивается как-то /независящим от
печи образом/ с воздухом помещения, нагревая воздух, а затем и стены помещения.
Теплофизика печных устройств
341
Данные экспериментов обычно систематизируются с помощью тео-
рии газодинамического подобия, оперирующей с безразмерным числом
Грасгофа Gr = gХ3ΔT/Tν2, где g = 9,8 м/сек2 - ускорение свободного
падения, Х - высота, отсчитываемая от места начала теплового контак-
та поверхности с холодным или горячим газом, ν - кинематическая вяз-
кость, ΔT - перепад температур, T - температура пограничного слоя.
Число Грасгофа представляет собой соотношение сил инерции /за счет
разгона под действием архимедовых сил/ к силам вязкости. Поскольку
при подъеме нагревающиеся газы ускоряются, число Грасгофа посте-
пенно растет, и при значении Gr = 109 наступает турбулентность.
При малых значениях числа Грасгофа Gr < 109 коэффициент тепло-
передачи оказывается прямо пропорциональным ΔT0,25, что и принято
в ГОСТ 3000-45 и германских Технических правилах TR OL 2006.
При больших значениях числа Грасгофа Gr > 109 коэффициент теп-
лопередачи оказывается прямо пропорциональным ΔT0,33
, чтоипри-
нято в европейском стандарте EN 15250-2007 на теплоемкие печи.
Что касается высотного распределения величин коэффициента есте-
ственной конвективной теплопередачи, то экспериментальные данные
[128,174,175] для типичных условий кирпичных печей /с перепадом тем-
ператур порядка 50оС/ согласуются с данными Нуссельта-Юргеса:
Высота, см
1.5
3,2
7
15
32
70
150
320
Число Грасгофа 104
105
106
107
108
109
1010
1011
α, Вт/м2.град
14,8
11,2
10,0
8,4
7,0
5,6
5,6
5,6
В европейском стандарте EN 15250-2007 приняты величины свобод-
ноконвективных тепловых потоков со стенки кирпичной печи, равные
q(Вт/м2) = 1,2ΔT1,36
, соответствующие турбулентному режиму, который
реализуется ориентировочно на высотах выше 0,7 м от основания печи.
В отечественном же стандарте ГОСТ 3000-45 /отмененном с 1976 года
без замены/ приняты величины свободноконвективных тепловых пото-
ков со стенки кирпичной печи, равные
q(Вт/м2) = 2,56ΔT1,25, соответствующие лами-
нарному и переходному режимам, которые
340
Дровяные печи
Рис.384. Расчетные тепловые потоки со стенки кир-
пичной печи в помещение при разных перепадах тем-
ператур: 1 - qконв(Вт/м2) = 2,56 ΔT1,25 по ГОСТ 3000-45,
2 - qконв(Вт/м2) = 1,2 ΔT1,36 по европейскому стандар-
ту EN 15250-2007, 3 - лучистый поток εσ(Т14 -Т24) со
стенки со степенью черноты ε = 0,8 по EN 15250-2007.
Рис.385 . Экспериментальные данные по свободно-
конвективным тепловым потокам со стальной стенки при
высоких температурах /применительно к металлическим
печам/. Наверху - коэффициенты конвективной αконв и
лучистой αлуч теплопередачи. Внизу - мощности кон-
вективной Wконв и лучистой Wлуч теплопередачи [173].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 340

рой 400оС при температуре стенки 20оС. В
топливниках и каналах печей (из-за малых
величин отношения Х/d) турбулизация про-
исходит обычно при ХVo > 0,5. Влияние тем-
пературы на коэффициент теплопередачи
проиллюстрировано в монографии [178]. В последние годы интенсивн
развиваются численные методы расчета теплопередачи [176-177].
Принудительная конвективная теплопередача была впервые исследована Юргесом в
1924 году на вертикальной пластине площадью 0,5х0,5 м при внешнем потоке воздуха тол-
щиной 0,25 м и шириной 0,6 м снизу параллельно пластине. Температура пластины
составляла 46-60оС. температура воздуха 20оС. Движение воздуха при всех исследо-
ванных расходах обтекающего воздуха оказалось турбулентным /видимо, из-за особен-
ностей подачи/. Коэффициент теплопередачи составил α (Вт/м2.сек) = 5,8 + 4 Vo при ско-
рости потока воздуха Vo < 5 м/сек и α (Вт/м2.сек) = 7,1Vо0,78 при скоростях Vo > 5 м/сек.
Коэффициенты теплопередачи при принудительной ламинарной кон-
векции со скоростями 1 м/сек невелики и сопоставимы с коэффициен-
тами теплопередачи при естественной конвекции /рис.386/. Поэтому
такие скорости обдува /максимальные для цирку-
ляции воздуха в комнате и для толчков воздуха
от мимо проходящих людей/ не сильно изменяют
теплоотдачу кирпичных печей в помещении.
Коэффициенты принудительной конвективной
теплопередачи при течении горячих газов внутри
труб /то есть в жаротрубных системах/ имеют
несколько более высокие значения, чем в случае
плоских пластин /рис.388/ . Указанные данные
были получены при температурах горячего воз-
духа из трубопровода горячего дутья доменной
Теплофизика печных устройств
343
7.4.2. Теплопередача при принудительной конвекции
При анализе процессов теплопередачи с принудительной конвекцией
также исходят из теории газодинамического подобия, но вместо числа
Грасгофа используют число Рейнольдса Re = VoL/ν, где Vo - скорость
обтекающего /набегающего/ потока газа вдали от теплообменной
поверхности /то есть скорость обдува/, L - характерный размер (либо Х
- расстояние /высота/ от места начала теплового контакта, либо d - диа-
метр трубы), ν - кинематическая вязкость газа в зоне теплообмена.
При низких числах Рейнольдса течения ламинарны /рис.131/, и коэф-
фициент теплопередачи пропорционален (λ/L)Re0,5
. При высоких числах
Рейнольдса течения газов турбулентны, и коэффициент теплопереда-
чи пропорционален (λ/L)Re0,8
.
Считается, что турбулизация газовых
потоков на гладкой пластине длиной /высотой/ Х происходит при Re >
5.105, но на горячей пластине происходит уже при 4.104. В гладкой круг-
лой трубе диаметром d турбулентность начинается при Re = 2300, но
масштабно развивается при Re > 104.
В случае плоских вертикальных поверхностей /пластин, плит, стенок/
длиной /высотой/ X коэффициент конвективной теплопередачи равен
αлам = 2,3(Vo/X)0,5 для ламинарных режимов и αтурб = 4,1Vo
0,8X0,2 для
турбулентных режимов. Таким образом, по мере продвижения газа
вдоль пластины коэффициент теплопередачи постепенно уменьшает-
ся как в случае ламинарного, так и турбулент-
ного течения /рис.386 -387/. Указанные соот-
ношения рассчитаны для дымовых газов
“стандартного состава” /рис.80/ с температу-
342
Дровяные печи
Рис.386. Принудительная конвективная тепло-
передача на вертикальной пластине с ламинарным
пограничным слоем. Слева - форма пограничного
слоя и распределение в нем температуры. Справа
-
расчетное распределение величины коэффици-
ента теплопередачи по высоте нагревающей /или
охлаждающей/ поверхности при скорости потока
дымовых газов 1 м/сек при температуре 400оС.
Рис.388. Коэффициент принудительной конвектив-
ной теплопередачи при вынужденном течении горяче-
го воздуха в круглых трубах различного диаметра [173].
Рис.387. Зависимости коэффициента теплопередачи
от скорости движения дымового газа “стандартного
состава” /см.рис.80/ с температурой 400оС в ламинар-
ном и турбулентном режиме.
Рис.389. При набегании пламен на поверхность образуется
“тепловое пятно” с высоким коэффициентом теплопередачи
/из-за малой толщины пограничного слоя/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 342

сматривать как последовательное расположение
отдельных теплопередающих поверхностей. При
этом в твердых стенках кондуктивный тепловой поток
равен qконд = αкондΔТd = (λ/d)ΔТd , где λ - коэффициент теплопроводно-
сти твердого материала. В газовых же прослойках конвективный теп-
ловой поток равен qконв = αконвΔТD. Поскольку при стационарной теп-
лопередаче тепловой поток по тракту распространения тепла сохра-
няется qконд = qконв = q = const, то коэффициент теплопередачи через
все слои составит α-1 = Σ(αi-1), то есть q =αΔТ, где ΔТ = (Т2 -Т1) = Σ(ΔТi)
-
суммарный перепад температур. Так, увеличение теплопроводности
твердых стенок приводит к снижению суммарного перепада темпера-
тур Т3 - Т1 < Т2 - Т1 в условиях сохранения величины теплового потока.
Учет пристеночных перепадов температур /в пограничных слоях кон-
вективной теплопередачи/ важен не только с феноменологической
точки зрения. Он приводит к заметному снижению расчетных величин
тепловых потоков через твердую стенку - примерно к двухкратному в
случае теплопередачи через типичную для печей кирпичную стенку тол-
щиной “в полкирпича” /рис.391/. При этом предельно допустимая по
СНиП 41-01-2003 температура внешней поверхности кирпичной печи
90оС задает предельно допустимый тепловой поток через пограничный
слой 700 Вт/м2 при температуре в помещении 20оС. Это соответствует
в свою очередь температуре внутренней поверхности стенки топки, рав-
ной примерно 270оС, и температуре газов внутри топки, равной 300оС
/для кирпичной стенки “в полкирпича” с учетом лучистой теплопереда-
чи/. То есть, при “перетопе”, в результате повышенной /чрезмерной/ тем-
пературы стенок внутри топки, температура на внешней стороне сте-
нок печи может повыситься выше уровня в 90оС, допустимого по гигие-
ническим показателям /что, кстати, и отмечено в СНиП 41-01-2003/.
Подобного рода оценки вселяют порой надежду на возможность
нагрева печью вторичного воздуха ВВ до высоких температур через
шамотную стенку. Так, например, вторичный воздух ВВ из поддувала
часто пропускают через зазор (2 - 6) см между кирпичной стенкой печи
толщиной “в полкирпича” и шамотной футеровкой топливника 1 толщи-
ной “в четверть кирпича на ребро”, а затем выпускают в нагретом
Теплофизика печных устройств
345
печи (100-700)оС и при температурных
перепадах (20-350)оС. Зависимости от
температуры выявлено не было. При
установке на входе в трубу завихрителя
потока, коэффициент принудительной
конвективной теплопередачи может уве-
личиваться в полтора раза [173].
При обдуве поверхности струей горячего газа [178], теплопередача становится неодно-
родной, изменяющейся от точки к точке /рис.389/. Особым случаем является набегание на
стенку пламен, поскольку оболочки пламен - это не просто горячий газ, а химически реа-
гирующий газ, что усиливает нагрев поверхности [182-183]. За счет высокой температуры
(до 1600оС) и повышенных скоростей всплытия, локальные тепловые нагрузки от пла-
мен на стенки /например, на омываемые ребра кирпичей или на стальные регистры котла/
могут достигать (50-100) кВт/м2. Конвективные же тепловые потоки от турбулентных горя-
чих (с температурой до 1000оС) дымовых газов составляют /столь же ориентировочно/ до
(10-30) кВт/м2, а лучистые тепловые потоки от горящих углей (50-200) кВт/м2. Поэтому
“облизывающие” пламена используются для нагрева чугунных кухонных плит и каменок
банных печей, но счет появления недожега углеводородов /черных дымлений/.
7.5. Стационарная теплопередача
Тепло в печах может распространяться через многослойные ограж-
дающие конструкции, содержащие твердые стенки /кирпичные, метал-
лические/ и газовые прослойки /рис.390/. Используя понятие коэффи-
циента теплопередачи, многослойную
теплопередающую схему можно рас-
344
Дровяные печи
Рис.390. Пространственное распределение тем-
пературы в слоях с твердыми стенками толщиной
d и с газовыми прослойками толщиной D [6].
Рис.392. Принципиальная схема нагрева вторичного воздуха в
зазоре многослойной стенки топливника: 1 - шамотная стенка, 2 -
вторичный воздух, нагретый в зазоре и истекающий через отвер-
стия в топливник, ПВ - первичный воздух из поддувала через
колосниковую решетку, ВВ - вторичный воздух из поддувала.
Рис.391. Расчетные тепловые потоки через
кирпичную стенку толщиной 0,12 м /то есть “в
полкирпича”/: а - расчет без учета наличия
пограничного слоя, б - расчет с учетом наличия
пограничных слоев с коэффициентом конвек-
тивной теплопередачи α = 10 Вт/м2град.
Приняты коэффициенты теплопроводности:
для красного глиняного кирпича 0,46 Вт/м.град,
для шамота 0,70 Вт/м.град и для бетона на гра-
вии 1,5 Вт/м.град. Все расчетные оценки выпол-
нены без учета лучистого теплопереноса.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 344

Что касается предполагаемой порой полез-
ности охлаждения шамотной футеровки вто-
ричным воздухом, то это соображение требует
экспериментальных подтверждений, поскольку наряду со снижением
температуры футеровки усиливается неоднородность ее нагрева, что
повышает вероятность хрупкого разрушения шамота /см. раздел 7.9/.
7.6. Теплоаккумуляция
Распределения температуры на рисунках 390 и 393 были изображены
с наличием горизонтальных участков /плато/ в центре газовых прослоек.
Предполагалось, что происходит передача тепла с твердой поверхности
в объемный газовый массив, имеющий определенную температуру, при-
чем толщина пограничных слоев мала. В то же время, наличие плато
отвечает нулевому градиенту температуры, то есть отсутствию кондук-
тивного и конвективного тепловых потоков через газовую прослойку.
Возникающее противоречие объясняется тем, что нагревающийся у
горячих стенок газ начинает самопроизвольно всплывать под действи-
ем архимедовых сил и при этом уносит все проникшее в газ тепло вверх,
а не передает его вбок. Поэтому ситуацию надо рассматривать с учетом
поведения свободноконвективных газовых потоков. В частности, при
бесконечно высоких вертикальных стенках пограничные слои δ в зазо-
ре становятся тоже бесконечно широкими и каким-то образом взаимно
перекрываются /с потерей самого понятия пограничного слоя/. А при
конечной высоте вертикальных стенок тепло действительно либо не
распространяется по горизонтали /в прослойках, отрытых сверху и
снизу в свободное пространство/, либо все же распространяется, но в
ходе циркуляции газовых потоков в замкнутых прослойках /как на
рис.193-б/. То есть процесс теплопереда-
чи через газ сопровождается процессами
нагрева массовых потоков газа.
Теплофизика печных устройств
347
состоянии в верхнюю часть топливника
2 /рис.392/. Однако, более целесообраз-
но использовать для нагрева вторичного
воздуха тонкую металлическую футе-
ровку. Этот случай соответствует случаю
бесконечно большой теплопроводности твердой стенки, когда стенка
практически не создает перепада температуры, в частности, когда стен-
ка является стальным листом /рис.393/. Отметим, что даже такая “бес-
конечно проницаемая” для тепла металлическая стенка оказывает
сопротивление потоку тепла за счет наличия пограничных слоев.
При максимально достижимой в дровяных печах температуре на внутренней /обра-
щенной к дровам/ стенке шамотной футеровки 1000оС, расчетный тепловой поток через
шамотную футеровку составляет примерно 5,4 кВт/м2. Причем это справедливо во всем
диапазоне температур воздуха в зазоре 0 - 500оС из-за повышения коэффициента теп-
лопередачи /с шамота в зазор/ до значений 25-40 Вт/м.град с ростом температуры /в том
числе и за счет лучистой составляющей, см. рис.385/. Из указанного теплового потока 5,4
кВт/м2 примерно 2,2 кВт/м2 идет на нагрев воздуха ВВ, а 3,2 кВт/м2 проходит транзитом
на стенку печи в виде лучистого потока. Сколько газа успеет нагреться тепловым потоком
2,2 кВт/м2 фактически определяется площадью теплового контакта нагретого шамота с
воздухом ВВ. При площади теплового контакта 0,5 м2 можно нагреть горячим шамотом 20
кг/час воздуха ВВ до температуры 200оС или 6 кг/час воздуха до температуры 600оС.
Такое количество воздуха вполне способно пропустить воздухоподающее отверстие про-
ходным диаметром 50 мм при типичном разрежении в топливнике 4 Па (по германским тех-
ническим правилам TROL-2006). Это достаточно большие расходы, поскольку стехио-
метрическая потребность воздуха составляет 4,8 кг на 1 кг сжигаемых дров /см.раздел
1.5/. То есть нагрев через шамотную футеровку мог бы быть в принципе применен, при
необходимости, даже для подогрева первичного воздуха.
Однако, температура 1000оС реализуется в топках далеко не всегда. И кроме того, теп-
ловая волна в шамотной стенке достигает зазора лишь через полчаса, и еще час-полто-
ра может потребоваться для прогрева до 600оС. И в этом заключается основная пробле-
ма, поскольку горячий вторичный воздух ВВ необходим фактически лишь при недоста-
точно горячей топке, то есть именно на начальном периоде разгорания дров для испаре-
ния белого дыма. Так что применения схемы нагрева вторичного воздуха ВВ с помощью
применения шамотной футеровки, требует обоснования в каждом конкретном случае.
346
Дровяные печи
Рис.393. Пространственное распределение тем-
пературы при конвективном теплопереносе через
газовые прослойки между листами металла.
Рис.394. Пространственное распределение темпера-
туры T в слое твердого материала: а - при неизменном
тепловом потоке q, б - при неуклонно уменьшающемся
тепловом потоке, то есть с теплоаккумуляцией.
Рис.395. Изменение распределений температуры
при прогреве модельной многослойной системы.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 346

отапливаемого помещения/ поверхность кирпичной стенки тепловой
поток не должен превышать по гигиеническим нормам 0,5-0,7 кВт/м2.
Теоретические соотношения по динамике нагрева кирпичных стенок численно форму-
лируются через безразмерный параметр - через число Фурье Fo = at/x2 = λt/Cpρx2, где a
-
коэффициент температуропроводности [127]. Так, кривые на рис.396 можно пересчи-
тать на любой другой материал /см., например, рис.275/. Тепловая волна пронизывает
пластину толщиной х за время, отвечающее числу Фурье Fo = 0,05. Для кирпича это соот-
ветствует времени примерно 1 час для толщины стенки 12 см. После этого температура
на внешней стороне стенки начинает постепенно повышаться. На практике обычно счи-
тается, что с учетом постепенного разгорания дров внешняя сторона печной стенки тол-
щиной “в четверть кирпича” начинает нагреваться через 0,5 часа после начала протопки,
толщиной “в полкирпича” - через два часа, толщиной “в три четверти кирпича” - примерно
через 3,5 - 4,5 часа, толщиной “в кирпич” - примерно через 6-8 часов.
После окончания протопки печи, тепло, запасенное в стенке, начина-
ет перераспределяться “свободным образом” /”выстаивается”/, то есть
достигнутое распределение температуры /одно из приведенных на
рис.396/ начинает “расплываться”, пытаясь “усреднить тепло” по всему
объему кирпича /рис.397/. Так, с постепенным снижением температуры
внутри печи /например, в топке/ температура на внешней стороне стен-
ки печи, наоборот, продолжает повышаться и может даже превысить
предельно допустимую по СНиП 41-01-2003 температуру 90оС.
7.8. Теплообмен в зернистом слое
Примером нестационарной теплопередачи является нагрев зерни-
стого слоя [121], например, камней в проточной каменке банной печи.
Поток горячего газа, проникая через решетку 5 в изначально холодную
каменную засыпку из камней 4 /или чугунных чушек/, постепенно осты-
вает, поскольку отдает свое тепло камням в ходе процессов конвектив-
ной теплопередачи /рис.398/. Такая ситуация аналогична охлаждению
газа в длинном канале, где температура газа Тг и температура стенок Тк
тоже падают по тракту течения, при-
чем именно вследствие теплообмена.
Теплофизика печных устройств
349
Процесс, когда тепло не передается
/целиком/ через слой транзитом, а рас-
ходуется /пусть частично/ на разогрев теплопередающего слоя, назы-
вается теплоаккумуляцией. В вышеприведенном примере тепло шло
на разогрев газа. В случае же твердых тел, где конвективные потоки
отсутствуют, тепло идет на разогрев неподвижного массива /рис.394/.
7.7. Нестационарная теплопередача
Характерным признаком теплоаккумуляции является наличие про-
странственных изменений теплового потока q, равных произведению
локальных значений коэффициентов теплопроводности λ на градиенты
температуры dT/dx (рис.394). Изменения тепловых потоков q2 - q1 =
λ2(dT2/dx) - λ1(dT1/dx) = СрρΔТ идут на разогревы ΔТ твердого массива.
Разогревы /как явления повышения температуры теплопередающих
сред/ относятся к нестационарным процессам, то есть к изменяющимся
/неустановившимся/ во времени. Значит, и процессы теплопередачи,
связанные с теплоаккумуляцией, являются нестационарными /рис.395/.
К наиболее важным нестационарным процессом теплопередачи в
печах является прогрев кирпичных стенок топливника и каналов кон-
вективной системы. Поскольку при этом происходит аккумуляция тепла
в стенках печи, то массивные кирпичные печи называются теплоемкими.
Изначально холодные кирпичные стенки печи начинают нагреваться
изнутри с постепенным распространением волны тепла вглубь массива
кирпича /рис.396/. Теплотехнический расчет в предположении мгновен-
ного нагрева внутренней стороны кирпичной стенки показывает, что
температурный профиль из круто падающего постепенно переходит в
плавно падающий. При этом тепловой поток через внутреннюю поверх-
ность кирпичной стенки сначала оказывается очень большим /35 кВт/м2
через 1 минуту теплового воздействия с температурой 500оС/, а затем
постепенно снижается /до 2,3 кВт/м2 через 240 минут теплового воз-
действия с температурой 500оС/ из-за “труднодоступности” глубинных
слоев кирпича для распространяющегося тепла. Тем не менее и “столь
малая” величина теплового потока 2,3 кВт/м2 является весьма значи-
тельной, поскольку через внешнюю /наружную, обращенную в сторону
348
Дровяные печи
Рис.396. Распространение тепла в кирпичной
стенке. Приведены профили температуры в раз-
ные моменты времени /в минутах/ после тепло-
вого контакта со средой с температурой То.
Рис.397. Перераспространение тепла в кир-
пичной стенке после прекращения поступления
тепла в стенку слева /см.рис.396/. Показано
качественное изменение профиля температу-
ры to в последующие моменты времени ti.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 348

Кондуктивная теплопроводность камен-
ки λконд зависит от теплопроводности
материала камней λт и от теплопроводно-
сти газа λг, а также от пористости слоя
камней ε как отношения объема пустот /объема газовой фазы/ к обще-
му объему слоя /сумме объемов твердой и газовой фаз/. При типичной
пористости ε = 0,5 теплопроводность каменки в сто раз меньше тепло-
проводности материала камней /рис.400/. Если камень, например, типа
габбродиабаза /базальта/, имеет коэффициент теплопроводности на
уровне 3,5 Вт/м.град, то каменка будет иметь коэффициент теплопро-
водности на уровне 0,035 Вт/м.град. То есть каменка будет представ-
лять собой эффективный утеплитель типа минеральной ваты.
Наличие потоков газа между камнями может приводить к дальнейше-
му выравниванию температур внутри каменки /как и в случае мине-
ральных ват/, поскольку сам газ является транспортирующим агентом,
нагревающимся в горячих зонах и охлаждающимся в холодных зонах.
Потоки газов могут быть как принудительными /при продуве газов через
проточную каменку/, так и свободно-конвективными /при самопроиз-
вольной циркуляции газов в контейнере непроточной каменки/. Так, сво-
бодноконвективные движения газа в непроточной каменке /то есть внут-
ри камней в контейнере/ приводят как-бы к увеличению коэффициента
теплопроводности каменки λ = λконд + λконв на величину λконв, про-
порциональную числу Грасгофа, квадрату высоты слоя, квадрату пори-
стости и обратно пропорционально квадрату размера зерен [121].
Теплофизика печных устройств
351
Однако теплообмен в зернистом
слое намного более сложен, чем теп-
лообмен в трубах и даже в извили-
стых каналах /хотя последние зачастую используются для моделиро-
вания течений в пустотах между камнями/. В зернистом слое, помимо
конвективного нагрева камней 4 горячими газами 1 /рис.398/, происходят
процессы перераспределения тепла в самой каменке путем кондуктив-
ной теплопередачи через точки контакта камней 2 [180] и лучистой теп-
лопередачи 3 через газовые прослойки-пустоты [181]. Эти процессы
перераспределения тепла способствуют выравниванию температурных
полей в каменке. Если без перераспределения тепла профиль темпе-
ратуры в каменке имеет резкопадающий вид Тк-, то с перераспределе-
нием тепла стремится к плавнопадающему виду Тк+ = const. Так что,
тепло “по камням” может распространяться быстрее, чем “через газ”.
Камни нагреваются в потоке горячего дымового газа постепенно /теп-
ловой волной/ от внешней поверхности вглубь так же, как нагревается
кирпичная стенка /рис.396/ . Скорость нагрева камней зависит от их
формы и размера. Шарообразные камни нагреваются быстрее, чем
плоские в том смысле, что шары диаметром d нагреваются быстрее,
чем цилиндры диаметром d или плиты толщиной d /рис.399/, поскольку
шары нагреваются со всех сторон. Чем мельче камни, тем быстрее они
нагреваются - увеличение размера камней вдвое приводит к увеличению
времени нагрева камней вчетверо. Причем это касается и времени про-
хождения тепловой волны до центра камня, и времени дальнейшего
прогрева камня в центре до температуры внешней газовой среды.
Нагреву камней может препятствовать
теплоотвод на ограждающие стенки камен-
ки. При размере камней много меньшем,
чем размер каменки, теплоотвод /то есть
теплопередача от камня к камню в направ-
лении к стенке/ может пониматься как про-
цесс теплопроводности в сплошной среде.
350
Дровяные печи
Рис.399. Темп подъема температуры в центре нагре-
ваемого снаружи шара, цилидра и плиты определяет-
ся числом Фурье Fo = at/x2 /см. раздел 7.7/.
Рис.398 . Разогрев слоя гранулированного
материала, например, нагрев камней в фильт-
рующей каменке банной печи /см. текст/.
Рис.400. Коэффициенты кондуктивной теплопро-
водности зернистого слоя λконд /через газ и точки
контакта камней/ в зависимости от коэффициентов
теплопроводности материала твердых зерен λт и
газа λг при различных пористостях слоя ε [121].
Рис.401. Температурные зависимости коэффициен-
та теплопроводности зернистого слоя с пористостью,
равной ε = 0,5: 1 - кондуктивная теплопроводность
каменки из кусков базальта, 2 - кондуктивная тепло-
проводность каменки из кусков углеродистой стали,
3-6
-
лучистые теплопроводности каменки из кусков
материала любой природы /со степенью черноты, рав-
ной единице/ с размером кусков 0,5 см (кривая 3), 1 см
(кривая 4), 2 см (кривая 5) и 5 см (кривая 6).
Эффективная теплопроводность слоя складывается
из кондуктивной и лучистой составляющих [6].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 350

Наиболее известным случаем целевого преобразования лучистых
тепловых потоков в конвективные тепловые потоки является экраниро-
вание металлических нетеплоемких печей /рис.168/. Лучистые тепло-
вые потоки, обозначенные волнистыми линиями, испускаются раска-
ленными стенками печи 1 и поглощаются ближайшим металлическим
экраном 5, представляющим собой ”кожух” печи /рис.402-в/. В результате
поглощения излучения ближайший экран 5 нагревается и начинает кон-
тактно нагревать окружающий воздух, который самопроизвольно всплы-
вает вверх, образуя горячие конвективные потоки. Нагретый экран 5
испускает собственное тепловое излучение как на поверхность печи
/назад/, так и на следующий экран 6, на котором происходят аналогич-
ные процессы образования горячих конвективных потоков.
На рис.402-в приведены расчетные величины тепловых потоков и тем-
ператур, откуда видно, что внешний экран 6 остается практически
холодным [6]. При необходимости можно ввести дополнительные экра-
ны. Можно использовать экраны и из других негорючих материалов, в
частности, стеклокерамических, обеспечивающих частичную прозрач-
ность для наиболее коротковолновых ИК-излучений. Для нагрева пола
мощными лучистыми потоками со стенки печи, экраны /кожухи/ можно
изготавливать жалюзийными /рис.402-г/ или наклонными /рис.402-д/.
Преобразование конвективных тепловых потоков в лучистые тепловые
потоки происходит, в частности, внутри печи в полостях и каналах, когда
горячий газ нагревает стенки, которые начинают испускать лучистое
тепло /рис.403/. Для эффективного нагрева стенок они должны быть
малотеплоемкими и теплоизолированными, фактически футерованны-
ми термостойким утеплителем. Например, поток горячих дымовых газов
3 может нагревать некую специальную приосевую металлическую пла-
стину 2, температура которой может быстро и значительно превысить
температуру теплопроводных теплоемких стенок 1 /рис.403-а/. При этом
лучистый тепловой поток 4 будет способствовать более быстрому разо-
греву стенок канала 1.
Если печной колпак /в виде
широкого и высокого перевала
в канальной системе/ теплоизо-
лирован 6, то поверхность теп-
лоизоляции неизбежно нагрева-
Теплофизика печных устройств
353
При высоких температурах начинают играть
роль лучистые механизмы теплопередачи
между камнями /поз.3 на рис.398/ . Ясно, что
лучистый теплоперенос усиливается, если
появляется возможность распространения теп-
лового излучения на большие расстояния, то
есть из максимально нагретых зон сразу в
более холодные /минуя многочисленные пере-
излучения в среде с малыми пробегами
излучения/. Формальный “коэффициент лучи-
стой теплопроводности” определяется из соот-
ношений qлуч = σТ4 - σ(Т - ΔТ)4 = σТ3dΔТ/Δх =
λлуч ΔТ/Δх. Это значит, что лучистая теплопро-
водность возрастает с увеличением темпера-
туры камней T, размеров зерен d и пористости
зернистого слоя ε /то есть длины пробега излучения/, в отличие от кон-
дуктивной теплопроводности через точки контакта камней /см. рис.400/.
Так, при пористости ε = 0,5 лучистая теплопроводность становится пре-
обладающей уже при 100-200оС для камней с размером 2-5 см.
7.9. Преобразование тепловых потоков
Как уже отмечалось, конвективные тепловые потоки могут преобра-
зовываться в кондуктивные и наоборот /рис.390/ . В свою очередь, кон-
вективные и кондуктивные тепловые потоки могут преобразовываться в
лучистые /и наоборот/.
Смена механизма распространения тепла вполне обычна и обыденна, хотя зачастую
воспринимается как особый “уход тепла” в противовес понятию “отражения тепла”.
Так, уменьшение теплового потока с горячей поверхности 1 за счет наложения слоя
теплоизоляции 2 в быту часто связывается с “отражением тепла” в том смысле, что часть
ушедшего с поверхности тепла якобы возвращается утеплителем обратно 3 в поверх-
ность 1 /рис.402-а/. С этой точки зрения “утеплитель греет” якобы неким возвратом тепла,
а не сокращением скорости ухода тепла за счет сниженной теплопроводности.
Примерно так же понимается “отражение тепла” и в случае лучистых потоков. Уходящее
лучистое тепло qлуч частично компенсируется тепловым излучением окружающей среды,
например, нагретой пластины 4 /рис.402-б/. Этот встречный лучистый поток понимается
порой как именно “отраженный” qотр, хотя обязательной признак “зеркальности отраже-
ния” совсем отсутствует. В то же время отвод тепла с поверхности 1 излучением /а не
кондуктивным механизмом/ воспринимается порой как явно невозвратный “уход тепла”.
352
Дровяные печи
Рис.402. Преобразование тепловых потоков /см.текст/.
Рис.403. Преобразование тепловых
потоков /см.текст/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 352

Так, выделяющееся в топке тепло
Wo может тратиться, в частности, на
нагрев теплоемких стенок q1 /на теп-
лоаккумуляцию/, на нагрев проточ-
ной /фильтрующей/ каменки q2, на
нагрев непроточной каменки в кон-
тейнере q3, на нагрев духовки q4
/хлебной камеры/, на нагрев вароч-
ной плиты q5, на нагрев помещения
теплыми теплоемкими стенками печи q6, на нагрев помещения раска-
ленными нетеплоемкими стенками печи q7 ит
.
п. /рис. 404/.
Соответственно, мгновенные /текущие/ численные соотношения qi/Wo
представляют собой составляющие КПД в части различных функций.
Остатки тепла Wk =(Wo - Σqi) печью не усваиваются и выбрасываются
в атмосферу. Общий мгновенный КПД системы составляет Σqi/Wo.
Коэффициенты полезного действия выражаются исключительно в энергетических еди-
ницах. Коэффициенты полезного действия являются чисто техническими характеристи-
ками, относящимися строго к конкретной конструкции и конкретному приему протопки
печи. Величины КПД определяются формально /по неким нормативным или договорным
методикам измерений/ и могут отличаться в разных странах и в разных организациях.
Во-первых, ясно, что мгновенные отношения qi/Wo не остаются
постоянными во времени и меняются в ходе протопки печи. В результате
общий мгновенный КПД печи Σqi/Wo тоже меняется во времени. Значит,
чтобы охарактеризовать теплотехнические способности печи неким
единым /например, суммарным за период протопки или за сутки/
значением КПД, мгновенные значения Σqi/Wo приходится усреднять
неким способом /возможно, не совсем корректным/.
Во-вторых, КПД уменьшается в ходе протопки печи ввиду нагрева
внутренних стенок и сокращения тепловых потоков на теплосъемные
элементы. Это означает также, что при протопке нагретой печи КПД ока-
жется ниже, чем при протопке исходно холодной печи. Напомним, что
отечественный стандарт ГОСТ 2127-47 определял КПД применительно
к печам, постоянно прогретым в режиме “натопа”, а европейский стан-
дарт EN 15250 - применительно к печам, предварительно не нагретым.
Теплофизика печных устройств
355
ется и испускает лучистое тепло вниз. Аналогичные явления происходят
в канальных системах, где часть стенок в дымооборотах может быстро
и сильно прогреваться и подогревать другие стенки лучистым теплом.
7.10. Коэффициент полезного действия
Дрова в топливнике сгорают, как правило, не полностью. Так, некото-
рая часть дровяного топлива /до нескольких процентов/ остается в
топке /или в зольнике/ в виде недогоревших углей. Еще несколько про-
центов дровяного топлива теряется в виде несгоревшего белого дыма
/дегтей/ и черного дыма /сажи/. Эти энергетические потери учитывают-
ся “коэффициентом полезного действия топливника” /ГОСТ 2127-47/.
В свою очередь, тепло от сгоревших дров улавливается в печи тоже не
полностью. Часть тепла “бесполезно” выбрасывается в виде горячих
дымовых газов в атмосферу. Эти энергетические потери учитываются
“коэффициентом полезного действия конвективной системы”. Сразу
заметим, что “бесполезное тепло” все же полезно тем, что выполняет
жизненно важную функцию нагрева дымовой трубы для формирования
гравитационной тяги. И при чрезмерном сокращении количества “бес-
полезного” тепла можно получить дымление печи
или даже полную неработоспособность печи ввиду
нехватки воздуха на горение дров в топливнике.
Коэффициентом полезного действия (КПД) печи
называется отношение количества “полезного”
тепла /то есть утилизируемого неким целевым обра-
зом/ к “общему” количеству тепла /равному факти-
ческой теплотворной способности заложенных в
печь дров/. КПД печи равен произведению коэффи-
циента полезного действия топливника и коэффи-
циента полезного действия конвективной системы. В
свою очередь коэффициент полезного действия
конвективной системы может быть условно подраз-
делен на многочисленные целевые коэффициенты
полезного действия, например, в части функций
отопления, горячего водоснабжения, приготовления
пищи на варочной плите и т.п. /по ГОСТ 9817-95/.
354
Дровяные печи
Рис.404. Энергетические составляющие qi общего количества
тепла Wo, выделяющегося при горении дров.
Рис.405. Пример временной зависимости
мгновенных значений КПД печи и коэффици-
ента избытка воздуха в ходе протопки [184].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 354

Так, например, в цилиндрическом канале
длиной L и диаметром d теплоотдача в
стенку равна q = α(πdL)(Tг - Tс), а тепловая мощность газового потока с теплоемкостью
Cp, с плотностью ρ ислинейной скоростью V равна Wo = Cpρ(πd2)VTг . В таком случае
КПД канала равен q/Wo = А(α/d)(L/V), где А1 = (Тг - Тс)/ТгCpρ. Отсюда следует, что КПД
канальной системы повышается при уменьшении диаметра канала d, при увеличении
длины канала L и уменьшении линейной скорости V. То есть, КПД канальной системы
повышается при увеличении времени пребывания дымовых газов в канале t = L/V.
Однако, при ламинарной принудительной конвекции коэффициент теплопередачи α
зависит от линейной скорости и от длины канала αлам = 2,3(V/L)0,5 /см. раздел 7.4.2/.
Поэтому КПД канальной системы в этом случае равен q/Wo = А2(α/d)(L/V)0,5 и пропор-
ционален корню квадратному из времени пребывания горячих газов в канале t0,5
.
Что касается полостных систем, то их можно условно рассматривать как расширение
канала. Если имеются последовательные участки трубы с разными диаметрами, то по
тракту течения сохраняется не линейная скорость газа, а его массовый поток G = ρ(πd2)V.
Тогда КПД пропорционален q/Wo = А3αdL/G, то есть КПД растет с увеличением диаметра
трубы /то есть в полостях/ и с уменьшением массового расхода дымовых газов.
Что касается колпаковых систем, то при высокой инерционности горячий газ попросту
“выплескивается” из колпака как струя фена из стакана [6]. Необходимое время пребы-
вания горячих газов в ламинарном колпаке ориентировочно оценивается в несколько
секунд. Большое значение имеет способ ввода горячего газа в колпак /рис.407/. При низ-
кой скорости ввода в холодный колпак горячий газ тотчас ламинарно всплывает вверх
/как ивканальной оборотной системе/, поэтому в этом случае справедливы вышеизло-
женные соображения /рис.408-а/. А при большой скорости ввода горячий газ по инерции
проскакивает колпак и, соударяясь со стенкой колпака, образуют турбулентную циркуля-
цию /рис.408-б/, что приводит к немедленному разбавлению входящего горячего газа
холодными газами в колпаке и снижению величины КПД колпака [6].
В качестве показателя экономичности печи часто используют поня-
тие КПД, определяемое через тепловые потери с отходящими дымо-
выми газами, то есть без уточнения при-
чины “полезности” /неважно, где и как/
уловленного печью тепла. Такой показа-
тель удобен тем, что его можно опреде-
лить по температуре и химическому
составу отходящих газов /см. пункт 8.3.11
Теплофизика печных устройств
357
В-третьих, мгновенные отношения qi/Wo
/а значит, и мгновенные значения КПД/
могут изменяться в ходе протопки не только из-за нагрева стенок, но и
из-за смены стадии горения дров - перехода с пламенного режима на
режим горения углей /см.раздел 5.8.4/. На стадии пламенного горения
дров горячие дымовые газы /и даже пламена/ могут проникать далеко в
конвективную систему, а на стадии горения углей лучистое тепло погло-
щается преимущественно стенками топливника. Поэтому мгновенные
значения КПД в части нагрева стенок конвективной системы макси-
мальны именно в начале протопки. Это особенно важно в случае откры-
тых каминов, где необходим быстрый прогрев дымовой трубы для соз-
дания достаточной тяги. Значит, пламенный механизм горения дров
более предпочтителен для создания и поддержания тяги дымовой
трубы, а механизм горения углей на поверхности древесины более
предпочтителен для нагрева стенок камина.
В-четвертых, мгновенные отношения qi/Wo = αiSi(Тг - Тс)/Wo, где Si -
площадь теплового контакта, зависят не только от температуры стенок
Тс , но и от температуры дымовых газов Тг , которые в свою очередь
зависят от коэффициента избытка воздуха. Поэтому, в начале протопки
мгновенные значения КПД быстро достигают больших величин, затем
постепенно падают ввиду нагрева стенок /и снижения температуры
дымовых газов из-за уменьшения доли пламенного тепловыделения/, а
затем быстро падают из-за снижения температуры дымовых газов при
увеличении коэффициента избытка воздуха на этапа догорания углей
/рис.405/. Напомним попутно, что увеличение коэффициента избытка
воздуха приводит к снижению относительной доли лучистого нагрева
топливника в пользу конвективного нагрева каналов /см.раздел 1.4/.
В-пятых, мгновенные отношения qi/Wo = αiSi(Тг - Тс)/Wo зависят от
величин коэффициентов теплопередачи αi /не путать с коэффициента-
ми избытка воздуха α, обозначаемыми той же буквой/, а значит, от харак-
тера конвекции /свободной или принуди-
тельной/ и от линейной скорости газов.
356
Дровяные печи
Рис.406. Схема расчетной модели участка канала.
Рис.407. Колпак со свободной конвекцией горя-
чих газов (а) испринудительной конвекцией (б).
Рис.408. Свободная конвекция в колпаке
при малой инерционности входящего пото-
ка (а) и при высокой инерционности (б).
Рис.409. Временной ход теплоотдачи тепло-
емкой печи в отапливаемое помещение /на приме-
ре текста евростандарта EN15250/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 356

/герметичность/ и даже разрушаться /трес-
каться, рассыпаться, расплавляться, про-
горать/. Причем в бытовых печах эти
вопросы надежности подчас представ-
ляются чуть ли не самыми главными.
Действительно, заказчику совсем не
нужна печь, которая может разрушиться “с
первой протопки”, пусть она даже будет
трижды красивой, экономичной и жаркой.
Те уровни температуры, что имеются в бытовых
дровяных печах, никогда не считались экстремаль-
ными. Так, с древнейших времен для изготовления
дровяных печей успешно использовались самые
обычные местные грунтовые общестроительные
материалы - глина, песок, валуны. Издавна и до сих
пор квалификация печного мастера порой во многом
определяется чутьем и умением удачно подобрать
для постройки печей местные строительные мате-
риалы /в том числе и покупные на местном рынке/.
В России и поныне отсутствуют государственные
стандарты на кирпич, кладочные растворы и печные
приборы, предназначенные именно для бытовых
дровяных печей. Поэтому, кратко поясним общие
подходы к потребительским свойствам строительных
материалов, традиционно используемых в нашей
стране для кладки бытовых дровяных печей [6].
7.11.1. Огнеупорность и термостойкость
Общестроительные материалы аттестуются обычно по геометриче-
ским и механическим свойствам, иногда по морозостойкости. При
использовании в печах, материалы необходимо проверять также и на
устойчивость к высоким температурам /на жаропрочность/, которая
определяется двумя факторами - огнеупорностью и термостойкостью.
Огнеупорность - это способность материала противостоять высоким
температурам, не расплавляясь. Термостойкость - это способность про-
тивостоять, не разрушаясь, резким изменениям температуры /термо-
ударам/. Отметим попутно, что способность материала противостоять
воздействию пожара называется огнестойкостью.
Теплофизика печных устройств
359
по ГОСТ 9817-95/. Такой до предела формализованный КПД обычно
называют “эффективностью” печи /EN 15250-2007 - “efficiency as ratio of
total heat output to total heat input during the burning period”/. При этом
возникает вопрос о том, сможет ли это уловленное печью /аккумулиро-
ванное/ тепло поступить в какое-либо полезное целевое использова-
ние - уйдет ли оно “бесполезно” через фундамент и дымовую трубу или
пойдет, например, для полезного отопления помещения в форме “мед-
ленной” /суточной/ теплоотдачи теплоемкой печи /рис.409/.
Так, при КПД, равном нулю, температура отходящих газов составляла бы 1980оС по
ГОСТ 9817-95 /см.также раздел 1.3.1/, но только при коэффициенте избытка воздуха, рав-
ном единице, поскольку при коэффициенте избытка воздуха, например, равном двум,
температура отходящих газов уменьшилась бы до уровня, примерно вдвое более низко-
го /см. раздел 1.6/. То есть, зная расчетную температуру /см.раздел 1.3.1/ и измеряя тем-
пературу отходящих газов и коэффициент избытка воздуха можно рассчитать теплопоте-
ри с отходящими газами, а затем и примерный общий энергетический КПД /эффектив-
ность/ печи. В частном случае типичной величины коэффициента избытка воздуха 2,5 и
типичной влажности дров 30% КПД /эффективность/ печи можно оценить по формуле
КПД (%) = 100 - 0,12Т, где Т - температура газа в дымовой трубе в оС /В.В.Шевяков/.
7.11. Термическое разрушение кирпичных печей
Из-за термических расширений и размягчений, стенки печей могут
изменять форму /деформироваться, коробиться/, терять целостность
358
Дровяные печи
Рис.410. Схема превращений /фазовых переходов/ различных модификаций SiO2 [185].
Рис.411. Модификации, объемные изменения и
температуры превращения кремнезема SiO2 [185].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 358

Природный песок в основном состоит из двуокиси /диоксида/ кремния
SiO2 /кремнезема/, хотя может содержать множество минеральных при-
месей /полевых шпатов, карбонатов, сульфатов/, снижающих жаро-
прочность керамического материала [185,186]. Двуокись кремния в
песке находится в термодинамически устойчивой природной кристал-
лической форме β-кварца /не путать с плавленным кварцем - кварцевым
стеклом/. При нагреве β-кварц обратимо переходит в α-кварц при 573оС
с расширением /рис.410-411/. При дальнейшем подъеме температуры
фаза α-кварца переходит /уже необратимо/ с большим расширением
либо в α-тридимит, либо в α-кристобалит. Фаза α-тридимита является
основой огнеупорного динаса, получаемого в присутствии специальных
добавок плавней-минерализаторов. Фаза α-кристобалита присутствует
и в динасе, и в наиболее огнеупорных видах шамота. При 1728оС обра-
зуется расплав, застывающий в кварцевое стекло, известное своим уни-
кально низким термическим расширением /КЛТР = 0,5.10-6 град-1/.
Песок бывает крупнозернистым, мелкозернистым /пылевидным/ и ультрамелким /гли-
нистым, содержащимся в том числе и в глинах/. Песок бывает карьерным /горным - обло-
мочным/ и речным /морским, барханным, дюнным - окатанным/. Бесформенные ломаные
частицы крупнозернистого карьерного песка обеспечивают более высокую прочность
керамических материалов на разрыв, чем округлые частицы речного песка.
Глина представляет собой осадочную породу, образовавшуюся в
результате естественных разрушений /выветриваний/ природных алю-
мосиликатов типа полевых шпатов kА2O x mSiO2 x nAl2O3, где А-
щелочные или щелочноземельные металлы Na, К, Са, Mg.
Выветривание полевых шпатов в разные геологические эпохи про-
исходило по-разному. До появления растительного мира, газовая атмо-
сфера Земли состояла преимущественно из углекислого газа СО2,
образующего с водой угольную кислоту CO2 + H2O = H2CO3. В эпоху
кембрия /480-540 миллионов лет назад/ на Земле появилась расти-
тельность, которая поглотила
из атмосферы углекислый газ
и заменила его на кислород.
Теплофизика печных устройств
361
Огнеупорность зависит от темпе-
ратуры плавления материала и
выражается свойством пластично-
сти при высокой температуре /раз-
мягчением - ползучестью, сгибае-
мостью, ковкостью под нагрузкой/.
Термостойкость же зависит от
хрупкости материала и его химической стойкости /в том числе и окис-
ляемости/. Хрупкость - это свойство, противоположное пластичности.
Хрупкость - это способность разрушаться без пластических деформаций
/трескаться/ под действием механической нагрузки. Причем в печных
материалах механические нагрузки возникают не столько от внешних
сил /и не только от веса конструкции/, сколько от внутренних напряже-
ний, вызываемых неоднородностями расширений при нагреве.
В условиях бытовых дровяных печей вопросы обеспечения должной термостойкости по
ГОСТ 7875.0 -94 оказываются значительно более важными, чем вопросы обеспечения
огнеупорности. Так, по отечественной классификации ГОСТ 28874-2004 к огнеупорам
относятся материалы, плавящиеся (размягчающиеся) выше 1580оС. Но в бытовых дро-
вяных печах внутренние стенки редко разогреваются выше 1000оС. При этом требования
печников к термостойкости материалов относятся скорее не к быстрым изменениям тем-
пературы /как, например, при термоударе при разливке металла в ковш/, а к многократным
относительно медленным изменениям температуры /термоусталости/.
7.11.2. Строение песка и глины
Обычная кирпичная печь состоит из обожженных глиняных материа-
лов /кирпича/ и необожженных глиняных материалов /швов кладочного
раствора/. Как кирпич, так и кладочные растворы состоят в основном
из песка и глины, но имеют разный количественный состав компонентов.
Песок бывает природным /натуральным, минеральным/ и шамотным
/синтетическим, полученным размолом обожженой глины/. Кирпич из
натурального песка называется глиняным. Кирпич из шамотного песка
называется шамотным. Ввиду доровизны шамотного песка, шамотный
кирпич изготавливается, как правило, лишь из тугоплавких глин /которые
поэтому обычно называются шамотными/ с целью получения огнеупор-
ного материала. Но, вообще говоря, шамотом называется любая обо-
жженая глина. Изделия из обожженой глины называются керамикой.
360
Дровяные печи
Рис.412. Диаграмма фазового состояния
системы Al2O3 - SiO2 [185].
Рис.413. Расширение образца
высушенной кембрийской глины при
первом и втором обжигах. Цифры при
точках на кривых - величины коэффи-
циентов линейного термического рас-
ширения. Данные О.П .Иваненко.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 360

“липкости”/ с доокислением двухвалентного железа в трехвалентное,
имеющее красно-коричневые цвета. Так, если окислы железа в глине
находятся в трехвалентном виде Fe2O3 - то глина красная., если в двух-
валентном виде FeO - то глина бело-серая, если в виде 2FeO x SiO2 - то
глина серо-голубая. При высокотемпературном обжиге железосодер-
жащие глины краснеют /”шамот” по-немецки означает “краснеть со
стыда”/ в окислительной среде и белеют /сереют/ в востановительной
среде /беложгущиеся режимы/. Железосодержащие глины спекаются
при 800оС, причем именно за счет появления и плавления легкоплавкого
фаялита FeO x SiO2, имеющего характерный “кирпичный” цвет /крас-
но-коричневый/ в спёке и фиолетовый цвет в расплаве.
7.11.3. Термические расширения керамических материалов
Образцы глин сильно уменьшаются в размерах /садятся/ при сушке и
обжиге. Поэтому в керамических производствах используются смеси
глины с песком, причем песок /как для производства кирпичей, так и для
приготовления рабочих кладочных растворов/ берут в максимально воз-
можном количестве с таким расчетом, чтобы частицы песка по возмож-
ности соприкасались между собой и препятствовали растрескиванию
и уменьшению линейных размеров изделия при сушке и обжиге
/рис.414/. Ввод песка снижает пластичность глины. Добиться одновре-
менно достаточно высокой пластичности смеси и малой усадки смеси
бывает порой трудно. Введение песка снижает и прочность спеченной
глинопесчаной смеси. Глина, высушенная между частицами песка, все-
гда находится в растрескавшемся состоянии, что и является причиной
пористости /паропроницаемости/ керамических изделий.
Поскольку частицы песка при сушке и обжиге смеси “утыкаются” друг
в друга, термическое расширение керамического материала опреде-
ляется в основном термическим расширением песка. Так, глиняный кир-
пич имеет величину коэффици-
ента линейного термического рас-
Теплофизика печных устройств
363
Вследствие этого, до кембрия полевые шпаты выветривались в
кислой среде. При этом полностью вымывались окисные соединения
щелочных и щелочноземельных металлов, а также примеси окислов
железа. В осадке оставались нерастворимые соединения типа каоли-
нита Al2O3 x 2SiO2 х2Н2О = Al2[Si2O5](OH)4. Так, для ортоклаза /раз-
новидности полевого шпата/ имеет место химическая реакция вывет-
ривания 2K[AlSi3O8] + 2H2O + CO2 = Al2[Si2O5](OH)4 +4SiO2 + K2CO3.
Каолинит представляет собой крупные плоские пластинки размером до 1-3 мкм, слабо
слипающиеся при сушке и слабо спекающиеся лишь при высоких температурах. Глины на
основе каолинита считаются тугоплавкими /“шамотными”/ и используются в производстве
огнеупорного шамотного кирпича [185]. “Шамотные” глины содержат не менее 28% окиси
алюминия и, соответственно, малое содержание легкоплавких компонентов. Тем не
менее, “шамотные” глины спекаются именно за счет легкоплавких примесей соединений
щелочных и щелочноземельных металлов /но зато при высоких температурах/. Для обра-
зования спека /шамота/ образование фаз кристобалита и муллита не обязательно
/рис.412/. Каолинит при нагреве обезвоживается в каолин Al2O3 x 2SiO2.
Во время кембрия полевые шпаты стали выветриваться в нейтральной
/и даже щелочной/ среде с сохранением окислов щелочных и щелочно-
земельных металлов /и окисей железа/ и с образованием разнообразных
соединений типа гидрослюды, например, монтмориллонита
(Al,Mg)2(OH)2[Si4O10] х nH2O, хлорита Mg6-x -yFe2+y[AlxSi4-x](OH)8 или
мусковита KAl2(OH)2[AlSi3O10]. Гидрослюды представляют собой
чешуйки размером порядка 0,1 мкм, сильно слипающиеся при сушке и
спекающиеся /порой со вспучиванием на примере керамзита/ уже при
сравнительно низких температурах порядка 800оС /рис.413/. Эти “гео-
логически новые” глины на основе гидрослюд используются в про-
изводстве общестроительного кирпича. Среди них можно условно выде-
лить чрезвычайно пластичные и “особо липкие” так называемые “кем-
брийские” глины /бентонитовые/, сохранившиеся в первозданном виде
со времен кембрия, залегающие в основном на большой глубине, имею-
щие серый или голубой цвет, поскольку примесное железо находится в
бесцветной двухвалентной форме. Кембрийские же глины, залегающие
на малых глубинах, многократно вымывались /с некоторой потерей
362
Дровяные печи
Рис.414 . Внутренняя микроструктура необо-
жженого кирпича /глинопесчаной смеси/: а - до
сушки, б - после сушки. 1
-
частицы песка, 2 -
глина сырая пластичная, 3 - глина высушенная
потрескавшаяся.
Рис.415. Коэффициенты линейного
термического расширения: 1 - российский
шамотный кирпич ША-5 с плотностью
2075 кг/м3, 2 - российский красный глиня-
ный кирпич с плотностью 1880 кг/м3, 3 -
немецкий шамотный кирпич НВО+ с плот-
ностью 1850-1950 кг/м3 [187].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 362

напряжения в виде сил сжатия /рис.418-б/.
Если материал стержня пластичен, то стер-
жень сжимается без последующего восста-
новления формы /мнется, как пластилин/.
Если материал стержня упругий, то стержень
сжимается с последующим восстановлением
формы /как рессора автомобиля/. При нагруз-
ке, превышающей прочность на сжатие, стер-
жень может хрупко разрушиться /раздавиться/. При сжатии стержень
может потерять устойчивость и изогнуться под нагрузкой.
Последствия всех этих однородных термических удлинений одномерных стержней изу-
чаются в машиностроении в курсах сопротивления материалов /”сопромата”/ и деталей
машин и механизмов. В курсах же строительных материалов /в том числе и печных, в
особенности/ рассматриваются объемные /трехмерные/ неоднородные термические
удлинения внутри “толстых” изделий. Эти неоднородные удлинения ведут к появлению
внутренних механических напряжений даже при отсутствии внешних воздействий [188].
Неоднородные термические удлинения внутри изделия возникают при
неоднородном нагреве /разном в разных точках/. Неоднородные тер-
мические удлинения могут возникнуть и из-за различий в коэффициен-
тах линейного термического расширения в разных точках внутри изде-
лия. Также, в ряде случаев могут наблюдаться неоднородности свойств
материалов в разных направлениях /анизотропия/. Так, например, β-
кварц имеет величину αклтр = 5.10-6 град-1 вдоль по оси кристалла и
величину αклтр = 13.10-6 град-1 перпендикулярно оси кристалла [185].
Теплофизика печных устройств
365
ширения (КЛТР), характер-
ную для кварцевого песка.
Причем, особенно высокие значения коэффициента линейного терми-
ческого расширения αклтр наблюдаются при температурах 600-700оС,
которые отвечают фазовому переходу β-кварца в α-кварц /рис.415, 416/.
Шамотный же кирпич имеет повышенные коэффициенты линейного
термического расширения при температурах 200-300оС, которые отве-
чают фазовому переходу β-кристобалита в α-кристобалит. Вместе с тем,
общий ход удлинения образцов керамических материалов монотонен и
достаточно линеен /рис.415/ с усредненным коэффициентом линейно-
го термического расширения порядка (6-8)10-6 град-1
, что соответству-
ет термическому удлинению порядка 6-8 мм/м при нагреве до 1000оС.
На рисунке 413 цифрами на графиках показаны значения коэффици-
ентов линейного термического расширения глины во время первого
обжига образца необожженой прежде глины и во время второго обжига
черепка /керамики, шамота/, полученного при спекании при первом
обжиге. Видно, что необожженая глина /сырой кирпич/ термически рас-
ширяется вдвое сильней, чем обожженая глина /керамический кирпич/.
7.11.4. Терморазрушение керамических изделий
При однородном /одинаковом во все точках/ нагреве однородного
твердого тела происходит однородное термическое расширение. И если
препятствий к расширению нет, то нет и сопутствующих механических
напряжений внутри тела. Так, например, свободный стержень с исход-
ной длиной L при нагреве свободно удлиняется на ΔL. Причем удлине-
ние растет пропорционально температуре ΔL/L = αклтрΔТ, где αклтр -
коэффициент линейного термического расширения (в град-1 = м/моС),
ΔТ - подъем температуры при однородном разогреве в оС /рис.418-а/.
Аналогично увеличивается и диаметр стержня Δd/d = αклтр ΔТ.
Если же при нагреве стержня возникают механические стеснения,
например, ограничения по длине, то в стержне появляются внутренние
364
Дровяные печи
Рис.416. Коэффициенты линей-
ного термического расширения
кирпича: 1 - шамотный кирпич
ША-8 (Боровичи), 2 - шамотный
кирпич ШБ-8 (Боровичи), 3 - крас-
ный глиняный кирпич (Витебск).
Данные О.П .Иваненко.
Рис.418. Деформации твердого тела
при термических расширениях: а - сво-
бодное удлинение стержня, б - терми-
ческое сжатие стержня при механиче-
ском стеснении /с возможным изгибом/,
в - изотропный нагрев пластинчатого
материала, г - анизотропный нагрев
пластинчатого материала, д - изгиб
/коробление/ соединенных пластинок,
е - коробление при локальном нагреве.
Рис.417. Относительное линейное термическое удли-
нение кирпича: 1 - шамотный кирпич ШБ-8 (Боровичи), 2 -
шамотный кирпич ША-8 (Новомосковск), 3 - красный гли-
няный кирпич (Кострома). Данные О.П .Иваненко.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 364

усушки всегда больше величины усадки, поскольку первая происходит
в отсутствии препятствий для сжатия [6]. Аналогичные заключения
можно сделать и для случая неоднородного расширения при нагреве.
Изгиб происходит при наличии упругих свойств материала, пластич-
ные материалы просто мягко мнутся /”плывут”, “текут”/. При превыше-
нии пределов прочности упругие материалы механически разрушаются
/хрупко трескаются/. Ясно, что расширившиеся слои воздействуют на
нерасширившиеся слои через касательные силы, возникающие при
сдвиге слоев /через так называемые тангенциальные напряжения,
являющиеся основой всех термических короблений/. Эти касательные
напряжения аналогичны силам сцепления автомобильных шин с дорож-
ным покрытием. Если прочность материала на сдвиг σсд мала /мень-
ше, чем прочность на растяжение σраст и на сжатие σсж/, то слои просто
проскальзывают друг относительно друга /рис.419-а/, и мы фактически
имеем случай послойно разрезанного изделия /рис.418-г/. Но если проч-
ность на сдвиг велика, то расширяющиеся слои растягивают нерасши-
ряющиеся слои /и сами при этом подвергаются
ответному механическому сжатию/. При этом,
если прочность на сжатие превышает проч-
ность на растяжение, то нерасширившиеся
слои рвутся /рис.419-б/. А если прочность на
сжатие оказывается меньшей, чем прочность
на растяжение /что случается весьма редко,
только при армировании изделия/, то расши-
ряющиеся слои трескаются /рис.419-в/.
Частым случаем для печей является разрыв
кирпичей и швов /рис.419-б/. При этом склон-
ность к образованию сквозных трещин обыч-
но характеризуется коэффициентом термо-
стойкости Kт = λσраст/СрραклтрE , где λ - теп-
лопроводность, σраст - прочность на растяже-
ние, Ср - теплоемкость, ρ - плотность, αклтр -
коэффициент линейного термического расши-
рения, Е-модуль упругости, характеризующий
способность упруго сжиматься [189-191].
Теплофизика печных устройств
367
Для анализа явлений условно “разрежем”
нагреваемое изделие /например, одиночный
кирпич/ на множество тонких параллельных
слоев /рис.418-в/. Ясно, что такое разделение
на слои никак не повлияет на последствия
однородного нагрева изделия - каждый слой
расширится вдоль и поперек точно так же, как
если бы это происходило в неразрезанном
изделии. При неоднородном нагреве /напри-
мер, при одностороннем нагреве q перпендикулярно слоям/ более про-
гретые зоны расширяются сильнее, чем слабо прогретые /рис.418-г/.
При этом, слои при расширении проскальзывают друг относительно
друга, и никаких сил противодействия /вызывающих внутренние меха-
нические напряжения/ не возникает. Но если эти проскальзывающие
друг относительно друга слои сцеплены /воедино, как в неразрезанном
изделии/, то расширяющийся слой будет растягивать нерасширяющий-
ся слой. То есть нагретые слои окажутся внутренне сжатыми /сдавлен-
ными/, а ненагретые слои окажутся внутренне растянутыми. Из-за поте-
ри устойчивости сжимающиеся слои изгибаются, что приводит к короб-
лению изделия /рис.418-д/. Все эти явления еще более выражены в слу-
чае локального одностороннего нагрева, когда расширяющиеся слои
упираются в нерасширившиеся ненагретые зоны изделия /рис.418-е/.
Изгибание изделий может происходить также и при однородном нагре-
ве, но при неоднородных коэффициентах линейного термического рас-
ширения, например, в случае биметаллических пластин датчиков при-
боров для автоматического контроля и регулирования температуры
среды. Изгибание изделий происходит и при изменении линейных раз-
меров по нетермическим причинам, например, при сушке изделий /гли-
няных, деревянных/. Сжатие при сушке в условиях
однородного нагрева называется усушкой, а в усло-
виях неоднородного нагрева - усадкой. Величина
366
Дровяные печи
Рис.419. Качественный характер картины термического
разрушения изделия под действием огневой нагрузки q
при различных соотношениях прочности материала на
сдвиг σсд, на растяжение /разрыв/ σраст и на сжатие σсж.
Рис.420. Изменение формы кирпича при одностороннем нагреве.
Рис.421. Изменение формы /коробление/ стенок кир-
пичного топливника при нагреве в направлениях q.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 366

равное ΔL/L = αклтрΔТ, предотвращается
/компенсируется/ его сжатием на ту же
величину ΔL/L = F/ES, где по закону Гука F
- сила сжатия нагревающегося слоя, рав-
ная силе растяжения непрогретого слоя,
Е - модуль упругости, S - площадь поперечного сечения нагревающегося слоя, пропор-
циональная глубине слоя. Видно, что /даже при постоянстве ΔL/L на нагревающейся сто-
роне в ходе прогрева/ сила сжатия F внутреннего нагревающегося слоя повышается про-
порционально увеличивающейся площади поперечного сечения нагревающегося слоя S.
Но тем не менее величина напряжения на сжатие σ=F/S остается величиной постоянной,
не зависящей от S. И если эта величина напряжения на сжатие остается меньшей, чем
прочность бетона на сжатие σ<σсж, то внутренний нагревающийся слой остается меха-
нически неразрушенным. А вот внешний ненагретый слой стенки под действием той же
силы F находится под напряжением растяжения σ=F/(Sст - S), где Sст - площадь попе-
речного сечения бетонной стенки. Поскольку площадь поперечного сечения непрогрето-
го слоя (Sст - S), пропорциональная глубине непрогретого слоя, уменьшается по мере
прогрева, то по мере прогрева увеличивается и напряжение растяжения σ=F/(Sст - S)
непрогретого слоя. И при достижении условия σ>σраст внешняя сторона стенки рвется под
действием распирающих сил от расширяющейся внутренней стенки /рис.419-б/ .
Поэтому необходимо усиливать внешние стенки печи на разрыв арми-
рованием /например, стальным прутом, как в железобетоне/. А во внут-
ренних стенках необходимо предусматривать термокомпенсирующие
швы. Также желательно выбирать материал более теплопроводный,
менее плотный, более упругий /см. формулу для Кт на стр.367/. Так,
например, деревенские глинобитные духовые печи русского типа, кото-
рые изготавливались на месте в монолитном исполнении, требовали
обязательного армирования глины
соломой с трамбовкой /битьем/ во
внешних слоях арочного свода.
Теплофизика печных устройств
369
При малой прочности на сдвиг наблю-
даются поверхностные отслаивания /обру-
шения, осыпания, “обшелушивания”/ нагревающихся слоев /рис.419-а/.
7.11.5. Терморазрушение монолитных конструкций
Монолитная конструкция представляет собой единое изделие с одно-
родными свойствами. Поведение монолитной конструкции при нагреве
можно проследить на примере изменения формы, например, одиноч-
ного кирпича при одностороннем локальном нагреве с удлинением
нагреваемой стороны и уширением в сторону нагрева /рис.420/.
Тонкие монолитные стенки /например, стальные/ прогреваются
быстро на всю глубину и коробятся с выгибанием в сторону нагрева
/рис. 421/. Толстые же монолитные стенки /например, бетонные/ про-
греваются долго, и пока тепловая волна изнутри не достигнет внешней
поверхности, печь “держит” внешний контур неизменным /рис.421-г/.
При этом возникают внутренние сдавливания, и стенка может порвать-
ся с образованием сквозной вертикальной трещины.
Собственно, именно из-за трещинообразования не удалось пока создать массового
индустриального производства монолитных бетонных печей заводского производства,
которые можно было бы доставлять на строящийся объект как готовый аппарат для отоп-
ления /взамен трудоемких сборных печей из кирпича/.
Оказалось, что цельнолитые бетонные печи рвутся
сквозной вертикальной трещиной [171], хотя сами по
себе бетоны вполне огнеупорны при температурах,
характерных для дровяных печей [192-193].
Причина разрыва стенок монолитных бетонных
печей кроется в том, что прочность бетона на сжатие
превышает прочность бетона на разрыв. Дело в том,
что внутренний нагревающийся слой монолитной стен-
ки стремится удлиниться, но встречает противодей-
ствие со стороны внешнего не прогретого и не удли-
нившегося слоя стенки. При этом, линейное термиче-
ское удлинение внутреннего нагревающегося слоя,
368
Дровяные печи
Рис.422. Взаимное расталкивание кирпичей терми-
чески удлинившейся стороной может приводить к обра-
зованию трещин в швах на наружной стороне печи.
Рис.424. Взаимное расталкивание кир-
пичей 1 термически удлинившейся сто-
роной может привести к разрушению
кладки. Поэтому швы /слои кладочного
раствора/ желательно вычищать 2 на
некоторую глубину 2 /”расшивать”/.
Рис.423. Разрушение швов между фиксированными
кирпичами по мере их термического удлинения.
Рис.425. Образование внешних трещин в
кирпичной кладке печи: 1 - кирпич, прогре-
ваемый с двух сторон, распирает внешнюю
стенку печи, 2 - кирпичи, удлиняясь при
нагреве изнутри, “разъезжаются” на углах
кладки, 3 - трещина по швам, 4 - трещина
по кирпичам /разрыв стены/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 368

Вертикальные разрывы клад-
ки 4 /рис.425-в/ формируются за
счет рассмотренного выше
явления “разъезжания” упи-
рающихся друг в друга кирпи-
чей при их термическом удлинении /рис.425-б/. Это происходит при
чрезмерной прочности швов на сжатие при одновременной прочности на
сдвиг соединения слоев кирпичей с горизонтальными швами. При мало-
прочной же на сдвиг сцепке кирпичей с горизонтальными швами /то есть
при малой адгезии/ кирпичи могут проскальзывать относительно швов,
что нарушает перевязку кирпичей с “разъезжанием” углов кладки.
“Лестничные” разрывы кладки 3 /рис.425-в/ формируются за счет
выпирания кирпичной кладки расширяющимися внутренностями печи
/рис.425-а/. “Лестничные” трещины могут появляться также и из-за
повышенных коэффициентов линейного термического расширения гли-
няных швов /рис.413/, когда горизонтальный шов растягивает ряд лежа-
щих на нем кирпичей с образованием разрывов между кирпичами.
Горизонтальные разрывы кладки образуются, в частности, при чрез-
мерных локальных повышениях высоты кладки δ при неоднородных
нагревах стенок печи /рис.426/. Эти термические удлинения кладки
вверх вызваны увеличением толщины кирпичей и швов на внутренней
стороне стенки, что приводит при нераздавливающихся швах к “подде-
ванию” кирпичей и “отковыриванию” смежных слоев кирпичей друг от
друга. При потере связи рядов кирпичей /на сдвиг/ теряется и связь кир-
пичей в ряду - кирпичи в ряду приобретают возможность свободно вза-
имно расталкиваться при каждом нагреве, но при этом могут не воз-
вращаться в исходное положение
при
последующем
остывании.
Потеря связи рядов кирпичей вызва-
на порой и тем, что адгезия кирпича к
Теплофизика печных устройств
371
Вероятность разрыва монолитной
стены возрастает при крутом профиле
температуры /тепловой волны/ внутри
стены, то есть повышается с увеличением величины теплового потока.
7.11.6. Терморазрушение сборных конструкций
Сборная конструкция представляет собой набор из множества отдель-
ных /штучных/ изделий /кирпичей, плит, балок, камней/, соединенных
воедино слоями связующих растворов /кладочными швами/.
Условием термической стойкости сборных кирпичных конструкций
является малая /по сравнению с кирпичем/ прочность кладочных швов
на сжатие /причем именно на внутренней стороне кладки, обращенной
к огню/ и высокая прочность швов на растяжение /на разрыв/. В про-
тивном случае фактически реализуется случай монолитной конструк-
ции, поскольку кирпичи “утыкаются” друг в друга через швы и начинают
“разъезжаться”, деформируя кладку и образуя трещины /рис.422/.
Если же швы имеют малую прочность на сжатие, то они раздавли-
ваются на нагреваемой стороне кладке /рис.423/. Это может привести к
образованию частично “пустых” /выкрошившихся/ швов как термоком-
пенсаторов /рис.424/. Но зато это предотвращает разрыв стенки /то есть
образование сквозной вертикальной трещины на внешней стороне/ и
предупреждает нарушение герметичности стенки /рис.422, 424-б/.
В сборных конструкциях условно различают вертикальные, наклон-
ные “лестничные” и горизонтальные разрывы кладки /трещины/.
370
Дровяные печи
Рис.427 . Повышение механической прочности
кирпичной кладки на разрыв: а - перевязка /нахлест/
кирпичей повышает прочность на разрыв путем
сцеплений соседних кирпичей через кладочный
шов /сцепления за счет каверн, углублений, неров-
ностей поверхности кирпичей/, б - отсутствие пере-
вязок приводит к разрыву кладки по образующимся
протяженным вертикальным швам, в - кирпичная
кладка упрочняется на разрыв путем прокладки
арматуры /проволоки, дранок, реек, веток, соломы/
вдоль внешней ненагретой стороны кладки.
Рис.428. Изменение механической
прочности на сжатие кладочных рас-
творов с различными классами связую-
щих при высоких температурах [194].
Рис.426. Кирпичи, нагревающиеся и удлиняю-
щиеся δ вверх на внутренней стороне стенки,
”отковыриваются” с нарушением перевязки кирпи-
чей и с образованием горизонтальных трещин.
Рис.429. Изменение механической прочно-
сти кладочных растворов на основе порт-
ландцемента при различных наполнителях.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 370

швов, например, на основе волокон /ват/ базальта,
муллита или каолина /рис.430-в/, щели между кир-
пичами /как облицовке или футеровке/ при их навес-
ке на несущую стену, например, с помощью ячеи-
стых каркасов, подвесов или наклейки /рис.430-г/,
зазоры между круговыми свободно опирающимися
футеровочными кольцами /рис.430-д/, канавки, про-
резанные на нагревающейся поверхности кирпича /рис.430-е/ и т.п.
Особый интерес представляют “натуральные” термокомпенсирующие
зазоры в форме трещин, отслоений и щелей, самопроизвольно обра-
зующихся в кладке в ходе сушки и последующей прокалки глинистых
материалов /рис.430-б/. Слой сырой глины, уложенный на подложку
/рис.431-а/, при сушке дает усадку и при этом либо растрескивается на
подложке при высокой адгезии и тонком слое /рис.431-б/, либо отшелу-
шивается от подложки при слабой адгезии и толстом слое /рис.431-в/.
Слой сырой глины, зажатый между двумя подложками /сверху и
снизу/, тоже дает усадку при сушке и растрескивается - либо на множе-
ство мелких трещин при высокой адгезии и тонком слое, либо на
несколько крупных трещин при слабой адгезии и толстом слое.
Поэтому тонкие слои раствора и шероховатые кирпичи более пред-
почтительны в печной кладке /поскольку дают мелкие трещины/, тем
более, что тонкие швы лучше удерживают выкрашивающуюся при пере-
гревах глину. Для уменьшения растрескивания швов в глину добавляют
как можно больше песка в целях снижения усадки, но при этом раствор
становится менее пластичным /что затрудняет изготовление тонких
швов/, а высохший шов становится менее прочным, особенно на разрыв.
Так или иначе, определенное растрескивание глиняных швов между
кирпичами оказывается практически неизбежным. И важно, чтобы рас-
трескивание происходило преимущественно именно на внутренней сто-
роне кладки, обращенной к огню. Поэтому сушку печи ведут изнутри
дымовыми газами в ходе высушивающих протопок так, чтобы глина в
швах сначала сохла на внутренней стороне кладки, но сохранялась пла-
стичной на внешней стороне за счет дополнительного увлажнения.
Теплофизика печных устройств
373
высохшему раствору оказывается очень низкой, и никаких термических
“подковыриваний” /отрывов/ слоев кирпичей фактически не требуется.
Так, прочность соединения на сдвиг шамотного кирпича с глиняным швом /особенно при
шамотной глине - мертеле/ бывает ничтожно малой. Это обусловлено ровностью и глад-
костью поверхности шамотного кирпича, вследствие чего высыхающей глине просто “не
за что ухватиться”. Полнотелый же глиняный кирпич мокрого формования имеет поверх-
ностные изъяны /углубления, трещины, раковины/, куда попадает раствор при кладке и там
высыхает. Это делает шов щербатым, шероховатым, механически связанным с кирпичем
на сдвиг /не проскальзывающим/. Сцепка кирпичей на разрыв в одном ряду может быть
обеспечена при этом либо перевязкой швов /рис.427-а/, либо армированием горизон-
тальных швов стальным прутком /рис.427-в/ даже при полном отсутствии перевязки швов
/рис.427 -б/. Применяются также и наружные стяжки кирпичной кладки стальными винто-
выми шпильками, ленточными бандажами /обручами/, уголковыми каркасами.
Мыслимо также усиление сцепки между соседними кирпичами в слое посредством
прочных на разрыв горизонтальных швов из цементных растворов, которые обладают
достаточной огнеупорностью и прочностью при повышенных температурах /рис.428, 429/.
К примеру, шов с внутренней нагреваемой стороны кладки можно выполнить глиняным
/малопрочным на сжатие/, а с внешней ненагреваемой стороны кладки - цементным.
Печная конструкция при этом становится, к сожалению, неразборной. Тем не менее,
поскольку связывающая прочность шамотных глин /не только на сдвиг и на разрыв, но и
на сжатие/ ничтожна, в рабочие кладочные растворы на основе мертеля /порошка огне-
упорной глины/ все же часто добавляют цемент для повышения адгезии и прочности.
7.11.7. Термокомпенсирующие зазоры
Терморазрушения кирпичных печей происходят как за счет термиче-
ского расширения кирпичей, так и за счет термического расширения
швов. В обоих случаях можно предусматривать термокомпенсирующие
зазоры, обеспечивающие более свободное
расширение материала и снижающие веро-
ятность термического разрушения конструкции.
В качестве компенсирующих зазоров в стен-
ках могут использоваться специально механи-
чески выполненные выборки глины из швов -
расшивки /рис.430-а/, щели - трещины из-за
усадки швов /рис.430-б/, мягкие термостойкие
прокладки между кирпичами вместо глиняных
372
Дровяные печи
Рис.430. Термокомпенсационные зазоры между кирпи-
чей: а - расшивка швов изнутри, б - щели /трещины/, обра-
зовавшиеся при сушке изнутри, в - мягкие упругие про-
кладки /например, из минерального картона, войлока,
ваты/, г - зазоры при подвеске кирпичей, д - круговая футе-
ровка, опирающаяся на выступы, е - прорезы в кирпичах.
Рис.431. При сушке сырого слоя глиняного раствора на
поверхности кирпича образуются трещины из-за усадки раствора:
а - исходный слой жидкого раствора, б - растрескивание сохну-
щего слоя при высокой адгезии /сцеплении/, в - самопроизволь-
ное “отковыривание” сохнущего слоя при слабой адгезии, г - вид
сверху на трещины сохнущего слоя /см. рис.”б”/.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 372

Углерод в чугунах и сталях содержится в виде химиче-
ского соединения - карбида железа Fe3C /называемого
также цементитом/. При малых концентрациях углерода в
железе /то есть в сталях/, цементит находится в железе в
виде перлита - локальных образований /светлых под мик-
роскопом зерен/, состоящих из чередующихся полосок
альфа-железа и цементита. При больших концентрациях
углерода в железе /то есть в чугунах/, цементит находится
в железе в виде ледебурита. Ледебурит термодинамически неустойчив - если при быстром
охлаждении расплава чугуна /закалке/ ледебурит сохраняется, то при медленном охлаж-
дении ледебурит распадается на перлит и свободный углерод /графит/.
Если углерод в чугуне содержится только в виде ледебурита /то есть исключительно в
виде цементита/, то такой чугун называют белым /”закаленным”/. Белый чугун имеет повы-
шенную твердость, хрупок, плохо льется и плохо обрабатывается режущим инструментом.
Если углерод в чугуне содержится в виде перлита и графита, то такой чугун называет-
ся серым /”отпущенным”/. Помимо хороших литьевых качеств, серый чугун имеет мяг-
кость при обработке режущим инструментом из-за смазывающих способностей графита.
Графит в чугуне может иметь разную форму. Обычный серый чугун марки СЧ по ГОСТ
1412-85 имеет пластинчатый графит. Такой серый чугун используется для изготовления
печных приборов обычного качества /дверок, задвижек, варочных плит/, рядовых бытовых
водяных котлов и печей. Котлы и каминные топки повышенных классов могут литься из
серого чугуна с шаровидным графитом /высокопрочной марки ВЧ по ГОСТ 7293-85/, а
также из серого чугуна с хлопьевидным графитом /литейной марки Л-1 по ГОСТ 4232-95,
жаропрочной марки ЧХ по ГОСТ 7769-82, ковкой марки КЧ по ГОСТ 1215-79 /. Форму гра-
фита изменяют введением в чугун различных легирующих добавок.
Серый чугун более коррозионно стоек, чем углеродистая сталь, несколько менее теп-
лопроводен, имеет меньшее тепловое расширение, менее пластичен, тверд и хрупок.
Тем не менее, чугуные изделия при нагреве способны “ползти” /то есть “плыть”, пластич-
но деформироваться под нагрузкой/, как и стальные изделия, но при более высоких тем-
пературах 1000оС. “Раскаленный серый чугун при быстром охлаждении /например, при
поливке водой/ может сделаться белым чугуном”
/Ф.А .Брокгауз и И.А.Ефрон/, что должно учитываться
при использовании чугуна в банных каменках.
В конструкционных сталях отсутствует углерод в
виде графита. Весь углерод либо растворен в стали,
либо химически связан в карбид железа Fe3C /в виде
перлита/. Коррозионную и термическую стойкость
сталей повышают без снижения прочности путем
перевода карбида железа в карбиды легирующих
добавок кремния, марганца, молибдена, хрома.
Теплофизика печных устройств
375
7.12. Термическое разрушение металлических печей
Металлические бытовые дровяные печи изготавливаются, как прави-
ло, из сплавов железа с углеродом /то есть, из чугунов и сталей/.
Марка сплава
СЧ-20
Ст3пс
Ст20
15ХМ
12Х17
08Х18Н10
по ГОСТ (РФ)
1412-85 380-2005
1050-88
4543-88
5632-72
5632-72
AISI (США)
A48-30B
A283/C
1020
A387 12-2
430
304
DIN (ФРГ)
GG20
Ust 37-2
C22
16CrMo44
X6Cr17
X5CrNi18 9
Углерод
3,3 - 3,5 0,14 - 0,22 0,17 - 0,24 0,11 - 0,18
< 0,12
< 0,12
Марганец
0,7 - 1,0 0,40 - 0,65 0,35 - 0,65 0,40- 0,70
< 0,8
< 2,0
Кремний
1,4 - 2,4 0,05 - 0,15 0,17 - 0,37 0,17- 0,37
< 0,8
< 0,8
Молибден
-
-
-
0,40 - 0,55
-
-
Хром
-
< 0,30
< 0,25
0,8 - 1,1
16-18
17-19
Никель
-
< 0,30
< 0,30
< 0,3
-
9-11
Коэффициент линейного термического расширения КЛТР, 10-6 град-1 :
при 20оС
9,5
11,5
11,5
11,5
10,0
16,4
при 500оС
-
14,0
14,0
14,0
11,8
18,2
Железные сплавы, содержащие более 2% масс. углерода, называют-
ся чугунами /рис.432/. Поскольку чугуны уже при 1147оС образуют жид-
кую фазу /расплав/, то печи изготавливаются из чугуна методами литья.
Железные сплавы, содержащие менее 2% масс. углерода, называют-
ся сталями. Печи из стали изготавливаются из листового материала
методами сварки, причем используются конструкционные стали с низким
содержанием углерода /не более 0,3%/. Углерод повышает прочность
стали, но уменьшает пластичность и коррозионную стойкость [195-202].
При низких температурах железо в чугунах и ста-
лях находится в магнитной фазе альфа-железа
/называемой также ферритом/. При нагреве до
723оС железо переходит в немагнитную фазу гамма-
железа /называемую также аустенитом/. Фазовые
переходы феррит-аустенит обратимы, то есть аусте-
нит при охлаждении вновь переходит в феррит, но
при введении легирующих компонентов /в частности,
никеля/ фаза аустенита может сохраниться и при
охлаждении. Аустенит более пластичен и менее
тверд, чем феррит, менее реакционен химически,
обладает повышенным термическим расширением.
374
Дровяные печи
Рис.432. Фазовая диаграмма системы Fe+C /желе-
зо+углерод/: α - альфа-железо, γ - гамма-железо, ц-
цементит /карбид железа Fe3C, содержащий 6,67%
углерода/, ж - жидкая фаза.
Рис.434. Предел текучести конструкционных угле-
родистых сталей при различных температурах: 1 -
сталь Ст3, 2 - сталь Ст5, 3 - сталь Ст5, упрочненная
вытяжкой, 4 - закаленная арматурная проволока.
Рис.433. Снижение прочности различных конструкцион-
ных строительных материалов с ростом температуры.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 374

ний коробиться, сминаться /как бума-
га/ при охлаждениях, трескаться по
ребрам жесткости и сварочным швам
[203]. Так, хорошо известны терми-
ческие деформации /“раздутия”/ топок стальных печей, особенно в слу-
чае применения сильно расширяющихся хром-никелевых сталей. При
этом разные виды деформаций тонких стенок /рис.421а,б,в/ могут в
ходе неоднородных прогревов переходить друг в друга с акустическими
ударами /“хлопками”/, что принуждает усиливать стенки “фиксациями” -
ребрами жесткости /”уголками”, обозначенными на рис.436 черными
точками/. Слабо прогреваемые углы в любом случае пытаются сохра-
нить первоначальную форму. Кроме того, при фиксации середин сте-
нок коробление приобретает S-образную форму /в виде последова-
тельности выгибов наружу и внутрь/. Поэтому неудачное местораспо-
ложение точек /линий/ фиксации может приводить к усилению дефор-
маций углов и способствовать при некачественной сварке образованию
угловых трещин. Выштамповки в стенках могут обеспечивать свободную
“игру” поверхностей при нагреве по типу “баяна” /рис.436г-з/, что по сути
аналогично термокомпенсациям трубопроводов /рис.436-и/.
Примером недостаточной “термостойкости” изделий являются также и
“лопнувшие” чугунные варочные плиты. Поэтому, технологическая
неизбежность того, что чугунные печи изготавливаются литьем исключи-
тельно отдельными элементами /с последующей сборкой/, удачно спо-
собствует предотвращению разрыва стенок при нагреве. При этом,
однако, разрушения уплотнений зазоров
/шнуров и замазок/ между сборочными еди-
ницами приводят к разгерметизациям печи.
К главным причинам терморазрушения
металлических печей часто относят “прогары”
раскаленных стенок топливника, что порой не
совсем обосновано, поскольку печи все же
Теплофизика печных устройств
377
Конструкционные
стали
бывают углеродистыми /так
называемыми ”черными”,
то
есть, нелегированными, напри-
мер, марок Ст3 или Ст20, содер-
жащими помимо углерода лишь упрочняющие добавки марганца и
кремния/, легированными /например, котловой марки 15ХМ, содержа-
щими дополнительно к марганцу и кремнию добавки молибдена, хрома,
никеля/ и высоколегированными /например, нержавеющих марок 12Х17
или 08Х18Н10/, содержащими большое количество хрома и никеля.
Стандарт ГОСТ 5632-72 классифицирует марки стали в части воз-
можных разрушений по коррозионностойкости /стойкости к ржавле-
нию в агрессивных жидких средах/, жаростойкости /стойкости к “про-
горанию” в агрессивных газовых средах/ и жаропрочности /механиче-
ской устойчивости при нагреве/. Такая классификация существенно
отличается от соответствующей классификации керамических мате-
риалов /раздел 7.11.1/, но определенные параллели провести можно.
Так, понятие жаропрочности в чем-то аналогично понятию огнеупор-
ности. Действительно, как и все другие материалы /рис.433/, сталь при
нагреве теряет механическую прочность /и на разрыв, и на сжатие/ и
приобретает пластичность - ковкость /рис.434/. Поэтому, в раскаленном
состоянии колосниковые решетки могут провисать под собственной
тяжестью, а днища и стенки контейнеров банных каменок могут про-
давливаться под нагрузкой камней без возврата к исходной форме.
Легирование стали повышает не только жаропрочность /рис.435/, но и жаростойкость,
а также в определенной степени коррозионностойкость. Так, котельные (котловые) стали
Ст20 и 15ХМ жаропрочны /то есть, надежны в части безаварийной работы под высоком
давлении водяного пара в котлах при температурах до 500оС/, достаточно жаростойки
/как “котельные стали”, так и как “топочные стали”/ в атмосфере печных газов, но корро-
зионностойки только на сухих поверхностях, например, на раскаленных стенках топок и на
стенках котлов с горячей водой или с паром. Высоколегирование сталей хромом способ-
ствует жаростойкости, а никелем - коррозионностойкости. Но поскольку никель суще-
ственно увеличивает термическое расширение стали, то усиливает и коробление изделий.
В части обычной “термостойкости”, конструкционная сталь не склон-
на к рассыпанию /как кирпич и камень/ при термоударах, но в составе
изделий и конструкций может за счет локальных термических расшире-
376
Дровяные печи
Рис.435. Допускаемые механические
напряжения для различных марок кон-
струкционных (котельных) сталей [195].
Рис.437. Скорость окисления листового железа при
различных температурах [196], рассчитанная как прирост
/увеличение/ общей массы образца в единицу времени.
Рис.436. Коробления стального топливника,
вид сверху /см.текст/. Черными точками обо-
значены места фиксации /ребра жесткости/.
Углы с точками - изначально прямые углы 90о.
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 376

дистой стали характерны следующие переходы цвета: соло-
менный 220оC, коричневый 240оC, пурпурный 260оC, синий
300оC, темносерый 330 - 350оС. Для хромистой стали темпе-
ратуры начала окалинообразования существенно повышаются:
светло-соломенный цвет 300оC, соломенный 400оC, красно-
коричневый 500оC, синий 600 - 700оC.
С момента появления защитной окисной пленки /окалины/ и начинается собственно
процесс окислительного разрушения стали, когда кислород воздуха вынужден диффун-
дировать к поверхности металла через слой окислов. При этом процесс окислительного
разрушения стали можно рассматривать и как накопление окислов на поверхности /с уве-
личением общей массы образца, рис.437 - 439/, и как потеря металла - угар /со снижени-
ем массы образца после очистки его от окислов/.
При низких температурах 400 - 600оС скорость окисления поверхности железа под
защитной окисной пленкой мала /рис.437/. При температуре 575оС магнетит /окись-закись
железа Fe3O4 = FeO + Fe2O3/ в защитной пленке начинает разлагаться - восстанавлива-
ется со стороны металла до закиси FeO /называемой вюститом/, а снаружи со стороны воз-
духа окисляется до окиси Fe2O3 /называемой гематитом/. В результате защитная пленка
на поверхности железа становится трехслойной: непосредственно к металлу примыкает
черная закись FeO, далее следует иссиня-черная окись-закись Fe3O4, а затем снаружи в
атмосфере воздуха располагается красноватая окись Fe2O3.
Фаза окалины Относительная толщина слоя фазы в % при различных температурах
700оС
800оС
900оС
1000оС
1090оС
Fe2O3
0,5
2
1
1
1
Fe3O4
2
2
9
4
5
FeO
98
96
90
95
94
Обычно принимается, что соотношение толщин последовательных слоев различных
оксидов в окисной пленке FeO : Fe3O4 : Fe2O3 приближается к 100:10:1 [196]. Считается,
что пленка закиси рыхлая и, несмотря на свою
большую толщину, хорошо пропускает кисло-
род, вследствие чего не предохраняет сталь от
окисления /в отличие от окисно-закисной части
пленки/. Присутствие водяного пара в воздухе
способствует окислению железа, а углекислый
газ не препятствует окислению /рис.438/.
При охлаждении термически окисленных
образцов стали закись железа FeO разлагает-
ся и переходит в закись-окись Fe3O4 /рис.440/.
Теплофизика печных устройств
379
чаще всего выходят из строя из-за деформаций, трещин /разрывов/ и от
ржавления. Прогары предотвращают использованием жаростойких ста-
лей, которые понимаются как стали с повышенной температурой нача-
ла окалинообразования. Для печей это тоже не совсем корректно,
поскольку окалинообразование в печах - это просто образование ста-
бильной защитной пленки на поверхности стали в отличие от окалино-
образования при ковке или прокате металлов, когда эта хрупкая защит-
ная пленка все время неизбежно разрушается /осыпается/ в ходе тех-
нологического процесса в результате механических раздавливаний и
отслаиваний /кузнечными молотами или валками прокатного стана/. Так
или иначе, поскольку углеродистые /черные/ стали имеют низкие /и не
нормируемые/ температуры начала окалинообразования 300-500оС,
для изготовления печей более предпочтительны легированные стали,
имеющие повышенные температуры начала окалинообразования.
Марка стали
Аналог США
Аналог ФРГ
Евроаналог
Температура
по ГОСТ 5672
по AISI
по DIN
по EN10088 окалинообразования,оС
08X13
409
X6Cr13
1.4512
750
10Х13
410
X10Cr13
1.4006
750
12Х17
430
X6Cr17
1.4016
900
08Х18Н10
304
X5CrNi 18-10
1.4301
850
10Х23Н18
310S
X12CrNi 25-20
1.4842
1050
При относительно низких температурах на поверхности железа /и углеродистых ста-
лей/ присутствует тончайшая пассивирующая пленка гамма-окиси железа /20-200оС/ или
альфа-окиси железа /200-400оС/. Началу окалинообразования отвечает возникновение на
поверхности металла защитной пленки магнетита /слоя окиси-закиси Fe3O4/, что сопро-
вождается появлением на окисляемой поверхности “цветов побежалости”. Этот визуаль-
ный эффект вызван не интерференцией света на окисной пленке /поскольку цвета не
изменяются с углом наклона/, а избирательным спектральным поглощением белого види-
мого света фиолетовым магнетитом /иссиня-черным в
толстых слоях/. В тонких слоях /толщиной порядка 50-100
мкм/ магнетит поглощает из белого видимого света /с дли-
нами волн 300-600 мкм/ только синие лучи, и отраженный
свет оказывается желтым. В более толстых слоях /тол-
щиной 200-300 мкм/ магнетит поглощает дополнительно и
зеленые лучи, и отраженный свет становится красным. В
еще более толстых слоях отраженный свет становится
фиолетовым, а затем и черным. При технологическом
воронении стали магнетит имеет толщину более 1000 мкм
= 1 мк = 0,001 мм. Цвета побежалости используют порой
для оценки температуры нагрева стали. Так, для углеро-
378
Дровяные печи
Рис.438. Скорость высокотемпературного окисления
листового железа в различных газовых средах [201].
Рис.439. Скорость окисления листового железа в воздухе
при 1000оС при различных содержаниях добавок хрома [196].
Рис.440. Фазовая диаграмма системы железо
+ кислород при атмосферном давлении [202].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 378

печи “отовсюду” - от горения дров, от
дождей, от баков с водой и от каменок.
При охлаждении окисленной стали
слой окиси отслаивается /растрескива-
ется из-за отличий КЛТР окиси и метал-
ла/. В зазор между поверхностью стали и слоем окиси может попасть
влага и долго удерживаться там от высыхания. Подобные явления хоро-
шо известны как “коррозия под слоем шлама” в водяных /паровых/ кот-
лах [195] или как ржавление “в спучиваниях” автоэмали /отслаиваниях/
на корпусах автомобилей. Такая коррозия называется “стояночной”,
поскольку происходит на холодном оборудовании, в частности, при
охлаждении /простаивании/ печей и котлов между топками.
“Стояночное” ржавление наиболее характерно для верха стальных печей и особенно
для дымовых труб, где ситуация усугубляется наличием слоев копоти /кислых сажистых
отложений/. Слои сажи растрескиваются и отслаиваются вместе со слоями пластовой
ржавчины, оголяя изъеденную поверхность стали. Ржавление возможно также и в зоне
нахождения золы в том случае, если зола увлажняется, например, дождями через дымо-
вую трубу или протечками водяных баков. Этим, видимо, объясняется наблюдаемый
порой факт “прогара” стенок топливника /и колосников/ в районе углей отнюдь не снару-
жи печи /где кислорода много/, а именно внутри печи /где кислорода мало и, более того,
возможна даже восстановительная среда из-за наличия углерода углей и окиси углерода/.
Предупредить подобный “прогар” стенки /а точнее, сквозное “стояночное” ржавление/
можно установкой сменных стальных экранов в топке.
Так или иначе, печи из обычной стали без контакта с водой могут служить годами, не про-
горая. Но при контакте с водными средами /особенно кислыми/ печь может “прогореть”
/проржаветь/ за год даже при стенках толщиной 6-8 мм. Так что печи “медленного горения”
/тления/ могут “прогорать” сильнее, чем обычные буржуйки. Особенно неприятен непре-
рывно стекающий кислотный трубный конденсат, разъедающий прежде всего горизон-
тальный дымооборот внутри печи с имитацией “прямоточного” прогара /рис.367-в/.
Ржавление отличается тем, что на поверхности стали образуется не
окалина, а ржавчина - гидрат окиси железа Fe(OH)3 с характерным
бурым цветом /порой легко смываемая/. Отличить окалину от ржавчины
не сложно. Окалина магнитна, имеет твердую пластинчатую хрупкую
структуру. Ржавчина /не прокаленная/ не является магнитной, имеет
рыхлую структуру /даже в пластах и слоях нагара/, при этом поверх-
ность ржавой стали оказывается изъеденной точечной коррозией.
Теплофизика печных устройств
381
Если в воздухе этот переход осуществляется при 575оС, то в чистом кислороде темпера-
тура перехода закиси FeO в окись-закись Fe3O4 увеличивается до 650-700оС /рис.441/.
Обратим внимание, что коэффициент линейного термического расширения окалины
примерно в два раза ниже, чем у стали [202], вследствие чего окалина при охлаждении
может “трещать” и даже отслаиваться /рис.442/. Кроме того, толстые окисные пленки
являются очень хрупкими и могут трескаться также и при короблениях стенок.
Температура, оС
200 300 400 500 600 700 800 900
КЛТР в 10-6 град-1:
- сталь Ст45
12,7 13,4 14,1 14,6 14,9 15,2 12,5
-
- окалина
6,13 6,54 6,92 7,28 7,74 8,41 9,78 9,01
Легирующие добавки хрома и никеля обеспечивают образование двойных оксидов типа
FeCr2O4, NiFe2O4, NiCr2O4 и затрудняют возникновение закиси железа /рис.439/. Так, вве-
дение добавки хрома /порядка 1%/ повышает температуру, при которой рентгенографи-
чески обнаруживаются следы FeO в защитной окисной пленке, с 575оС до 650оС, крем-
ния - до 750оС, алюминия - до 850оС [196].
Металлические изделия могут разрушаться не только снаружи /на гра-
нице металл-окись/, но и внутри себя /в объеме изделия/. К внутренним
термоокислительным процессам относится обезуглероживание /с раз-
мягчением/ поверхностных слоев стали /то есть выгорание углерода
внутри металла/, перегрев /изменение фазового состава самого метал-
ла или, к примеру, рост зерен карбидных фаз с потерей прочности/,
пережог /окисление поверхности зерен карбидных фаз с растрескива-
нием металлического образца, усиливающимся при наличии водяных
паров/. Для конструкционной стали эти внутренние процессы разруше-
ния становятся существенными лишь при нагреве свыше 1200оС.
В заключение напомним о возможном ржавлении стальных печей
/коррозии при наличии водных сред/, которое в быту часто недооцени-
вается. Но ведь порой достаточно поставить ведро с водой на сталь-
ную печь /даже на окрашенную/ или налить воду в каменку, так тут же
печь может потерять товарный вид из-за следов ржавчины. Это оправ-
дывает применение нержавеющих /а не просто жаростойких/ сталей не
только в целях надежности и долговечности, но и в чисто эстетических
целях, например, в дорогих марках камин-
ных вставок /имеющих порой сложную
кинематику подъема стеклянных дверок/.
Так или иначе, вода может появиться в
380
Дровяные печи
Рис.441.Влияние температуры на состав окалины
при окислении железа в чистом кислороде при нор-
мальном давлении [202].
Рис.442. Аккустический эффект /треск окалины/
при охлаждении окисленного образца стали [202].
глава7 - 8 готовый макет:книга1.qxd 14.07.2014 0:37 Page 380

32. Ю .П .Соснин, Е.Н.Бухаркин, Отопление и горячее водоснабжение индивидуального
дома, М.: Стройиздат, 1991.
33. Г.И .Ксандопуло, Химия горения, М.: Химия, 1980.
34. А.Г.Гейдон, Х.Г.Вольфгард, Пламя, его структура, излучение и температура,
М.: Металлургиздат, 1959.
35. Р
.М .Фристром, А.А .Вестенберг, Структура пламени, М.: Металлургия, 1969.
36. А.Г.Гейдон, Спектроскопия и теория горения, М.: ИЛ, 1950.
37. G.Kroner, Aerosol Science and Technology, v.37, No7, p. 818-827, 2003.
38. А.Г.Блох, Тепловое излучение в котельных установках, Л.: Энергия, 1967.
39. Р
. Зигель, Дж.Хауэлл, Теплообмен излучением, М.: Мир, 1975.
40. Ж.Леконт, Инфракрасное излучение, М.: Физматлит, 1958.
41. А.Л.Бергауз и др., Справочник конструктора печей прокатного производства, под
ред. В.М.Тымчака, т.1 и 2, М.: М.: Металлургия, 1970.
42. Д.Драйздел, Введение в динамику пожаров, М.: Стройиздат, 1990.
43. В.И .Карандашов и др., Фототерапия, М.: Медицина, 2001.
44. В.П .Протопопов, Печное дело, М-Л .: Госстройиздат, 1934.
45. T.J.Ohlemiller, Smoldering Combustion Propagation on Solid Wood, Fire Safety Science,
Proceedings of the Third International Symposium, h. 565-574, NY, Elsevir, 1991.
46. D.D.Evans, H.W.Emmons, Combustion of Wood Charcoal, “Fire Res.”, 1, No1,
p. 57-66, 1977.
47. T.J .Ohlemiller, Smoldering Combustion, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering,
USA: NFPA, 2002, p.2-200.
48. Тепловой расчет котельных агрегатов, под ред. Н.В .Кузнецова, М.: Энергия, 1973.
49. Д.В .Нагорский, Общая методика расчета печей, М-Л .: АН СССР, 1941.
50. В.Н.Моргунов, Печи литейных цехов, Пенза, ПГУ, 2009.
51. Справочник химика, т.5, М-Л .: Химия, 1968, стр.33.
52. М.Ш.Исламов, Проектирование и эксплуатация промышленных печей, Л.:
Химия, 1986.
53. Г.Ф .Кнорре и др., Теория топочных процессов, М-Л .: Энергия, 1966.
54. Б.В.Канторович, Введение в теорию горения и газификации твердого топлива,
М.: Металлургиздат, 1960.
55. В.Н.Андрианов, Основы радиационного и сложного теплообмена, М.: Энергия, 1972.
56. Э.Р
.Еккерт, Р.М .Дрейк, Теория тепло-массообмена, М-Л .: ГЭИ, 1961.
57. Н.Ф .Краснов, Аэродинамика, М.: Высшая школа, 1976.
58. А.М.Мхитарян, Аэродинамика, М.: Машиностроение, 1976.
59. С.А .Христианович и др., Прикладная газовая динамика, М.: ЦАГИ, 1948.
60. В.Е.Грум-Гржимайло, Пламенные печи, М.: ИТИ, 1925
61. Р
. Фейнман и др., Фейнмановские лекции по физике, т.7, Физика сплошных сред,
М.: Мир, 1966.
62. Л.Д.Ландау, Е.М .Лифшиц, Теоретическая физика, т.6, Гидродинамика,
М.: Наука, 1986.
63. И .А.Прибытков, И.А.Левицкий, Теоретические основы теплотехники,
М.: Академия, 2004.
64. И .А.Шепелев, Аэродинамика воздушных потоков в помещении,
М.: Стройиздат, 1978.
65. В.Г.Гухо, Аэродинамика автомобиля, М.: Машиностроение, 1987.
66. С.И .Аверин и др., Механика жидкости и газа, М.: Металлургия, 1987.
67. О.Н.Брюханов и др., Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики,
М.: Инфра-М, 2004.
Литература
383
Литература.
1. А.Я.Корольченко, Д.А .Корольченко, Пожаровзрывоопасность веществ и материалов
и средства их тушения, Справочник, М.: Пожнаука, 2004.
2. А.Н.Баратов и др., Пожароопасность веществ и материалов и средства их тушения,
М.: Химия, 1990.
3. В .И .Азаров и др., Химия древесины и синтетических полимеров, СПб.: ЛТА, 1999.
4. Лесная энциклопедия, М.: СЭ, 1986.
5. В .М .Никитин и др., Химия древесины и целлюлозы,
М.: Лесная промышленность, 1978.
6. Ю.М .Хошев, Дачные бани и печи, М.: Книга и бизнес, 2008.
7. Б .Н .Уголев, Древесиноведение и лесное товароведение, М.: Академия, 2004.
8. Г.Г.Токарев, Газогенераторные автомобили, М.: Машгиз, 1955.
9. Справочник химика, т.6, Л.: Химия, 1967, стр. 86-87.
10. А .Н.Баратов и др., Пожарная опасность строительных материалов,
М.: Стройиздат, 1988.
11. Н.Л .Стаскевич и др., Справочник по газоснабжению и использованию газа, Л.:
Недра, 1990.
12. Д.М.Хзмалян, Я.А .Каган, Теория горения и топочные устройства, М.: Энергия, 1976.
13. Н.В.Лавров, А.П .Шурыгин, Введение в теорию горения и газификации топлива, М.:
АН СССР, 1962.
14. Л .В.Гурвич и др., Термодинамические свойства индивидуальных веществ, под ред.
В.П.Глушко, т.2, М.: Наука, 1979.
15. Б .В .Некрасов, Основы общей химии, М.: Химия, 1973.
16. Г.Барон, Ф.Бигер, К.Ломанн, Химические вещества из угля, пер. с нем. Под ред.
И.В.Калечица, М.: Химия, 1980.
17. М .Б .Равич, Эффективность использования топлива, М.: Наука, 1977.
18. И .В.Кречетов. Сушка древесины, М.: Бриз, 2004.
19. А .В .Врублевский и др., Опасные факторы чрезвычайных ситуаций природного и
техногенного характера, курс лекций, Мн.: КИИ, 2005.
20. В .П .Аксютин и др., Ликвидация пожаров при аварийных ситуациях с опасными
грузами, Сборник трудов «Пожарная безопасность XXI века», М.:
Эксподизайн-холдинг, Пожкнига, 2008.
21. П .Г.Демидов и др., Горение и свойства горючих веществ, М.: Химия, 1973.
22. Ю .Варнатц и др., Горение, М.: Физматлит, 2006.
23. А .И .Розловский, Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими
газами и парами, М.: Химия, 1980.
24. Д.Б .Сполдинг, Горение и массообмен, М.: Машиностроение, 1985.
25. Kermit C. Smyth, J.Houston Miller, Robert C. Dorfman, W.Gary Mallard, Robert J.Santoro,
Combustion and Flame 62: 157-181 (1985).
26. Сейитиро Кумагаи, Горение, М.: Химия, 1979.
27. П .А.Долин, Справочник по технике безопасности, М.: Энергоатомиздат, 1984.
28. Л .А .Вулис, Л.П .Ярин, Аэродинамика факела, Л.: Энергия, 1978.
29. Д.Б .Сполдинг, Основы теории горения, М-Л.: ГЭИ, 1959.
30. У.Гарднер, Химия горения, М.: Мир, 1988.
31. Thierry Poinsot, Denis Veynante, Theoretical and Numerical Combustion, Philadelphia,
R.T. Edwards Inc., 2001.
382
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 382

103. И .В.Кузнецов, О новом способе сжигания топлива в отопительных индивидуальных
печах, Периодический журнал «Энергетик», No4, 2010, стр.22-25.
104. И .И .Свиязев, Теоретические основы печного искусства, СПб, 1867.
105. А.Е.Школьник, Печное отопление малоэтажных зданий, М.: ВШ, 1991.
106. С.М .Миркис, Указатель проектов печей и каминов, опубликованных в России за
последние 100 лет, СПб, 2006.
107. П .В.Самоделов, Комментарий, Периодический журнал «Fireplaces&Stoves/Камины
и печи», 2(12), 59, 2012.
108. Макс Фасмер, Этимологический словарь русского языка, М.: Астрель-АСТ, 2004.
109. Н.Н.Харузин, Очерк истории развития жилища у финнов, М.: Высочайше утв. тов-
во скоропечати А.А . Левенсон, 1895.
110. В.А.Липинская. и др., Баня и печь в русской народной традиции, М.: Intrada, 2004.
111. М.В.Малышев, Печное дело, М.: МКХ, 1961.
112. С.И .Серегин, С.В .Кириллов, Отчеты по испытаниям опытно-экспераминтальной
печи (2006), отопительной печи-камина колпакового типа (2007), отопительной
печи-камина двухколпакового типа (2007), Петрозаводск, Печной центр «КАМИ»
(http://kamicenter.ru).
113. И .И .Ковалевский, Печные работы, М.: Высшая Школа, 1973.
114. Кари Мякеля, Печи и камины, М.: Стройиздат, 1987.
115. А.Л.Веников, П.Д.Вознович, Отопительные печи малой теплоемкости, Академия
коммунального хозяйства им. К .Д.Памфилова, М.: Наркомхоз РСФСР, 1943.
116. Г.Я.Федотов, Русская печь, М.: Эксмо, 2003.
117. М.М.Щеголев, Топливо, топки и котельные установки, М.: ГИЛСА, 1953.
118. А.П .Ковалев, Котельные агрегаты, М-Л .: ГЭИ, 1948.
119. Norbert Duerichen, Wood-burning stoves, Canada, Hancock House Publishers, 1983.
120. Н.Г.Юдушкин, Газогенераторные тракторы, М.: ГНТИМЛ, 1955.
121. М.Э .Аэров, О.М .Тодес, Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со
стационарным и кипящим зернистым слоем. Л .: Химия, 1968.
122. Энциклопедический словарь, М.: ГНИ «Большая Советская Энциклопедия», 1953.
123. В.А.Лямин, Газификация древесины, М.: Лесная промышленность, 1967.
124. Wünning J., Flammenlose Oxidation von Brennstoff mit hochvorgewärmter Luft, Chem.-
Ing. -Tech. 63 (1991), Nr.12, S. 1243-1245.
125. И .Д.Чешко, Экспертиза пожаров (объекты, методы, методики исследования), СПб.:
Санкт-Петербургский институт пожарной безопасности, 1997.
126. И .Д.Чешко, Технические основы расследования пожаров, СПб.: Санкт-
Петербургский институт пожарной безопасности, 2001.
127. А.В.Лыков, Теория теплопроводности, М.: Высшая школа, 1967.
128. М.А.Михеев, И.М .Михеева, Основы теплопередачи, М.: Энергия, 1977.
129. Н.И .Никитин, Химия древесины, Л.: Гослестехиздат, 1935. Н.И .Никитин, Химия
древесины и целлюлозы, М-Л .: Изд-во АН СССР, 1962.
130. В.А.Выродов и др., Технология лесохимических производств, М.: Лесная
промышленность, 1987.
131. В.Н.Козлов, В.С.Высечкин, Исследование процесса обугливания древесины
различной влажности, Труды ЦНИЛХИ, вып.7, 1947.
132. К .И .Ногин, Смолокурение и дегтекурение, М.: Госхимиздат, 1932.
133. V.K.R.Kodur, T.Z .Harmathy, Properties of Building Materials, SFPE Handbook of Fire
Protection Engineering, USA: NFPA, 2002, p.1-155.
134. Б.Б .Серков, Пожарная опасность полимерных материалов, Докторская диссерта
ция, М.: Академия Государственной противопожарной службы, 2001.
Литература
385
68. Б .В .Ухин, Ю.Ф .Мельников, Инженерная гидравлика, М.: Издательство АСВ, 2007.
69. Ю.П .Правдивец, Г.В.Симаков, Введение в гидротехнику, М.: Энергоатомиздат, 1995.
70. В .И .Полушкин и др., Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха,
СПб.: Профессия, 2002.
71. А .Беккер, Системы вентиляции, М.: Техносфера-Евроклимат, 2007.
72. В .Н.Посохин, Аэродинамика вентиляции, М.: АВОК-Пресс, 2008.
73. Е .В .Стефанов, Вентиляция и кондиционирование воздуха, СПб.: АВОК, 2005.
74. Ф .Бартльме, Газодинамика горения, М. Энергоиздат, 1981.
75. И .Н.Зверев, Н.Н.Смирнов, Газодинамика горения, М.: МГУ, 1987.
76. В .А .Винников, Г.Г.Каркашадзе, Гидромеханика, М.: МГГУ, 2003.
77. Н.Е.Кочин, И.А.Кибель, Н.В.Розе, Теоретическая гидромеханика,
М.: Физматлит, 1963.
78. В .А .Бударин, Метод расчета движения жидкости, Одесса: Астропринт, 2006.
79. Дж.Бетчелер, Введение в динамику жидкости, М.: Мир, 1973.
80. Е .В .Валуева, В.Г.Свиридов, Введение в механику жидкости, М.: МЭИ, 2001.
81. Г.Биркгоф, Гидродинамика /методы, факты, подобие/, М.: ИЛ, 1963.
82. Ф .Дразин, Введение в теорию гидродинамической устойчивости,
М.: Физматлит, 2005.
83. А .П .Меркулов, Вихревой эффект и его применение в технике,
М.: Машиностроение, 1965.
84. А .Г.Касаткин, Основные процессы и аппараты химической технологии,
М.: ГНТИХЛ, 1961.
85. А .Н.Плановский и др., Процессы и аппараты химической технологии,
М.: Госхимиздат, 1962.
86. А .А .Каминер, О.М.Яхно, Гидромеханика в инженерной практике,
Киев: Техника, 1987.
87. Н.Б .Варгафтик, Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, М.:
Наука,1972. Н.Б .Варгафтик и др., Справочник по теплопроводности жидкостей и
газов, М.: Энергоатомиздат, 1990.
88. А .Н.Колмогоров, Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости,
Известия АН СССР, сер. физ., т.6, стр.56, 1942.
89. А .Д.Альтшуль, Гидравлические сопротивления, М.: Недра, 1970.
90. А .Д.Альтшуль и др., Примеры расчетов по гидравлике, М.: Стройиздат, 1977.
91. И .Е.Идельчик, Справочник по гидравлическим сопротивлениям,
М.: Машиностроение, 1975.
92. Walter Wagner, Lufttechnische Anlagen, Wurzburg.: Vogel Buchverlag, 1997.
93. P.O.Rosin, The Aerodynamics of Domestic Open Fireplaces, Journal of the Institute of Fuel,
Vol. 12, 1939, pp. 198-224 /www.heatkit.com/docs/rosin.PDF/.
94. А .М .Андреев, Садовая баня и ее загадки, М.: Эксмо, 2007.
95. W.E.Groum-Grjimailo, The Flow of Gases in Furnaces, New-York, 1923.
96. И .С.Подгородников, Конструкции отопительных печей и связанный с ними
тепловой режим помещения, диссертация, 1950.
97. И .С.Подгородников, Бытовые печи, М.: МКХ РСФСР, 1960.
98. И .С.Подгородников, Бытовые печи двухколпаковые, М.: Колос, 1992.
99. М .В .Ломоносов, О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном,
диссертация, СПб, 1742.
100. Г.Биркгоф, Гидродинамика, М.: ИЛ, 1963.
101. Л .А.Вулис, В.П .Кашкаров, Теория струй вязкой жидкости, М.: Наука, 1965.
102. Н.Абрамович, Теория турбулентных струй, М.: Эколит, 2011.
384
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 384

159. Nordica MacCarty, Damon Ogle, Dean Still, Dr. Tami Bond, Christoph Roden, Dr. Bryan
Willson, Laboratory Comparison of the Global-Warming Potential of Six Categories of
Biomass Cooking Stoves, OR USA, Aprovecho Research Center, 2007.
160. М.Б .Равич, Поверхностное горение и использование продуктов сгорания,
М-Л .: АН СССР, 1942.
161. М.Б .Равич, Поверхностное беспламенное горение, М.: АН СССР, 1949.
162. John Field, Gasifying Cookstoves Database, Colorado State University, Fort Colins CO,
2012.
163. Правила производства трубо-печных работ, М.:ВДПО, 2006.
164. Ш.К .Афанасьев, Камины. Современный взгляд, М.: Аделант, 2008.
165. В.Н.Глухих, Камины, СПб.: Профикс, 2003.
166. Путеводитель по цифрам и фактам. Сборник, М.: Рипол-Классик, 2002.
167. Colin A.McGugan, Fireplace Air Requirements, ORTECH International, Mississauga,
Ontario, Canada, 1989.
168. С.П .Михайлов, Всё о печах. Секреты мастера, СПб, ПИТЕР, 2013.
169. Ф.А.Брокгауз, И.А.Ефрон, Энциклопедический словарь, М.: Терра, 1991.
170. А.Н.Сканави, Л.М .Махов, Отопление, М.: Издательство АСВ, 2002.
171. Л.А.Семенов, Печное отопление, М.: Стройиздат, 1968.
172. Л.А.Семенов, Теплоотдача отопительных печей и расчет печного отопления,
М.: Стройиздат, 1943.
173. А.Шак, Теплопередача в промышленных установках, М-Л .: ГЭИ, 1933.
174. Ф.Крейт, У.Блэк, Основы теплопередачи, М.: Мир,1983.
175. Б .Гебхарт и др., Свободноконвективные течения, тепломассообмен, М.: Мир, 1991.
176. Adrian Bejan, Convection Heat Transfer, USA, New Jersy, Willey Inc., 2013.
177. Convection and Conduction Heat Transfer, ed. Amimul Ahsan, Croatia, INTECH, 2011.
178. С.В .Василькова и др., Расчет нагревательных и термических печей,
М.: Металлургия, 1983.
179. В.Л.Гусовский, А.Е .Лифшиц, Методика расчета нагревательных и термических
печей, М.: Теплотехник, 2004.
180. Ю.П.Шлыков, Е.А.Ганин, Контактный теплообмен, М.: Госэнергоиздат, 1963.
181. А.Ф.Чудновский, Теплофизические характеристики дисперсных материалов,
М.: Физматгиз, 1962.
182. Э .П .Волчков и др., Структура течения, тепло- и массообмен в пограничных слоях
со вдувом химически реагирующих веществ (обзор), периодич. журнал “Физика
горения и взрыва”, No1, 2004, стр.3-20.
183. А.В.Дмитренко и др., Влияние горения на процессы тепло- и массообмена
в пристеночном слое, в Сб. “Труды Четвертой российской национальной
конференции по теплообмену”, том 3 /Свободная конвекция. Теплообмен
при химических превращениях/, М.: Издательский дом МЭИ, 2006.
184. С.И .Серегин, Е.В.Колчин, С.И .Несов, А.Ф.Бацулин, С.В.Кириллов,
Печь отопительная ОИК ХК, отчет по испытаниям, Петрозаводск, КАМИ, 2011.
185. И .Я.Гузман, Химическая технология керамики, М.: РИФ “Стройматериалы”, 2003.
186. Н.А .Торопов и др., Диаграммы состояния силикатных систем, вып.3,
Л.: Наука, 1972.
187. Представительство “Вольфсхойер Тонверке ГмбХ & Ко.КГ”, Печной шамот,
Периодический журнал “Fireplaces & Stoves /Камины и печи/”, No2(11), 2012.
188. Анатолий Новиков, О трещиностойкости печей-каменок,
Периодический журнал “Камины и печи /Индустрия/”, No3(03), 2009.
Литература
387
135. В .Н.Демехин, В.В .Лукинский, Б.Б.Серков, Пожарная опасность и поведение
строительных материалов в условиях пожара, СПб.: КОВЭКС, 2002.
136. Б .Б.Серков, Р.М .Асеева, А.Б .Сивенков, Физико-химические основы горения и
пожарная опасность древесины, Интернет-журнал «Технологии техносферной
безопасности». Часть 1, No6 (40), 2011. Часть 2, No1 (41), 2012.
137. Р
. М.Асеева, Б.Б .Серков, А.Б .Сивенков, Горение древесины и ее пожароопасные
свойства, М.: Пожнаука, 2010.
138. Р
. М.Асеева, Б.Б .Серков, А.Б .Сивенков, С.Л.Барботько, Е.Ю.Круглов,
Характеристики тепловыделения при горении древесины различных пород и
видов, Периодический журнал «Пожаровзрывобезопасность», том 20, No7, 2011,
стр.2-7.
139. В .Н.Козлов, Реконструкция углежжения на Урале. Теория углежжения, М-Л .:
АН СССР, 1941.
140. D.D .Drysdale, Thermochemistry, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, USA:
NFPA, 2002, p.1-93.
141. У.Чайлдс, Физические постоянные, М.: ГИФМЛ, 1962.
142. Archibald Tewarson, Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires, SFPE
Handbook of Fire Protection Engineering, USA: NFPA, 2002, p.3-82.
143. Ю .М .Хошев, Сауна. Гигиеническая баня для дачника и садовода, М.: Астрель,
2004.
144. Л.Н.Хитрин, О.А.Цуханова, Горение углерода, Успехи физических наук, т. 61, вып.3,
311, 1950.
145. Л .Н.Хитрин, Физика горения и взрыва, М.: МГУ, 1957.
146. Норберт Вильдбахер, Утилизация золы котельных, работающих на древесном
топливе, Минск: ПРООН/ГЭФ, 2007.
147. В .В .Замащиков, Горение газа вблизи пределов, Диссертация, Новосибирск,
ИХКГ СО РАН, 2012.
148. В .А .Двойнишников и др., Конструкция и расчет котлов и котельных установок,
М.: Машиностроение, 1988.
149. В .М .Фокин, Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения,
М.: Машиностроение, 2006.
150. P.J.T.Bussmann, P.Visser, K.Krishna Prasad, Open Fires: Experiments and Theory,
Proc.Indian Acad.Sci., v.6, No.1, p.4-34, 1983.
151. Crant Ballard-Tremeer, Emission of Rural Wood-Burning Cooking Devices,
Johannesburg, University of Witwatersrand, 1997.
152. Н.Н.Семенов, Тепловая теория горения и взрывов, УФН, 23, 3, 251, 1940.
153. Я.Б .Зельдович, Теория горения и детонации газов, М.: АН СССР, 1944.
154. Я.Б .Зельдович, О горении неперемешанных газов, ЖТФ, 19(9), 1949.
155. Mario Ortega, Improved Combustion in Wood Stoves, Norvegian Univercity of Science
and Technology, 2008.
156. Morten Seljeskog, Particle Emission Factors from Wood Stove Firing in Norway,
Trondheim, SINTEF Energy Research AS, 2013.
157. Hans Hartmann, Status on emissions, regulation and technical improvements and future
development for residential wood appliances in Germany, in Seminar on wood combustion
and air quality, Denmark, Aarhus, 2012.
158. Ch.Gaegauf, U.Wieser, Y.Macquat, Field Investigation of Nanoparticle Emissions from
Various Biomass Combustion Systems, in International Seminar “Aerosols from Biomass
Combustion”, Zurich, Internation Energy Agency, 2001.
386
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 386

Оглавление
Введение .................................................................................................................3
1. Горение древесины................................................................................................4
1.1. Химия процесса..................................................................................................4
1.1.1 . Газификация и горение......................................................................................5
1.1.2. Строение и свойства древесины..........................................................................7
1.1.3 . Химический состав древесины..........................................................................12
1.1.4. Термическое разложение древесины.................................................................14
1.1.5. Газификация...................................................................................................17
1.1.6. Газогенерация.................................................................................................20
1.1.7. Дровяная печь как газогенератор.......................................................................23
1.2. Воспламенение древесины.................................................................................26
1.2.1. Температурный фактор....................................................................................26
1.2.2. Размерный фактор...........................................................................................29
1.2.3 . Треск воспламенившейся древесины.................................................................30
1.2.4. Распространение зоны воспламенения..............................................................31
1.3. Пламенное горение древесины............................................................................34
1.3.1. Горение перемешанных газов............................................................................35
1.3.2. Горение не перемешанных газов..........................................................................42
1.3.3. Строение ламинарного диффузионного пламени................................................49
1.3.5. Дымление горящих дров..................................................................................54
1.3.6. Оптическое излучение пламени........................................................................63
1.3.7. Особенности пламенного горения древесины....................................................67
1.4. Тление древесины.............................................................................................69
1.5. Свойства воздуха как окислителя........................................................................76
1.6. Свойства дымовых газов.....................................................................................80
2. Движение газов...................................................................................................84
2.1. Понятие идеального газа...................................................................................84
2.2. Гидравлическое приближение............................................................................85
2.3. Гидростатика....................................................................................................87
2.4. Гидродинамика невязкой жидкости......................................................................91
2.4.1 . Уравнение Бернулли для невязкой жидкости.....................................................92
2.4.2. Истечение жидкости из отверстия.....................................................................94
2.4.3 . Свободное падение струи жидкости..................................................................95
2.4.4 . Напор жидкости как аналогия печной тяги.........................................................96
2.4.5 . Течение жидкости «рекой»..............................................................................98
2.4.6 . Перелив жидкости через незатопленную плотину.............................................101
2.4.7 . Понятие «разрыва напора»...........................................................................102
2.4.8 . Понятие точечного стока...............................................................................105
2.4.9 . Инерционные явления..................................................................................107
2.4.10. Турбулентности, вихри, циклоны...................................................................109
2.5. Гидродинамика вязкой жидкости.......................................................................113
2.5.1. Особенности движения вязкой жидкости..........................................................115
2.5.2. Число Рейнольдса..........................................................................................117
Оглавление
389
189. К .К.Стрелов, И.Д .Кащеев, П.С.Мамыкин, Технология огнеупоров,
М.: Металлургия, 1988.
190. Механические свойства материалов при повышенных температурах, Сборник,
М.: Металлургия, 1965.
191. Э .Мелан, Г.Паркус, Термоупругие напряжения, вызываемые стационарными
температурными полями, М.: Физматгиз, 1958.
192. К .Д.Некрасов, А.П .Тарасова, Жаростойкий бетон на портландцементе,
М.: Стройиздат, 1969.
193. Л .М.Сулименко, Технология минеральных вяжущих материалов и изделий
на их основе, М.: Высшая школа, 2000.
194. И .А.Рыбьев, Строительное материаловедение, М.: Высшая школа, 2002.
195. М .В .Мейкляр, Как работает металл парового котла, М-Л, ГЭИ, 1961.
196. И .В.Семенова и др., Коррозия и защита от коррозии, М.: Физматлит, 2002.
197. П .А.Антикайн, Коррозия металла парогенераторов, М.: Энергия, 1977.
198. П .А.Акользин, Предупреждение коррозии маталла паровых котлов,
М.: Энергия, 1975.
199. К .А.Ланская, Высокохромистые жаропрочные стали, М.: Металлургия, 1976.
200. Н.П .Жук, Курс теории коррозии и защиты металлов, М.: Альянс, 2006.
201. В .Тринкс, Промышленные печи, М.: ГНТИЛЧЦМ, 1961.
202. А .Б .Сычков и др., Формирование оптималных свойств окалины
на поверхности катанки, Бендеры, Полиграфист, 2008.
203. Н.О .Оберлом, Сварочные деформации и напряжения, М-Л .: ГНТИМЛ, 1948.
204. Mark Bryden, Design Principles for Wood Burning Cook Stoves, USA, OR,
Aprovecho Research Center, 2002.
388
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 1000

5.3.2 . Поступление воздуха в топливник........................................................................214
5.3.3 . Подача вторичного воздуха...................................................................................217
5.4. Вывод дымовых газов...............................................................................................220
5.5. Лучистый нагрев дров...............................................................................................224
5.6. Переменные факторы огневого процесса...............................................................227
5.7. Дрова как топливо и как горючее.................................................................................228
5.8. Модель микротопок...................................................................................................231
5.8.1 . Горение в микротопках..........................................................................................233
5.8.2 . Форма пламен в микротопках...............................................................................238
5.8.3. Обугливание поленьев в микротопках ...................................................................243
5.8.4. Тепловая нагрузка на древесину...........................................................................245
5.8.5 . Свойства обугленного слоя...................................................................................248
5.8.6 . Влияние влажности древесины............................................................................250
5.8.7. Пульсации горения дров........................................................................................252
5.8.8 . Горение углей на решетке.....................................................................................254
5.8.9. Пепел на углях........................................................................................................259
5.9. Сжигание летучих над дровами...............................................................................261
5.9.1. Сжигание газообразных летучих...........................................................................261
5.9.1 .1. Сжигание свободным пламенем........................................................................261
5.9.1.2. Дожигание пламен стеснением в отверстии........................................................266
5.9.1.3. Дожигание пламен в ансамбле стесняющих отверстий......................................269
5.9.1.4. Дожигание пламен “смешением” с воздухом........................................................272
5.9.1.5. Дожигание пламен ускорением потока.................................................................275
5.9.1 .6. Дожигание пламен закруткой.............................................................................277
5.9.1 .7. Дожигание пламен под раскаленными сводами...............................................280
5.9.1 .8. Выделенные камеры дожигания........................................................................282
5.9.2. Дожигание жидкокапельных летучих....................................................................285
5.9.2.1. Дожигание белого дыма у поверхности древесины.............................................285
5.9.2 .2. Дожигание белого дыма в объеме топливника.................................................287
5.9.3 . Ракетные печи........................................................................................................289
5.9.4 . Печи газификации..................................................................................................292
5.9.5. Каталитическое окисление горючих газов............................................................293
5.10. Эмиссия печей.........................................................................................................296
5.11. Пламена воздуха в горючем газе...........................................................................298
5.12. Газифицирующие решетки.....................................................................................300
6. Дымовые трубы............................................................................................................302
6.1. Конструктивные типы дымовых труб.......................................................................302
6.2. Бестяговые трубы.....................................................................................................306
6.3. Тяговые трубы...........................................................................................................308
6.4. Дымовая труба как дымоотвод.................................................................................311
6.5. Принцип горячего трубного стояка.......................................................................... 314
6.6. Возбуждение тяги......................................................................................................316
6.6.1. Первичное образование тяги при розжиге печи...................................................317
6.6.2 . Влияние высоты расположения хайла.................................................................319
6.6.3. Поддержание тяги при горении печи.....................................................................321
6.7. Технологическое ограничение трубной тяги...........................................................324
6.8. Осадки в дымовых трубах........................................................................................326
Оглавление
391
2.5 .3. Уравнение Бернулли для вязкой жидкости.......................................................121
2.5 .4. Гидрогазодинамические потери давления........................................................125
2.5.5. Свободная затопленная струя вязкой жидкости..................................................131
2.5 .6. Стесненная затопленная струя вязкой жидкости..............................................134
3. Движение горячих газов......................................................................................138
3.1 . Подъемная сила.............................................................................................138
3.2. Природа течений горячего газа..........................................................................140
3.3. Гравитационная конвекция...............................................................................141
3.4 . Пространственный контур конвекции.................................................................143
3.5. Конвективные струи.........................................................................................144
3.6 . Конвекция в частично ограниченном пространстве.............................................. 148
3.6 .1. Конвекция в вертикальных трубах...................................................................149
3.6.2. Конвекция в горизонтальных трубах.................................................................152
3.6 .3. Конвекция в проточных полостях и в наклонных трубах..................................154
3.6 .4. Конвекция в системах параллельных вертикальных труб.............................156
3.6 .5. Транзитная конвекция в полостях...................................................................159
3.7. Неизотермичность горячих газов...............................................................................161
3.7.1. Продольная и поперечная неизотермичность......................................................161
3.7 .2. Модель “вольного” движения................................................................................163
3.7 .3. Модель обращенной тяги......................................................................................165
3.7.4. Модель сообщающихся сосудов...........................................................................167
4. Газодинамика конвективных систем...........................................................................168
4.1. Гидравлические типы печных устройств.................................................................169
4.1 .1. Емкостные схемы транспорта...............................................................................169
4.1.2. Водоводные схемы транспорта.............................................................................171
4.1 .3. Водопроводные самонапорные схемы транспорта.............................................173
4.1 .4. Водопроводные насосные схемы транспорта.....................................................175
4.1 .5. Комбинированные схемы транспорта..................................................................175
4.2 . Тяга в водопроводной системе................................................................................177
4.3 . Классификация печей по геометрии каналов внутри печи....................................179
4.4. Анализ конвективных систем с помощью эпюр давления.....................................180
4.4.1. Эпюра давлений при отсутствии протока газов...................................................181
4.4.2. Эпюра давлений при наличии протока газов.......................................................183
4.4.3. Эпюра давления в допустимом “коридоре” значений.........................................185
4.4.4. Эпюра давления в многооборотной печи.............................................................187
4.4.5 . Эпюра давления в двухярусной печи...................................................................189
4.5. Особенности течений в полостях и каналах...........................................................191
4.5.1. Разграничение понятий полостей и каналов.......................................................192
4.5.2. Виды встречных течений.......................................................................................195
4.5.3. Течения остывающих газов в каналах..................................................................197
4.5.4. Течения остывающих газов в полостях................................................................201
5. Топочные устройства печей........................................................................................206
5.1. Конструктивные типы топливников..........................................................................206
5.2. Режимы горения дров...............................................................................................210
5.3. Системы подачи воздуха..........................................................................................212
5.3.1. Поступление воздуха в костер..............................................................................213
390
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 1002

7. Теплофизика печных устройств................................................................................... 328
7.1 . Механизмы первичного выделения тепла..............................................................328
7.2 . Лучистая теплопередача..........................................................................................331
7.3 . Кондуктивная теплопередача..................................................................................336
7.4. Конвективная теплопередача...................................................................................337
7.4 .1. Теплопередача при естественной конвекции......................................................338
7.4 .2. Теплопередача при принудительной конвекции..................................................342
7.5. Стационарная теплопередача.................................................................................344
7.6. Теплоаккумуляция....................................................................................................347
7.7. Нестационарная теплопередача.............................................................................348
7.8. Теплообмен в зернистом слое.................................................................................349
7.9. Преобразование тепловых потоков.........................................................................352
7.10. Коэффициент полезного действия........................................................................354
7.11. Термическое разрушение кирпичных печей..........................................................358
7.11.1. Огнеупорность и термостойкость........................................................................359
7.11.2. Строение песка и глины.......................................................................................360
7.11.3. Термические расширения керамических материалов.......................................363
7.11.4. Терморазрушение керамических изделий..........................................................364
7.11.5. Терморазрушение монолитных конструкций......................................................368
7.11.6. Терморазрушение сборных конструкций............................................................370
7.11.7. Термокомпенсирующие зазоры...........................................................................372
7.12. Термическое разрушение металлических печей..................................................374
Литература.......................................................................................................................382
Оглавление......................................................................................................................389
ПРОЕКТ ОРИГИНАЛ - МАКЕТА
Хошев Юрий Михайлович
Дровяные печи
Подписано в печать 2014г. Формат 60х88 1/16. Бумага офсетная No1.
Гарнитура Arial. Печать офсетная. Усл.печ.л .24,5.
Тираж н/о. Заказ б/н.
ЗАО “КНИГА И БИЗНЕС”
103050, г. Москва, Благовещенский пер. д .12, стр.2
Отпечатано в соответствии с качеством представленных диапозитивов
в ФГУП “Производственно-издательский комбинат ВИНИТИ”,
140010, г. Люберцы, Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел. 554-21-86.
392
Дровяные печи
Литература-Оглавление:книга1.qxd 14.07.2014 1:37 Page 1004