Проточные полости

Исследования газодинамики печных колпаков

На сегодняшний день отсутствуют значительные экспериментальные исследования, посвященные газодинамике печных колпаков. Это можно отчасти объяснить недостатком практического интереса к так называемым «свободным» колпакам, которые не имеют протока. Даже самые ярые энтузиасты систем «свободного движения газов» интуитивно стремятся «загнать» дым в верхний колпак не «свободно» (из-за сил гравитации), а благодаря высокой скорости дымовых газов в области сужения (см. рис. 118, а).

Принудительное движение газов

Таким образом, газ направляется принудительно, что обусловлено напором в печной системе (из-за разряжения в дымовой трубе) и движением газа вертикально снизу вверх. Это значит, что принудительный ввод горячего газа в колпак полностью разрушает концепцию сепарации горячих и холодных струй внутри него. Следовательно, «колпаковые» системы теряют свои изначальные свойства и превращаются в замкнутые сосуды с одним (или несколькими) входными и выходными отверстиями (см. рис. 126 г, д, е).

Структура печной системы

Как упоминалось ранее, каждая печная трубная система (включая «бесканальные» колпаки по ГОСТ 2127-47) представляет собой последовательность каналов и расширений полостей. Через данную систему проходит транситный поток газов под действием тяги дымовой трубы, образующий замкнутый (циркуляционный) поток.

Каналы печей

Каналы печей являются узкими коммуникациями, где поток газов считается однонаправленным. Возможны разветвления на параллельные каналы, а потоки остаются однонаправленными. При расширении каналов поток может терять свою однонаправленность, что приводит к образованию застойных зон.

Взаимодействие газов

Нарушение однонаправленности значит, что возникают взаимно контактирующие потоки. Чем горячее газы, тем выше их вязкость, и сложнее образуются встречные потоки. С увеличением кинетической энергии газов растет вероятность формирования встречных движений. Поэтому в больших полостях с высокими скоростями вдува ожидаются встречные течения.

Циркуляционные потоки

Сквозные потоки являются принудительными из-за внешнего воздействия тяги дымовой трубы. Внутренние вращающиеся потоки, циркулируя, создают «свободные» движения газа, что иногда ассоциируется с конвективными потоками, возникающими от нагрева газов.

Анализ аэродинамической обстановки

При анализе аэродинамической ситуации печники интуитивно рисуют траектории потока, относясь к личному опыту. Исходя из этого, следует стремиться к направлению сквозного потока так, чтобы он обмывал все необходимые поверхности и теплосъемные элементы.

Оптимизация нагрева

В отопительных печах критически важно равномерно нагревать стены. Это достигается, например, за счет рассечек, которые превращают полости в многооборотные дымоходы.

Перемешивание газов

Равномерность нагрева может повышаться за счет интенсивного перемешивания газов. В некоторых случаях, несмотря на близость входных и выходных отверстий, колпаковые полости с мощным вводом газа могут равномерно прогреваться.

Конструктивные особенности колпаков

Наиболее распространенной в России является конструкция колпака Подгородникова, работающая эффективно при строгом направлении горячих газов.

Рис. 129. Возможные особенности газовых течений в полости типа «колпак Подгородникова»

Факторы, влияющие на теплообмен

В случае большого отверстия и низкой тяги, подъем дыма будет медленным, что снижает эффективность нагрева. Но по мере увеличения скорости и температуры дыма, эффективность растет.

Заключение

Таким образом, оптимизация конструкций печей требует учета множества факторов: от инерции и сопротивления потоков до их распределения внутри каминов и колпаков. Учёт всех этих аспекта поможет обеспечить эффективную работу печной системы и равномерный нагрев через оптимизацию каналов и рассечек.

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