Дмитрий Михалев, Березовка (Томская область).

Пожилой жизнерадостный эстонец Эхарлес Абнер, родившийся и всю жизнь проживший в Сибири, с гордостью показывает сделанные своими руками строительные инструменты.

Абнер - один из жителей томской деревушки, куда в начале прошлого века на плотах по полноводной реке Чулым приплыли эстонцы, которые были вынуждены покинуть родину в поисках лучшей жизни. В те далекие годы новая родящая земля была для них спасением. Трудолюбие превратило не знавшую плуга сибирскую землю в пригодный для жилья плодородный край, в "Маленькую Эстонию".

"Моя мастерская. Вот, допустим, все пилы, рукоятки к ним делал сам. Специальные кусачки. Кладешь полотно, чик - и зуб пилы готов", - рассказывает Абнер. Его прадеды одними из первых пришли на эту землю. Они назвали эту деревушку Касакюла, однако позже стала назваться на русский лад - Березовка.

Эхарлес, родившийся в 1937 году, до сих пор держит несколько коров, коня, разводит пчел. С некоторым стеснением он признает, что пишет по-русски с большим количеством грамматических ошибок. "У нас же нет родов", - улыбается радушный хозяин дома, до 7 лет вообще с трудом понимавший русский язык.

"Наши прадеды, обосновавшиеся здесь, и деды не знали русского. До 30-х годов школа была чисто эстонской", - поясняет Эхарлес Эйнович.

Березовку, как и практически примыкающую к ней Лиллиенгофку (цветочный двор), основали в 1902 году коренные эстонцы. Безземелие на родине заставило их искать новые земли, где можно было бы свободно трудиться и жить. "Столыпинским поселенцам", как они сами себя называют, давали нетронутые земли, которой здесь было в прямом смысле немерено.

"Изначально это было поселение добровольно переселившихся эстонцев. Они сначала приезжали в Мариинск, им давали своеобразные подъемные - деньги, хозинвентарь. Потом они привозили сюда свои семьи. Поэтому до сих пор здесь такое гнездовое житье", - говорит завуч березовской школы Татьяна Рейндольф, связавшая с этим местом свою жизнь.

Русская женщина, приехавшая сюда в 1982 году и вышедшая замуж за эстонца, как никто другой понимает необычность небольшой деревни с таким вроде бы родным для русского уха названием.

"Эта школа только с 1937 года стала вести преподавание на русском. Но еще в начале 70-х годов ребята приходили в первый класс, их брала учительница-эстонка, за первый класс переучивала на русский язык, во втором классе отдавала другому учителю-русскоговорящему и опять набирала первый класс. Вот кому сейчас 43-45 лет - они еще через это прошли", - говорит она.

Не простая деревня

От русских деревень Березовку внешне, пожалуй, отличают лишь традиционные эстонские риги - огромные сараи возле домов. Да и внутренний мир приезжему откроется не сразу.

Татьяна Рейндольф на минуту задумывается, прежде чем ответить на вопрос об "эстонской" специфике деревни. Первым делом она вспоминает традиционные блюда.

"Блюда - однозначно. Я научилась делать их кровяную колбасу и смогу от начала до конца все это сделать. У них есть суп из свиных хвостиков - он варится и сейчас. Они по-другому готовят капусту с крупой, варят молочный суп с овощами, традиционные сыры. Но многообразия блюд нет", - отмечает учитель.

"Есть такой интересный ракурс. Всегда здесь, например, были некоторые сложности и особенности с организацией тимуровской работы. Брошенных стариков здесь никогда не было. Не было таких семей, чтобы совсем некому было бы о них позаботиться. Думаю, что такая сплоченность - черта эстонцев", - говорит она.

Завуч отмечает некоторую скрытность эстонцев по сравнению с русскими, но считает это скорее достоинством, чем недостатком.

"Один милиционер мне сказал: "Люблю ездить в Березовку. В другую деревню приедешь - все расскажут. Кто с кем пил, где ходил, чего брал. В Березовке - никто ничего не видел, ничего не знаю", - смеется Татьяна Александровна.

Эстонцы не общественники - собственники. "У них генетически сохраняется забота прежде всего о своем хуторе, но это не принцип "моя хата с краю". У него должно быть все благополучно в своем хуторе-государстве. Но жизнь изменяется и сейчас должно быть общественное сознание, что в них формируется сложно", - говорит она.

Хозяйственность в крови у Эхарлеса Абнера. Все в доме сделано его руками. Деревянные сани, бочки, двери. Здесь давно его земля. Он сибиряк, но сибиряк-эстонец. Гармонь в его руках выдает то русские, то эстонские песни.

"Заволокиных бы сюда пригласить. Вот в Первомайское приезжали, а я и не знал. Обязательно бы поехал", - говорит он. В это время жена предлагает гостям капусту сваренную на сале с перловкой - традиционно одно из любимых блюд.

Тяжелые времена

Эхарлес охотно рассказывает о своей семье эстонцев-хозяйственников. Революция, коллективизация и репрессии, смерть отца.

"В 1917 году, говорили, было страшное время. Ложишься спать, а наутро не знаешь, что будет. В 1929 году, когда началась коллективизация, дед со своей семьей поступил в колхоз. В 1933-м к чему-то докопались и раскулачили. Деда сослали на север, а семью выселили из дома. Когда я родился, у нас еще дома не было. Отца арестовали в ноябре 1937, а в декабре расстреляли", - рассказывает Эхарлес Эйнович.

Татьяна Рейндольф восхищается тягой к жизни и своеобразными чертами сибиряков-эстонцев. "Он из раскулаченных. Ну и что. Сломали все, что можно, все отобрали. И тем не менее, у него сейчас и легковая машина и грузовая машина и трактор колесный и рулонник для сена. В генах все осталось. Хотя и живет в своем микросоциуме с такой же, как у всех пенсией", - улыбается она, говоря о семье Абнеров.

Эту живучесть отмечает она у всей эстонской деревни, в которой сейчас живет уже меньше 600 человек.

"Сейчас в селе довольно сложная ситуация и производства фактически никакого нет. Есть школа, дом культуры, ФАП, три магазина. Все. Но люди все равно ищут, как жить. Кто-то заготавливает сено так, чтобы потом в течение всего года его продавать, кто-то собирает молоко, кто-то идет в таксисты, кто-то на вахту. Муж и еще несколько человек несколько лет назад объединились, оформили свой земельный пай и сеют, обрабатывают землю", - рассказывает учитель, не скрывая, что маргинализация населения все же происходит.

Кто-то уехал

Эстонцы очень дорожат землей. Многие из семей первых поселенцев уехали на родину, признают старожилы села. Другие же видят свою родину только здесь.

"Все-таки они очень дорожат этой землей и привязаны к ней. В принципе, у нас возможность отсюда уехать была. Но... остались", - говорит Татьяна Рейндольф.

Было несколько волн переселения обратно в Эстонию, например в начале 80-х. Но некоторые вернулись в глухое село. "Мы сибиряки, - говорят пожилые эстонцы, - здесь наша родина".

Сибирские эстонцы, уехавшие на национальную родину, ежегодно собираются в августе. Снимают встречи на видео, присылают его в Березовку. В самом селе празднуются и православные и католические праздники.

"Если все праздновать, каждый день гулять можно", - смеется сын Эхарлеса, Оскар Абнер.

Делегация из Эстонии во главе с атташе по культуре посольства Эстонии в России Андрой Вейдеманн, посетившая деревню в прошлом году, превратила знаменитый эстонский праздник Янову ночь в поистине международный, а Березовка стала настоящей российской Эстонией.

Просмотры: 254

Деревня Кясму расположена на одноимённом полуострове в национальном парке Лахемаа. Кясму величают деревней капитанов, здесь была школа моряков, и почти в каждой семье был капитан или штурман. Сейчас эти дома выкуплены состоятельными эстонцами и бизнесменами, которые сделали из них респектабельные дачи или бунгало для туристов. Сейчас один из домов в деревне продаётся, стоимость 295 000 евро (данные kv.ee)
Вот такая себе вилла для состоятельных туристов. Деревня состоит из одной улицы, с одной стороны за домами сосновый лес, со второй — Балтийское море.

Да, в Кясму почти треть домов доступна для бронирования как виллы или бунгало, вы можете легко забронировать их на booking и airbnb . И некоторые автобусные туры по Прибалтике для иностранцев заезжают на часок-другой в эту деревушку. Также здесь проходит самый большой фольклорный фестиваль в Эстонии — Виру Фолк. И рядом в лесу расположено самое большое в Эстонии поле валунов, которые сюда принёс ледниковый период из Скандинавии.

Эта красивая картинка была снята глубоким вечером в небольшой гавани Кясму.

Все домики в деревне — деревянные, 1 или 2 этажа. Белый цвет доминирует — традиции капитанских домов, которые любили красить именно в белый. Очень трогательное и бережное отношение владельцев жилья — во всех окнах и дворах аккуратная и красивая зелень

В деревне есть морской музей и небольшая гавань для суден. Около морского музея сохранились аутентичные сарайчики рыбаков и моряков, которые веселят своей простяцкой эклектикой на фоне респектабельных вилл.

Небольшая деревня имеет свою лютеранскую церковь и кладбище.

Деревенский музей, где выставлены фото жителей разных поколений.

Самое людное время в Кясму — лето, начало осень, когда приезжают туристы и владельцы домов — дачники. Природа и просторные дворы — прекрасное пространство для семьи с детишками, чтобы отдохнуть.

Вокруг Кясму — замечательная северная природа и Балтийское море.

Не пропустите Кясму при автопутешествии по Эстонии. Или планируйте провести в деревне отпуск, местный колорит и природа впечатлят вас.

Откуда «растут ноги» у вихревого смесителя

Демон Максвелла

Физик Максвелл предложил миру интересную идею. Он провел такой мысленный эксперимент. Пусть имеется два сосуда с комнатным воздухом, соединенных друг с другом. Как известно, в обоих сосудах есть быстрые («горячие») молекулы, а есть менее подвижные холодные молекулы - все, как и описано в уравнении Максвелла. Предположим, что в месте соединения сосудов есть плотная дверка, у которой стоит сторож-швейцар. Сторож-швейцар пропускает в один избранный сосуд только быстрые молекулы, а обратно выпускает только медленные. Немного поработав, этот швейцар добьется того, что из избранного сосуда сбегут все медленные – холодные - молекулы, а соберутся быстрые - горячие. Процесс приведет к нагреванию одного сосуда и охлаждению другого.

(рисунок не мой – нашел в интернете)
Этого сторожа-швейцара окрестили физики демоном Максвелла и доказали невозможность его существования на основе постулата второго закона термодинамики. Этот постулат гласит о том, что мера энтропии (хаоса) может только возрастать (быть больше нуля) в закрытой замкнутой системе.

Трубка Ранка-Хильша

Потом появился Ранк с очень странным приборчиком – небольшой трубочкой, с одной стороны, которой выходил холодный воздух, а с другой – горячий. Никаких подогревателей или охладителей у трубки Ранка не было. А роль демона Максвелла играл обычный воздух, который не стоял в дверях как швейцар, а подавался внутрь с некоторой скоростью в трубку по касательной. Ранк не понимал, как его трубка работает, а другие ученые, похоже и вовсе не приняли странного изобретателя, так как факт существования такой трубки разрушал устоявшееся в науке представление. Хильш смог как-то улучшить работу этого приспособления, который сегодня известен как трубка Ранка-Хильша.


Рис. Схема трубки Ранка-Хильша. Голубая стрелка – подача воздуха по касательной. Темно-синяя стрелка – выход холодного воздуха. Красная стрелка – выход горячего воздуха.

Разница температур на выходе между двумя концами трубки Ранка может достигать 80 градусов при комнатной температуре и зависит от скорости подачи воздуха, как и от геометрии трубки.
Очень скоро выяснился экспериментальный факт: внутри трубки Ранка воздух ведет себя не как квазитвердое тело, как это думали. В трубке Ранка поток разделяется на два слоя, вращающиеся в разном направлении. Слой снаружи вращается в ту сторону, куда направлен воздух первоисточник. Слой по центру вращается в противоположную сторону. Что за чудеса!

С какой это стати и перепугу?...
Попробуем порисовать...
Нарисуем опять разрез трубки Ранка. По направлению голубой стрелки подаем воздух. Тогда в том месте, где нарисован синий круг у нас появится зона пониженного давления. В сторону этой зоны будет отклоняться поток - появится завихрение.

Ну у меня это так получилось нарисовать для одного вихря, ...пусть и неказисто...
Если объединить вихри в полный цикл, то картина может выглядеть так, как на рисунке Шауберга (которая рисовалась немецким ученым не для случая трубки Ранка). Синей стрелкой я нарисовал подачу воздуха-источника. На рисунке видно, как вихрь, пробегающий по контуру трубки, усиливает вращение во внешнем слое и закручивает поток в центре в противоположном направлении.

Рисунок Шауберга с моими цветными дополнениями

Есть предположение, что аналогичная схема присутствует в природном явлении торнадо. Во всяком случае, в центре торнадо, отмечают пониженную температуру, подобно тому, как это мы видим в трубке Ранка и вращается шнур торнадо в противоположную сторону от вращения периферии. Если это так, то нам должен быть интересен факт заниженного давления в центре торнадо. Это разряжение затягивает в себя как в воронку перефирию смерча.

Ведерко Ньютона

Похожие картинки получили датчане во время экспериментов с ведерком Ньютона (цилиндр у которого вращается дно, а стенки неподвижны).


При достаточно большой скорости вращения донышка на поверхности воды возникали вихревые образования. Получали вихревые образования в виде вращающихся многоугольников (от треугольников до шестиугольников). Когда ученые заменили воду этиленгликолем, в результате вращения на поверхности жидкости стали образовываться деформации треугольной формы, а на углах многоугольников образовывались вихри. Отчего так происходит – не известно, объяснить результаты сами экспериментаторы пока не могут. Но можно только отметить, что среда расслоилась и по центру появилось устойчивое вихревое образование – воронка правильной, чаще всего, пятиугольной формы.

Теоретические и практические предпосылки

Теория горения и взрыва выявила некоторые интересные закономерности.

1.Академик Н.Н.Семенов в 1926-1927 гг. создал тепловую теорию самовоспламенения горючих газов. При температурах, лежащих ниже температуры самовоспламенения, в газе с небольшой скоростью идёт химическая реакция, а теплоотвод через стенку в наружную среду компенсирует теплоприход от реакции. С увеличением температуры скорость реакции растёт и создаются условия, когда теплоотвод не успевает компенсировать теплоприход и развивается тепловая лавина.

2.«Опытные данные и теоретическое рассмотрение свидетельствуют о том, что при распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в сравнительно (по сравнению с размерами камер сгорания) тонком слое - зоне реакции. В непосредственной близости от зоны реакции, также в тонком слое, происходит разогрев несгоревшей смеси. Поэтому в первом приближении распространение пламени можно представить себе так: имеются две области - несгоревшего газа и продуктов реакции, разделенные поверхностью горения, толщиной которой можно пренебрегать и рассматривать ее как геометрическую поверхность, движущуюся относительно газа с известной скоростью - нормальной скоростью распространения пламени». Зельдович Я.Б на примере реакции водорода с кислородом обнаружил три предела воспламенения, которые проиллюстрировал в виде диаграммы «давление - температура»

Рис 1.0
«Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом приведены на рис. 1.0. Если начальным давлению и температуре смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD4 то происходит воспламенение; участок AB соответствует первому, ВС - второму и CD - третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения.»

3. «Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соответственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сгорания и исходной смесью и, соответственно, горения.»

4. Академик М. А. Стырикович описал такие установи для сжигания угля


«В топке одновременно идут три взаимосвязанных процесса: гидродинамический процесс подачи со значительными скоростями (часто в закрученном виде) потоков воздуха и угольной пыли, процесс воспламенения. Обычно горелки располагаются на двух противоположных стенах топочной камеры в несколько ярусов (см. рис. 1), так что приходится учитывать и взаимодействие отдельных горелок между собой. При таком их расположении очень трудно обеспечить равномерность температуры по всему громадному сечению топки, а любая неравномерность может привести к шлакованию ширм или конвективных поверхностей. Более равномерное распределение температуры достигается при размещении горелок тангенциально по углам топки - так, что они создают в ней общий закрученный вихрь (рис. 2). Здесь уже не только каждая отдельная горелка порождает вихревой поток, но и вся совокупность горелок образует единый вихрь. Очевидно, что такую сложную геометрию потока рассчитать и реализовать весьма непросто»

5. широкое распространение на нефтепромыслах нашли вихревые излучатели (генераторы волн давления). Внешне генератор похож на трубку Ранка, но в отличие от трубки Ранка у него нет обратного выхода, а прямой выход открытый


"Генератор представляет собой корпус с цилиндрической камерой (камерой завихрения), с тангенциальным каналом (одним или несколькими) для подачи рабочей жидкости и соплом для выхода рабочей жидкости. Генератор работает следующим образом . При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 1.3) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в попе- речном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело. Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора. Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности."
"Причиной звуковых колебаний является прецессионное вращательное движение вторичного вихря"

Вихревой шнур

В печах с ВС небольшого размера и формы пятиугольника или окружности в плане можно наблюдать зарождение вихревого горящего шнура по центру, вращающегося, как и центральный поток в трубке Ранка в противоположную от направления подачи воздуха сторону. Но это бывает при большой скорости движения газов по трубе и при наличии не более одного-двух щелевых сопел, обеспечивающих большие скорости втекания в ВС. Несколько слов об этом.

Существенную роль в ВС играет степень турбулентности, которую можно оценить числом Рейнольдса.
Re=v*L/n
Где
Re – безразмерное число Рейнольдса,
v- скорость потока
L- характерный линейный размер
n - кинетическая вязкость
Когда Re > 2320 движение идет с образованием завихрений.
Если принять n= 0.0015м2\с для воздуха при Т=270К
L=0.23м, то получим скорость при которой начинается турбулентность
v=0.15м\с.
Если скорость подачи через вихревое сопло-щель > 0.15м\с при данных допущениях, то ламинарный поток начинает переходить в турбулентный. Этого, правда, еще недостаточно, чтоб активно проявился вихревой эффект. Для этого, поток должен обладать достаточной скоростью, чтобы образовался вихрь диаметром сравнимым с радиусом ВС (за радиус ВС принимаем наименьшее расстояние от центра ВС до внутренней поверхности стенки ВС).
Сделаем небольшие оценки.
Согласно шкале Фудзиты-Пирсона, минимально возможным вихрем в природе являются вихри с линейной скоростью v при вращении воздуха в воронке порядка 18 м\с. Давайте рассмотрим такую схему:

Рис. расположение ВС для появления вихревого шнура, рисунок в плане. 1 – топливник, 2 –вихревое сопло, 3 – ВС

Примем размеры топливника 250 х 500 х 600.
Вихревую щель в узком месте возьмем 10 мм, высотой 124 мм.
Пусть имеется у печи дымовая труба цилиндрической формы d= 120.
Оценим скорость в трубе обычным диапазоном 2-8м\с.
Тогда скорость в узком месте сопла из уравнения струи будет оценена в диапазоне:
Vmin= 2*3.14*sqw(60) / (124*10) = 18 м\с
Vmax = 72 м\с
Полученный диапазон 18-72 м\с соответствует категориям F0- F3 по шкале Фудзиты-Пирсона.
Реальные турбулентности и трение в сопле могут занизить линейную скорость, но тем не менее у нас есть все теоретические предпосылки наблюдать в ВС такой конструкции небольшое торнадо с горящим шнуром по центру с соответствующими звуковыми эффектами.

Задачи получить вихревой шнур в печи не стоит. И, естественно, торнадо в бытовой печи это уже излишне, хотя и зрелищно.

Нам интересен сам факт перемешивания, турбулентности и появления зон с другим давлением и температурой, что заставляет пройти реакцию горения максимально полно.

воплощение

Все эти размышления навели на мысль изначально сделать Вихревой Смеситель (ВС) пятиугольной формы.
ВС в этой конструкции использовалась в камере дожига (КД).

Но эта форма для ВС совсем не обязательна, здесь может быть и квадрат и прямоугольник, или окружность в плане.
На сегодняшний день опробован ВС в обычном топливнике прямоугольной формы с вихревыми щелями по краям.


ВС в составе КД может находится в центре топливника.

Рис. В этом экзотическом варианте предполагается наличие загрузочных дверок по сторонам, а ВС начинается ниже топливника (с подачей воздуха через одну вихревую щель

Также можно использовать ВС не только для КД, но и для топливника.

Рис. здесь топливо закладывается в ВС, загрузочная дверка предполагается сверху или сбоку.

Также легко ВС применяется в КС и для трубы.


Рис. Развязка перекресток для случая встречных четырех потоков. Вид в плане, труба в центре

Одно существенное замечание.

В ВС не все равно в какую сторону закручивается вихрь – это необходимо учитывать при проектировании вихревых щелей сопел. Правый винт и левый винт не равнозначны здесь и газовая смесь ведет себя совершенно по-разному. Это свойство присуще всем вихрям Бенара (или правильно назвать Бенарда, но в России почему-то Benard превратился в Бенара).

1 случай.
Если закручивать поток с внешней стороны (стороны стенки) вихревыми соплами правым винтом (смотреть если сверху, то движение против часовой стрелки), то тогда центральный поток, вращающийся по стрелке будет подниматься вверх, а на периферии опускаться вниз.

Рис. 1 случай

2 случай.
Если закручивать периферию левым винтом – по часовой стрелке, то подниматься будет внешний слой, а средний, вращаясь против часовой стрелки, будет опускаться.

Рис. 2 случай

Какая разница?
В нашей вселенной преобладает правый винт и это самая устойчивая в природе система – от структуры атома и молекулы ДНК, до вихря торнадо и скоплений звезд. Встречающиеся природные вихри Бенара, похоже, все правовинтовые.
По этой причине, когда я конструировал первые ВС, делал их с правой закруткой. Но к чему это приводит? Внутренний средний слой при таком способе начинает подниматься, а внешний – опускаться, иногда это даже приводило к тому, что дым мог отмахнуть через дверку - если ВС в топливнике. Чтоб этого не происходило, приходится идти на ухищрение и делать воздушный замок у проема- слева от дверки межфутеровочное пространство не заполняется и воздух подается на дверку.
Если реализовывать 2 способ в ВС, то преферийный слой поднимается, а центральный опускается и тогда нет никакой отмашки без всяких фокусов. И этот способ интересен еще одной особенностью - правовинтовой вихрь Бенара менее устойчив и он разрушается в зоне перехода в КС, отдавая свою энергию потоку.

ЛИТЕРАТУРА

1 Зельдович Я.Б. , Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва - М.: Наука, 1980
2. М.А.Стырикович. Проблемы сжигания твердого топлива в большой энергетике
3. В.И.Говоров, В.М.Плотников, Е.В.Каратай – г.Темиртау: КГИУ, 2007 г. Теоретические основы горения и взрыва (7.4. Факторы ускорения горения)
4. Н.Н. Семёнов. Цепные реакции. Л.: ОНТИ, 1934; 2-е изд. М.: Наука, 1986;
5.Неволин В.Г. Опыт применения звукового воздействия в практике нефтедобычи Пермского края. – Пермь, 2008.

Вашему вниманию и обсуждению представлен твердотопливный котел на угле, вобравший на мой взгляд все лучшие технологии прошлого и современности.

Данный котел сможет не только обогреть дом, но и вырабывать электроэнергию и пиролизный газ для бытового использования в плите итд. Е

Конечно, я не теплотехник, и не печник, но судя по тем моделям современных котлов, что есть в продаже, вспоминаю поговорку: «Ковчег построил любитель, профессионалы построили "Титаник "».

Предыстория.

Подбирая твердотопливный котел отопления, изучил почти всех производителей котлов для использования в частном доме и такое ощущение, что «современные» котлы выпускают в сараях причем с низкой эффективностью и из консервных банок! Толщина металла у основной массы продавцов составляет от 3 мм до максимум 6 мм, а в «гарантийных обязательствах написано: котел может служить до 7 лет, «при правильной эксплуатации». То есть вам не кто не гарантирует, что эта жестянка не прогорит раньше первого сезона эксплуатации!

Все это говорит о том, что производители котельного оборудования не заинтересованы в выпуске хороших и долговечных котлов. Когда изучаешь сколько такие котлы потребляют угля или дров удивляешь цифры фантастические от 3 до 10 кг. топлива в ЧАС!

В связи с удручающей ситуацией на рынке котлов, пришлось изучить опыт начиная от древности до наших дней. Требования которые хотелось бы видеть от СОВРЕМЕННОГО КОТЛА, не то что сейчас продают, из консервных банок с низким КПД.

На мой взгляд твердотопливный котел отопления должен отвечать следующим требованиям:

1) Простой и надежный

2) Энергонезависимый

3) Потреблять минимум топлива

4) Производить тепловую энергию

5) Производить Древесный газ (ПИРОЛЕЗНЫЙ) для подключения плиты и других источников потребления.

Для решения этих задач пришлось изучать опыт от древних Аркаимцев до современных котлов с циркулирующим кипящим слоем (которые почему не производят для домашнего использования)
Привожу план схему КОТЛА, разработанного мною, где применены следующие технологии:

1) Трубка Ранке. (на рисунке с права от котла) За основу взята технология котлов с циркулирующим кипящим слоем, что способствует более тщательному сгоранию топлива. За счет использования «трубы Ранке» происходит разделение вихревых воздушных потоков на горячий и холодный, это позволяет несгоревшие частички топлива возвращать обратно в топливную камеру, а более горячий воздушный поток поднимающийся вверх использовать для разогревания воды до состояния пара. Разогретый пар можно использовать для небольшой паровой электро турбины .

2) Сухая возгонка древесины. Технология получения и очищения ДРЕВЕСТНОГО ГАЗА (пиролизного) разработанная Петр Григорьевичем Соболевским в 1811 году для освещения улиц (термолампами) и отопления домов. Эта технология ПРОСТА и прекрасно себя зарекомендовала, с успехом применялась несколько десятилетий для освещения крупных городов России: Москва, Санкт- Петербург, итд.

Принцип действия сухой возгонки древесины понятен из этих картинок:

Принципиальная схема «термолампа»
конструкции П. Г. Соболевского (1811 г.):
1 – печь; 2 – поддувало или зольник; 3 – зольная решетка;
4 – дверцы печные; 5 – чугунный цилиндр; 6 – отверстие для загрузки
дров; 7 – пространство около цилиндра, через которое проходит пламя;
8 – дымовая труба; 9 – задвижка в трубе; 10 – конец цилиндра,
сообщенный с холодильником; 11 – холодильник; 12 – приемный сосуд
для кислоты и дегтя; 13 – сосуд, наполненный до половины водой;
14 – медная труба, пропускающая газ через воду из сосуда 12 в сосуд 13;
15 – кожаная трубка с краном, по которой очищенный газ поступает
в газгольдер; 16 – газгольдер; 17 – кожаная трубка, выводящая газ
к лампам; 18 – линия, показывающая, до какой высоты может
подняться колокол газгольдера; 19 – отводная трубка для отвода
излишнего газа.

1) Создание реактивной тяги в печи .

а) Смысл технологии реактивной тяги в печи сводится к подводу охлажденного воздуха в зону горения. Для этого воздух в поддувало через трубу подводят из колодца или охлаждают прогоняя через более холодные слои земли, это способствует более интенсивному и жаркому горению топлива.

б) Создание вихревых потоков. В поддувало печи подводится воздух не с одной стороны, с двух противоположных сторон - это создает эффект «сквозняка» собственно - это и есть вихревой поток. Этот метод применяли в древнем городе Аркаиме.

С самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам . Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса , энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Современное объяснение эффекта Ранка

В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее.

Известно, что если измерять температуру движущегося (скажем, в трубе) потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока (т.е. перемещается вместе с ним), а другой вмонтирован в трубу. При этом температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром будет связана с температурой, измеренной термометром, движущимся вместе с потоком, следующим образом:

T 0 = T + v 2 / (2 · c p) (1),

где T 0 - температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром, «температура торможения»; T - «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура»; v - скорость движения потока по трубе; c p - удельная теплоёмкость вещества потока.

Таким образом, мы видим, что температура торможения, измеряемая неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения - кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолётов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов.

Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубки, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы.

К сожалению, это объяснение нельзя признать удовлетворительным. Во-первых, оно является «чисто математическим», и если пытаться наполнить его физической сутью, то мы приходим к тому же «разделению быстрых и медленных микрообъёмов». Во-вторых, не совсем понятно, с какой стати именно температура торможения во всём сечении вихревой трубы априори принимается одинаковой? А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны придти к обратному распределению температур. В самом деле, внешние слои имеют наибольшую линейную скорость и, следовательно, наибольшую температуру торможения. Следовательно, энергия от них должна перетекать к медленно движущимся центральным слоям, повышая их собственную температуру. Таким образом, из середины должен выходить горячий газ, а из периферийной щели - холодный, что прямо противоречит наблюдаемым фактам. Поэтому утверждается, что быстро движущийся на периферии газ, попадая в результате турбулентного движения в центр, там тормозится и теряет свою кинетическую энергию. Но опять же, куда может деться эта энергия? Только в тепло, а значит, опять-таки, в середине температура должна расти. Наконец, есть данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике. В общем, прежде чем строить теории, необходимы практические измерения хотя бы скоростей и направлений вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы.

Другие объяснения эффекта Ранка

Как ни странно, объяснить эффект Ранка можно и с помощью более простых механистических подходов к идеальному газу, изложенных при рассмотрении поворота потока идеального газа .

Если в таких механистических объяснениях есть зерно истины, то для оптимизации устройств на эффекте Ранка будут эффективны следующие советы.

1. Для наиболее эффективного разделения следует всячески предотвращать возникновение турбулентностей, перемешивающих уже разделённые слои. Отсюда следуют требования к гладкости внутренних поверхностей устройства и необходимость ламинарности входного потока.
2. Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее будет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
3. В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.
4. Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц (как известно, в газах эта скорость близка к скорости звука). Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям. Впрочем, в реальности энергозатраты на разгон потока до скорости звука могут оказаться менее выгодными, чем для получения того же количества тепла/холода при меньшей скорости, но большем расходе потока.

Есть и другие варианты.

Вот ещё одно заслуживающее внимание объяснение эффекта Ранка от Г.В.Трещалова , правда, оно построено на предположении максвелловского распределения молекул по скоростям в рамках молекулярно-кинетической теории газов.

А вот , в которой, среди прочего, рассмотрена и работа вихревой трубы. Она основывается на взаимодействии слоёв среды. Существование подобных слоёв маловероятно в рамках молекулярно-кинетической теории, зато неизбежно в теории глобулярной организации вещества.

Классические схемы вихревых труб на эффекте Ранка

Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы , которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной.

Классические схемы прямоточной (а ) и противоточной (б ) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 - гладкая цилиндрическая труба, 2 - вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 - дроссель, 4 - выход горячего газа через кольцевую щель, 5 - диафрагма для выхода холодного газа.