Загадки в пятницу (№ 298)

Ответ: трубы и мех для растопки угольного самовара

Итак, история: самовар (также, как и матрешка и гармошка) - не русское изобретение. Его аналоги были и в Древнем Риме ( аутепса ) и в Китае ( хого ), и в Европе он появился раньше, чем у нас. В России его, можно сказать довели до ума и популяризировали - слово "самовар", как "спутник" разошлось по всему миру и стало широко применяться для обозначения водогрея с внутренней топкой. 

УСТРОЙСТВО САМОВАРА. Прежде чем развести самовар, давайте постараемся разобраться, что и как происходит в этом замечательном приборе. С точки зрения инженера, самовар - это классический твердотопливный водонагреватель. В одном агрегате он объединяет топку, теплообменник и газоход. Теплообменник представляет собой, как правило, осесимметричный резервуар сложной геометрической формы; его внутренняя поверхность образована жаровой трубой, являющейся стенкой самоварной топки или камеры сгорания. Внизу жаровой трубы имеется колосниковая решетка, обеспечивающая доступ воздуха, необходимого для горения топлива. Жаровая труба резко сужается вверху, переходя в выходной патрубок.

Если самовар топится в доме, на патрубок надевают Г-образную трубу, соединяющую самовар с дымоходом домашнего очага, который обеспечивает необходимую для эффективного горения тягу.

Самовар по конструкции вроде бы предельно прост. Однако, начиная с формы топки, и заканчивая устройством вентиля - это продукт инженерной мысли и точно просчитанное устройство. Далее идут несколько абзацев, призванных продемонстрировать, что автор поста подошел к делу основательно и опирается на научную базу. Данные абзацы выделены жирным курсивом, если Вы, как и автор, знаете за "вибрации типа флаттера", можете смело их пропускать.

Уголь будет устойчиво гореть, точнее - догорать, если есть тяга. Она появляется, когда поток воздуха на одном конце трубы нагревается, а на другом - охлаждается, что и происходит в самоваре. Тяге также способствует сужение выходного конца, попутно уменьшающее потери тепла. Современная газовая динамика называет такие способы разгона воздушного потока эффектом теплового и геометрического сопел.

Чтобы в самоварной трубе пошел воздух, его надо "сдвинуть", сообщив некоторую начальную скорость, продувая трубу внизу возле решетки (сверху разжигают угли сапогом). Так и в современных прямоточных реактивных двигателях тяга появляется при разгоне воздушного потока до более чем двукратной скорости звука (теория реактивных двигателей под словом "тяга" подразумевает силу, перемещающую летательный аппарат в пространстве).

Суженную вверху самоварную трубу называют кувшином. Благодаря кувшинной форме (сужение верха трубы повышает частоту ее собственных колебаний) самоварной трубе удалось избежать значительного "гудения", что означало бы близость достаточно опасных вибраций типа флаттера.

Внутренний диаметр трубы, в широкой ее части, - главная самоварная мера. По этому диаметру определяли все размеры самовара, его высоту и ширину, даже нужное количество углей.

Другая главная часть самовара - тулово, или корпус для воды. У первых российских самоваров оно напоминало чашу (полусферу). Со временем выявились более подходящие формы тулова, похожего на ведро, - перевернутый усеченный конус, а также на более сложную комбинацию - верхняя часть конуса, сопряженная с тором. В самоварах с таким туловом вода сначала нагревается внизу, потом принимает тепло от трубы по всему объему.

Серьезную конструкторскую задачу представляло собой соединение тулова с трубой. Когда самовар нагревается, кувшин раскаляется докрасна, а температура тулова не превышает точки кипения воды. Русские самоварщики, учитывая столь разный режим нагрева тулова и трубы, соединили их герметично только в одном месте. Тем самым труба и тулово стали вести себя независимо, избегая тепловых напряжений, а значит, и цикличных короблений, которые обычно приводят к разрушению.

В то же время тулово и труба, соединенные в одном месте, действовали как консоль - конструкция, закрепленная одной стороной и весьма уязвимая из-за своей малой жесткости. В 1825 году профессор медицины Ефрем Мухин предложил новый вариант самовара, чтобы вместе с кипятком получать и водяной пар, нужный для полевых лазаретов. В верхней части самовара выпекались хлебцы для раненых на манер нынешних чудо-печек. Предусматривалось дополнительно соединять вверху трубу и тулово, что придавало самоварной конструкции дополнительную жесткость. Однако из-за периодичной смены температур верхнее соединение тулова с трубой быстро распаивалось, и пар улетучивался.

Русские же самоварщики наделили тонкостенное тулово дополнительной жесткостью, используя так называемые рельефы - продольные и кольцевые вмятины, воспринимаемые как украшения. В наше время подобные рельефы широко применяют для усиления тонкостенных авиационных деталей.

Самоварное тулово снабжено ручками для переноски. Они выдерживают немалую нагрузку - вес наполненного водой самовара. Эта нагрузка на небольшом участке, который занимает ручка, может смять, продавить, наконец, прорвать самоварное тулово. Чтобы этого не произошло, ручки ставят вместе с накладками и подкладками - своеобразными плотиками, которые рассредотачивают нагрузку по тулову, как по гладкой водной поверхности.

Ручки на самоварах, а также на фарфоровых и фаянсовых чайниках, чашках обычно крепят в верхней части накладки. В этом случае тонкая стенка самовара или чайника, избегая воздействия опасного для нее сжатия, воспринимает лишь растяжение.

Наконец, самоварный кран, который состоит из трубки с втулкой и стержня с рукояткой. Кран обладает конструктивной хитростью: его части при длительной работе самоуплотняются. Дело в том, что стержень и втулка совмещаются наклонно по конусу. При поворотах поверхность стержня изнашивается, между ним и гнездом появляется зазор. Но кран не теряет герметичности, поскольку стержень под собственным весом смещается вниз, ликвидируя тем самым зазор. Говоря более научно, создается необходимое контактное давление конических поверхностей.

Однако стержень изнашивается неравномерно и быстрее всего возле торцов. Здесь появляются пояски-канавки, по которым, кстати, коллекционеры определяют, как долго пользовались самоваром, каковы его возраст и ценность. Вместе с пояском-канавкой у краев стержня и втулки образуется уступ, который, не позволяя стержню опускаться, прекращает самоуплотнение. Подобный неравномерный износ испытывают широко распространенные в машиностроении соединения конических деталей с разной жесткостью. На это в свое время обратил внимание известный ученый и конструктор П. И. Орлов. Он, в частности, предложил утапливать верх стержня во втулке, чтобы выровнять контактное давление стержня и втулки самоварного крана (рис. 9). Самоварные же изобретатели по-своему справились с неравномерностью износа, выполнив "по науке" низ вертка - с выступающим торцом, а вверху уменьшили жесткость втулки - она снаружи стала иметь канавку.

Выравнивают износ и по-иному: открывая и закрывая кран, делают им полный оборот. Если же кран не способен на такой оборот - рукоятка задевает за тулово, равномерного износа не будет.

Теоретическая часть закончена, переходим к практике. Чем топить самовар? Те, внимательные читатели, кто называют самовар "дровяным" скажут, что это прямой ответ на мой вопрос. Однако, это заблуждение. Самовар правильно называть "жаровым", по принципу нагрева воды. Так чем же топить?

СПЕЦИФИКА ТОПОЧНОГО ПРОЦЕССА Многие считают, что самовар нужно топить сосновыми шишками или березовыми лучинками. Однако лучшее топливо для самовара - древесный уголь, основным горючим элементом которого является углерод, его содержание превышает 95%.

Количество сгоревшего углерода, а следовательно, и выделившегося тепла пропорционально расходу кислорода. Это дает возможность регулировать процесс топки подачей воздуха. У самовара ее ограничивают, главным образом, проходные сечения прорезей в решетке и сопротивление слоя топлива. Их подбирают так, чтобы горение не было чересчур интенсивным, иначе возрастают теплопотери.

По мере выгорания топлива толщина пласта уменьшается, что приводит к снижению сопротивления тракта движению газового потока, и интенсивность горения возрастает. Древесный уголь горит коротким пламенем красноватого оттенка.

После сгорания древесного угля образуется сравнительно немного золы. Плавится она при температуре 1400°С, в топке самовара недостигаемой, так что получается легко удаляемый порошок.

МОЖНО ЛИ САМОВАР ТОПИТЬ ДРОВАМИ? В некоторых энциклопедиях по домоводству указано, что наряду с древесным углем самовар можно топить древесными чурками. В этой рекомендации не хватает только оговорки: за неимением угля. В древесине горючими элементами являются водород и углерод. Средний фракционный состав древесины примерно таков: содержание летучих - 85%, твердых фракций - всего 15%, и в сравнении с древесным углем - дрова скорее сухой газ, чем твердое углеродистое топливо.

Древесина (разумеется, речь идет о сухой древесине) сгорает в несколько этапов. Первая фаза - розжиг. При помощи горящей бересты или лучинок температуру древесины доводят до 350°С, когда на дровах образуется устойчиво развивающийся очаг пиролиза.

Вторая фаза - пиролиз древесины и сгорание выделившихся летучих веществ. Здесь ярко проявляется главный недостаток древесины как топлива: пиролизное газовыделение - практически неуправляемый процесс, и, чтобы газы не улетучивались из топки без пользы для дела в дымоход, их необходимо дожигать. Для этого нужен дополнительный подвод воздуха и пространство для смешивания газов с воздухом и последующего их сгорания. Но ни того, ни другого в конструкции жаровой трубы самовара не предусмотрено, и при топке дровами воздух поступает с большим избытком; газы догорают уже в соединительной трубе, так что она иногда раскаляется докрасна, и почти все тепло просто теряется. Во второй фазе образуются продукты сгорания - углекислый газ и вода.

Управление горением древесины подачей первичного воздуха осуществимо только на третьей фазе горения высокоуглеродного твердого остатка, содержание которого составляет всего 15%.

НАГРЕВ ВОДЫ. Распределение температур по высоте жаровой трубы при работе самовара на древесном угле таково: самая высокая температура в области очага горения, то есть внизу; верхняя часть жаровой трубы нагрета меньше.

Для нагрева и кипячения воды такое распределение температуры по высоте оптимальное. Более горячая и поэтому более легкая вода поднимается вверх, в полном соответствии с законом Архимеда, а ее место занимает холодная и более тяжелая, из верхних слоев резервуара.

Таким образом, благодаря естественной конвекции жидкость интенсивно циркулирует, перемешивается и равномерно прогревается по всему объему. Коэффициент полезного действия самовара на угле довольно высокий, не менее 70%.

При топке самовара дровами распределение температур по высоте жаровой трубы получается другим. Наиболее сильно жаровая труба нагревается в зоне сужения, то есть в верхней части теплообменника; в нижней же части топки совсем нежарко, так что нагрев воды происходит в основном у крышки самовара. Нагретая и более легкая вода так вверху и остается, а конвекция не возникает.

Когда самовар, переведенный на дрова, начинает шипеть и брызгать из-под крышки горячими каплями, это совсем не означает, что вода вскипела и можно восклицать: "Господа! Самовар готов! Давайте пить чай!". Может оказаться, что жидкость, находящаяся в придонной области и наполняющая чашки через кран, чуть теплая. Теплопроводность воды невысокая, и без конвекции она прогревается слабо.

Низкие температуры в жаровой трубе приводят к тому, что из древесины активно выделяются смолы и конденсат, загрязняющие топку самовара. Коэффициент полезного действия самовара на дровах не выше, чем у паровоза, и в лучшем случае составляет где-то 15%.

Как растопить самовар.

Водой резервуар самовара наполняют всегда полностью, иначе при местном перегреве соединения тонкостенных элементов, выполненные оловянно-свинцовым припоем, могут распаяться.

Перед растопкой самовара решетку закрывают несколькими крупными кусками угля. В отличие от каменного угля для розжига древесного нужна температура относительно невысокая. Заготавливают пучок лучины, лучше березовой, зажигают и опускают разгоревшийся факел в жаровую трубу.

Не мешкая засыпают часть древесного угля и надевают соединительную трубу, подсоединяемую к дымоходу печи. Разумеется, печка должна быть открыта, иначе не будет тяги и самовар не разгорится. Как только первая порция разгорится, добавляют остальной уголь.

В старых кинофильмах можно видеть, как для растопки самовара используют кожаный сапог с мягким голенищем, гофрированным, как мех гармони. Действуя сапогом как мехом, создают интенсивное движение воздуха, добиваясь разгорания угля. Но это скорее кинематографический антураж. На практике за сапог берутся в исключительных случаях.

После закипания воды трубу снимают, тем самым уменьшая тягу и интенсивное горение прекращается. На этом этапе можно поставить сверху конфорку, на которую разместить заварочный чайник (только металлический, только одностенный). Либо можно закрыть трубу колпачком, сведя горение на ноль. Самовар доставляют к обеденному столу, где ставят на жестяной, медный или латунный поднос.

Время от времени топку самовара нужно чистить. В большинстве случаев в нижней ее части есть небольшой лючок. Через него удаляют остатки золы и мелкие угольки, а основную их массу вытряхивают, просто перевернув самовар вверх дном. Если самовар топят углем, на стенках топки практически не оседают смола и сажа, а если основным топливом служит дерево, то сажу следует регулярно счищать жестким ершиком.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ САМОВАРА.

Есть ряд опасностей: 1. Огонь. Категорически нельзя ставить самовар на стол без подноса - снизу через поддувало могут выпадать мелкие горящие угли, что без должной изоляции приведет к пожару. Не оставляйте непогашеный самовар в помещении без контроля, после использования, вынесите самовар на улицу и убедитесь, что он не представляет пожарной опасности.

2. Угарный газ. Перед переноской самовара в замкнутое помещение обязательно закройте трубу крышкой и приоткройте окно/дверь для проветривания.

3. Кипяток. При переноске кипящего самовара помните, что это кипяток. Самовар это большая, тяжелая, не очень удобная для переноски емкость. Убедитесь, что у вас удобная обувь, что все двери на вашем пути открыты, занавески отодвинуты, дети и животные разогнаны по углам и не путаются под ногами.

Общий совет - самоваром должен заниматься трезвый человек, или если самоварный гуру пьет, найдите в компании непьющего и поручите ему контроль за безопасностью мероприятия. Повторюсь - предотвратить всегда легче, чем расхлебывать!

Итак, что мы поняли из этого поста? Что самовар - вещь, необходимая в каждом уважающем себя доме. Что принцип растопки самовара схож с растопкой мангала - есть гм... фанаты, которые пережигают дрова и тратят на это туеву хучу времени, но гораздо проще купить готовый уголь и не насиловать мозг себе и окружающим. Уголь дает выше КПД + меньше засоряет самовар.

А вот вам обещанные выстраданные сакральные знания: даже уголь не обязательно разжигать в самоваре, можно закинуть в топку уже горящий (слышу выкрики "колдовство! не может быть!"). Разжигайте мангал для шашлыка, выдергивайте оттуда куски угля максимального размера, чтобы только пролезали в трубу (если брать мелкие - можно забить топку и нарушить тягу), накидываете их в самовар и через 20-25 минут получаете кипяток. Теперь, можете добавить несколько шишек - они дадут хвойный аромат и обильный дым, жара от шишек мало, не достаточно, чтобы закипятить воду, но хватит, чтобы поддержать высокую температуру.

Если самовар топится рядом с участниками чаепития, советую после закипания закинуть можжевеловых (ежик в тумане рекомендует) или вишневых со смолой веточек. Получится насыщенный аромат, после чего ваши гости на голубом глазу будут утверждать, что вопреки законам физики свободные молекулы дыма проникли в воду и чай из самовара имеет совершенно другой вкус (магия!).

Для упрощения работы с самоваром пригодится такой набор: кружка-стартер, спилковые краги и щипцы для готовки.

Спасибо, всем прочитавшим, надеюсь, кому-то данная статья будет полезной. Привожу ссылки на статьи, которые я честно сплагиатил:

https://www.nkj.ru/archive/articles/7531/?sphrase_id=5632563 (Наука и жизнь, САМОВАР С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИКИ) Кандидат технических наук А. НИЗОВЦЕВ.

https://www.nkj.ru/archive/articles/9420/?sphrase_id=5633844 (Наука и жизнь, НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА СТАРЫЙ САМОВАР) Кандидат технических наук А. ХОМЯКОВ.

https://pikabu.ru/story/koechto_chto_vyi_khoteli_znat_pro_samovar_no_stesnyalis_sprosit_10180495