Jak się kręci dym w kominie
czyli samouczek młodego kominiarza

Rozważania o kominie niestety przyjdzie nam zacząć od spraw pozornie wcale z kominiarstwem i kominami nie związanymi. Jak w większości zjawisk na Ziemi i w tej dziedzinie króluje fizyka, z jej nieodłącznymi książęcymi potomkami, pośród których termodynamika wodzi rej największy. Aby kolegom Kominiarzom przedstawić znane im od dawna zjawiska od strony nieco bardziej teoretycznej proszę Ich Królewskie i Książęce Mości o wybaczenie, że przedstawiam Ich zjawiska w sposób tak uproszczony.

Zacznijmy od końca.

Powszechnie wiadomo że gazy, a więc i gazy spalinowe i powietrze mają swoją lepkość. Zjawiskiem bezpośrednio z tym związanym jest to, że struga gazowa przemieszczająca się w idealnym środowisku, natrafiając na jakikolwiek przedmiot stały (nie przemieszczający się) a usytuowany wzdłuż wektora prędkości strugi zwalnia w bezpośredniej bliskości tego przedmiotu - jak gdyby "klejąc się" czy "lepiąc" do niego. Jest to wynikiem tarcia, i nic na to nie poradzimy, możemy jedynie przyjrzeć się rozkładowi prędkości gazu w bezpośrednim sąsiedztwie idealnie gładkiego ciała stałego (pomijam wpływ oddziaływań elektrycznych, chemicznych i magnetycznych).

Teoretycznie można tutaj wyznaczyć wartości chwilowe prędkości gazu, względem ciała stałego - Vo - prędkość zerowa na styku dwóch ośrodków (ciało stałe - gaz)

Vmax - prędkość maksymalna - największa prędkość strugi gazowej
Vśr - uśredniona prędkość gazu wynikające z przeliczenia ilości gazu przepływającego w jednostce czasu przez zadany przekrój (w tym wypadku pomiędzy Vo i Vmax).

Wszystko byłoby dobrze gdyby - no właśnie, nawet Ich Królewskie Mości nie są wolne od "gdybania" i dopóki jest nad czym "gdybać" dopóty oddajemy Im królewski hołd.

A oto pierwsze "gdyby"

Powierzchnia ciała stałego (np. komina) nigdy nie jest idealnie gładka, a co za tym idzie nasz wykres prędkości powinien wyglądać tak:

Gdzie wielkość Vo nie zmieniła znaczenia, ale doszła wielkość
Vmin - która jest minimalnie obserwowanym ruchem gazu (w chwili zmierzającej do 0 - obserwacji ruchu gazu).

To że Vmin zostało na rysunku zaznaczone w pewnej odległości od ciała stałego zależy od wspomnianej już nieidealnej gładkości ciała stałego. Aby to sobie uzmysłowić zobaczmy co się dzieje bezpośrednio na krawędzi tegoż ciała stałego (w dużym powiększeniu).

Dolna linia (zacieniowana) to powiększenie (nawet mikroskopowe w wypadku ciała o lustrzanej gładzi) powierzchni ciała stałego. Gaz przemieszczający się bezpośrednio nad taką powierzchnią, jak nie trudno się domyślić ulega zawirowaniom - jednocześnie wytracając prędkość. Poprzez przekazywanie zawirowań oraz wzajemną "lepkość" strug gazu następne "wyżej położone" warstwy gazu są również "hamowane" chociaż w stopniu tym mniejszym, im wyżej ponad "niedoskonałym" ciałem stałym przyszło im przepływać.

Stąd rozkład prędkości przypominający odsuniętą (od osi X) hiperbolę, gdzie na osi X zaznaczono prędkość gazu, a na osi Y odległość od ciała stałego.

I byłoby już nieźle gdyby nie następne "gdybania" Ich Królewskich Mości.

Powietrze (gaz, spaliny, para) nie dość że jest lepkie to jeszcze posiada swoją masę 0 im większą, tym gorzej, a co za tym idzie będąc w ruchu odpowiednią inercję (bezwładność), zależną właśnie od tejże masy, oraz prędkości (razem biorąc od pędu). Jeżeli taka rozpędzona masa gazów nie przemieszcza się wzdłuż ciała stałego o powierzchni idealnie zgodnie ustawionej z kierunkiem ruchu gazu, to każde odchylenie grozi zawirowaniami w przemieszczaniu się strugi gazowej, a tym samym wprowadzeniu dodatkowych oporów przepływu. Może lepiej odda to rysunek.

Wszystko to co oznaczono liniami krzywymi bez zawirowań przyjęto nazywać przepływami laminarnymi, wszystkie krzywe "zawirowane" nazwano przepływami turbulentnymi.

Nie jest tutaj istotna skala zjawiska - w górach, gdy "nierównomiernością" ciała stałego są zbocza o wysokości kilkuset, czy kilku tysięcy m ponad poziomem morza turbulencje podczas wiatrów halnych noszą nazwę zjawisk fenowych i w sprzyjających warunkach, mogą występować aż po Warszawę, a nawet dalej.

W przypadku "super gładkiego" skrzydła odrzutowca mają one minimalny wymiar i noszą nazwę mini- turbulencji (przeważnie na płaszczyźnie spływu).

W ten oto sposób dochodzimy do trzeciego "gdyby" - a mianowicie:

Ziemia jak piłka jest okrągła.

Powiecie że teraz już facet przesadził w swych banałach, być może tak, ale z naszym kominem ma to jednak istotny związek. To że Ziemia jest kulista to raz, a to że przy okazji się kręci, to dwa - te dwa czynniki powodują powstanie tzw. siły Coriolis|a - zależnej w swej mocy od położenia- dokładnie od odległości od równika a w swym kierunku od położenia -na półkuli północnej odwrotnie niż na południowej. Wszyscy znamy "trąby powietrzne", tornada, cyklony - wszystko to dzieci siły Coriolisa. Ziemia kręcąc się wytwarza swoistą siłę karuzeli - im bliżej zwrotników tym ta siła większa, by na samym równiku zrównać się do zera i zmienić znak na odwrotny. Zaś im bliżej biegunów tym słabsza. Nasz obszar nie nawiedzają na szczęście tak paskudne zjawiska jak cyklony, czy tornada, ale wystarczy się przyjrzeć wirom - choćby temu który tworzy się po podniesieniu korka w wannie. Choćbyście chcieli nie zmieni on kierunku swego ruchu - podobnie przepływ strugi gazu - dymu, spalin, czy powietrza w kominie. NIGDY nie przemieszcza się prostoliniowo z dołu w górę, zawsze ma postać cyklonu, czy też warkocza, poruszającego się ruchem spiralnym w górę - na półkuli północnej zgodnie z kierunkiem wkręcanej z dołu w górę śruby prawoskrętnej, na półkuli południowej odwrotnie.

Następne "gdyby" dotyczy rozkładu prędkości gazów w kominie.

Ciąg kominowy - a więc ruch gazu (na wyjaśnienie tego pojęcia przyjdzie jeszcze czas) jak wykazują nasze poprzednie "gdybania" nie jest prostoliniowy bardziej podobny jest do warkocza na dodatek wyginającego się nieustannie w różne strony.

Rysunek nie jest w stanie oddać złożoności przepływu strugi gazowej. I tutaj trafiamy na następną niespodziankę Ich Królewskich Mości. Koledzy Kominiarze dążący od dawna do podwyższania dokładności pomiarów prowadzonych za pomocą ciągomierza, zapewne trafili na problem taki, że dokładny (w zakresie jednostkowym przynajmniej do 0,1 Pa) ciągomierz "szaleje" podczas pomiaru. Otóż nie. Ciągomierz (oczywiście z pewnym opóźnieniem)podaje wartość poprawną, to ciąg kominowy zachowujący się jak warkocz cyklonu nie jest w stanie przyjąć jednej dokładnej wartości. A żeby było ciekawiej pojawia się następne "gdyby":

Dotyczy ono rozkładu prędkości pozornie liniowej w wirującej strudze gazu. Prościej mówiąc powietrze, czy też spaliny pomimo swojego wirowania jednak przemieszczają się w górę. Poprzednio już mówiliśmy o tym, że w pobliżu ścianek prędkość przepływu gazu jest praktycznie zerowa. Teraz należy wspomnieć o istotnym zjawisku jakie występuje w cyklonach, trąbach i innych wirach - jest nim tzw. "Oko cyklonu" - obszar o dziwnym wydawałoby się charakterze. Bardzo niskie ciśnienie, prędkości poruszania się gazu niewspółmierne w porównaniu z przepływem w głównej strudze, lub czasem nawet odwrotny kierunek przepływu! Oraz wiele jeszcze "dziwnych" czynników. Wywołuje to wszystko siła odśrodkowa - wirujący gaz posiadając określoną masę podlega jak już mówiłem sile "karuzeli", wszystkie te złożone ruchy gazu dają wypadkową prędkość ruchu, którą może przedstawić wykres prędkości pokazany na rysunku. Myślę że może on dać wiele do myślenia "niezadowolonym" z pracy dokładnych ciągomierzy.

Wielkości te są oczywiście wielkościami "chwilowymi" i należy je traktować jako bardzo niestabilne, nie da się w sposób prosty i przejrzysty wyznaczyć miejsca gdzie ciąg jest najsilniejszy, a gdzie najsłabszy.

I tutaj zbliżamy się do następnego "gdyby".

To "gdybanie" dotyczy oczywiście kominów, co zrobić żeby ich przekroje były najlepsze do odprowadzenia spalin.

Odpowiedź na to pytanie jest wręcz banalnie prosta!!! - oczywiście okrągłe! Aż dziwne że po tak długim wstępie dochodzę do tak prostego zdawałoby się wniosku. Ale do rzeczy. Wzór Redtenbacher'a z jego późniejszymi modyfikacjami znajduje odpowiedniki w najnowszych komputerowych programach do obliczania kominów. Wzór ten jednak zawiera istotny (zapewne niezamierzony) błąd - mianowicie podaje w końcowym wyniku POLE przekroju komina - dodając że tzw. średnica równoważna powinna być większa od pierwiastka pola przekroju (a przynajmniej równa). Wynika z tego, że średnica komina okrągłego powinna być większa, a przynajmniej równa wielkości boku kwadratu wyliczonego z tegoż wzoru.

A jak to widzą nasze Królewskie Wysokości?

Jak już wspomniałem przepływ gazu w kominie to cyklon ustawicznie kręcący się wokół własnej, pofalowanej osi.

Jak wygląda ten ruch pomoże nam zrozumieć następny cykl rysunków.

Jak widać w przekroju okrągłym prawie cały przewód jest wykorzystany, a tylko w bardzo bliskim sąsiedztwie ścianki komina prędkość gazu spada na skutek tarcia i lepkości.

W przekroju kwadratowym (większe pole przekroju) na skutek zawirowań w rogach występują zakłócenia turbulentne osłabiające na tyle ruch gazu że w efekcie czynny przekrój tego komina jest MNIEJSZY od tej samej wielkości komina okrągłego. W przekroju prostokątnym, strefy zawirowań tworzą już znaczną powierzchnię i paradoksalnie w kominie o największym przekroju mamy najmniejszą część zdolną do czynnej pracy - odprowadzenia spalin. Przekrój kwadratowy, czy prostokątny nawiązuje do naszego drugiego "gdybania", ale teraz nie ciało stałe odchyla się od kierunku ruchu gazu, lecz kierunek gazu jest spiralny - podczas gdy przekrój wielokątny. Kiedy powiększymy narożnik naszego komina dojdziemy do następnego "gdyby" - na drodze pędzącej strugi gazu nagle przybyło miejsca.

W tym przypadku struga ulega "rozrzedzeniu" - zgodnie z prawem Bernoulli'ego maleje prędkość - rośnie ciśnienie by za chwilę poddać się odwrotnemu zjawisku "zagęszczaniu" się strugi gazowej w malejącym przekroju - rośnie prędkość - maleje ciśnienie. Jeszcze jedno, nie zapominajmy o "lepkości", gaz "zostawiony" w spokoju w rogu komina cały czas "klei się" do tego wariacko wirującego gazu w środku przekroju. Wypada stąd zależność hamująca do siły Coriolisa. Jak już wspomniałem nie może na naszej półkuli istnieć ruch napędzany ruchem kuli Ziemskiej sprzeczny z kierunkiem siły Coriolisa, zatem zawirowania wywołane lepkością gazu jest wprawdzie odwrotne co do kierunku obrotu głównej strugi gazowej, ale i wektorowo musi być skierowane przeciwnie! A zatem w DÓŁ.

Proszę sobie teraz wyobrazić rzekomą wyższość przekroju kwadratowego nad okrągłym o tym samym wymiarze, kiedy dochodzi nieraz do paradoksalnej sytuacji kiedy w większej części przekroju komina kwadratowego ciąg kominowy jest ruchem gazów w górę, ale w narożnikach może być nawet ruch w dół.

Żebym nie był gołosłownym - starzy kominiarze od lat czyszczący kominy opalane węglem zaobserwowali osadzanie się sadzy w narożnikach komina - (automatyczna dążność do kształtu doskonałego, jakim w tym wypadku jest koło), po prostu zawirowania, turbulencje, oraz zmiany ciśnienia i prędkości strugi gazowej w narożnikach, prowadzą do wytrącania się tutaj sadzy. Podobnie na dnie komina często widzimy sadzę usypaną w kształt stożka - to działa mechanizm "oka cyklonu" - sadza w tym miejscu opada w dół.

Z całego tego "gdybania" wypływa jeden wniosek - Ich Królewskie Mości jeszcze długo nie dadzą się wysadzić z tronu, a będąc Monarchiniami uniwersalnymi, podporządkowują sobie nas wszystkich. Tylko nielicznym, nie znającym Wszechwładnych Monarchiń wydaje się że mogą tworzyć prawa, normy, przepisy, wzory, czy programy, bez Ich udziału.

One to widzą i czekają cierpliwie - pewne swojej wygranej.

Mistrz kominiarski
Roman Mucha.