Печка из термоса

Надо считать.

1. В изначальной конструкции, предположим, 90% тепла горелки уходило внутренней колбе, 10% внешней. Внутренняя нагревала воду, внешняя воздух. Для упрощения считаем, что теплообмена между колбами нет.

а) Количество теплоты для нагрева вещества Q = c * m * dT, где с - удельная теплоемкость, m - масса вещества, dT - изменение температуры в кельвинах или градусах.
Количество теплоты для нагрева внутренней колбы из нержавеющей стали до 100 градусов для термоса весом 500 г:
Q = 500 * 0.5/2 * (100-20) = 10 кДж.
Количество теплоты для нагрева воды в 0.7 литровом термосе:
Q = 4200 * 0.7 * (100-20) = 235 кДж.

Предположим, часть мощности горелки, которая идет на нагрев внутренней колбы = 900 Вт, внешней = 100 Вт.
Вода нагреется за (10000+235000)/900 = 272 сек = 4 минуты 32 секунды.
(Примерно так и получалось у хозяина термоса?)

b) Количество теплоты для нагрева внешней колбы из нержавеющей стали до 200 градусов для термоса весом 500 г:
Q = 500 * 0.5/2 * (200-20) = 23 кДж.
Внешняя колба нагреется за 23000/100 = 230 сек = 3 минуты 50 секунд.

Передача тепла воздуху q = k * S * dT, где k - коэф. теплообмена, S - площадь поверхности, dT - разница температур в кельвинах или градусах Цельсия.
Коэффициент теплообмена для воздуха при безветрии возьмем 8 Вт/м2*К, для ветра 8 м/c возьмем 38 Вт/м2*К.
Габариты 0.7 литрового термоса 27x8 см. Площадь внешней поверхности S = 2 * pi * R * H = 2 * 3.14 * 0.04 * 0.27 = 0.068 м2.
Разница температур dT при воздухе 20 градусов = 180 градусов, при воздухе -20 градусов = 220 градусов.
Теплообмен для хороших условий (безветрие, воздух +20) q = 8 * 0.068 * 180 = 100 Вт.
Теплообмен для плохих условий (ветер 8 м/с, воздух -20) q = 38 * 0.068 * 220 = 570 Вт.

Грубо получается, что в хороших условиях при такой мощности внешняя колба сможет нагреться до высокой температуры, в плохих будет быстро охлаждаться.

2. Теперь спаяем колбы перемычками. Для упрощения считаем, что температура обоих колб сравнялась и это одно тело, которое передает тепло воде и воздуху.

a) Количество теплоты для нагрева термоса из нержавеющей стали до 100 градусов весом 500 г:
Q = 500 * 0.5 * (100-20) = 20 кДж.
Для воды Q остается = 235 кДж.

При средней температуре термоса 60 градусов разница температур dT при воздухе 20 градусов = 40 градусов, при воздухе -20 градусов = 80 градусов.
Теплообмен для хороших условий (безветрие, воздух +20) q = 8 * 0.068 * 40 = 22 Вт.
Из 1000 Вт на конвекцию уходит 22, остается 978.
Вода нагреется за (20000+235000)/980 = 260 секунд = 4 минуты 20 секунд. (Успех: быстрее на 12 секунд, чем без радиатора).

b) В плохих условиях (ветер 8 м/с, воздух -20) количество теплоты для нагрева термоса:
Q = 500 * 0.5 * (100-(-20)) = 30 кДж.

Теплообмен для плохих условий q = 38 * 0.068 * 80 = 207 Вт.
Из 1000 Вт на конвекцию уходит 207, остается 793.
Вода нагреется за (30000+235000)/793 = 334 секунды = 5 минут 34 секунд. (Провал: медленнее на 1 минуту, чем без радиатора).

(Тут вообще немного сложнее всё происходит. Например, при нагреве термоса до 100 градусов теплообмен q = 38 * 0.068 * 120 = 310 Вт. То есть на нагрев воды будет идти уже не 800, а 700 Вт).

Всё очень грубо. Упрощен сложный процесс кипячения, не учитываются потери через крышку котла и мн.др. Наверняка в чем-то ошибся.
Но в целом по моим прикидкам получается, что если на внешнюю колбу уходит 10% мощности горелки, то ее спаивание со внутренней в идеальных погодных условиях приведет к минимальным преимуществам, а при любом ухудшении погоды уже начнутся потери. Ибо нефиг экран превращать в радиатор.

Преимущества радиатора проявятся, если на внешнюю колбу уходило больше тепла: 20-50% мощности горелки. Но и тогда вопрос: а зачем оптимизировать столь неэкономную в принципе конструкцию? Ее надо переделывать.

Забыл про классический вариант.

3. Горелка, котелок, экран.
Горелка не греет "экран-радиатор", 1000 Вт уходят целиком на котелок.

a) Количество теплоты для нагрева котла до 100 градусов:
Q = 500 * 0.25 * (100-20) = 10 кДж.
Габариты 0.7 литрового котла 6x13 см. Площадь внешней поверхности S = 2 * pi * R * H = 2 * 3.14 * 0.065 * 0.06 = 0.025 м2. (Уже здесь преимущество почти в 3 раза).

Предположим, экран эффективен не абсолютно, а убирает ветер и "добавляет" +20 градусов к внешней температуре.
С учетом этого при средней температуре термоса 60 градусов разница температур dT при воздухе 20 градусов = 20 градусов, при воздухе -20 градусов = 60 градусов.
Теплообмен для хороших условий (безветрие, воздух +20, за экраном +40) q = 8 * 0.025 * 20 = 4 Вт.
Из 1000 Вт на конвекцию уходит 4, остается 996.
Вода нагреется за (10000+235000)/996 = 246 секунд = 4 минуты 6 секунд.

b) В плохих условиях (внутри экрана безветрие, воздух -20, за экраном 0) количество теплоты для нагрева котелка:
Q = 500 * 0.25 * (100-(-20)) = 15 кДж.
Теплообмен для плохих условий q = 8 * 0.025 * 60 = 12 Вт.
(Все-таки есть разница по сравнению с разворачиванием гигантского радиатора без экрана!)

Из 1000 Вт на конвекцию уходит 12, остается 988.
Вода нагреется за (15000+235000)/988 = 253 секунды = 4 минуты 13 секунд.

(Ну да, надо еще учесть теплопотери через крышку и то, что даже "зимний" газ горит плохо. Во всех случаях горелка помощнее 1000 Вт, просто до котелка/термоса доходит условно 1000. Коэффициенты теплообмена для воздуха брал тут: [1], [2], [3] и др.).

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 3 Июл, 2015 в 00:27

Горелка, котелок, экран.
Горелка не греет "экран-радиатор", 1000 Вт уходят целиком на котелок.
....
Из 1000 Вт на конвекцию уходит 12, остается 988.

|-)) |-)) |-))
ну это вообще сверхкрутое КПД.. оно такое вообще бывает у печек ?.. ну в смысле - вообще..? |-)_)

Напомню:

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 3 Июл, 2015 в 00:27

...надо еще учесть теплопотери через крышку...
Во всех случаях горелка помощнее 1000 Вт, просто до котелка/термоса доходит условно 1000.

Так что выделенные Вами цифры не имеют отношения к общему КПД. Это потери на конвекцию в теплую погоду, которые, кстати, никак не зависят от мощности горелки и от полезной мощности.

емножко потестировал свой "термос" в полевых условиях..

практически и сиюминутно остался недоволен.. хотя теоретически "и вообще"- наоборот.. :o

доволен тем что общая концепция погружаемого в кожух трубу котелка - верная..
во время тестирования на улице было очень тепло - но шел небольшой дождь - который совершенно не помешал работе печки -думаю что даже и ливень бы не помешал.. ветер был слабый..

теперь о печальном - мои надежды на то что высокий термос будет работать как хорошая труба оправдались плохо - тяга была на редкость гадкой.. в связи с чем щепки без поддува горели неохотно.. на выходе - белый сырой дым.. от комаров - самое то..
дрова в топку было подкидывать тоже очень неудобно.. поэтому хотя вода быстро (минут за 10..15) нагрелась до горячей закипала она у меня 25 минут .. это с учётом приподнимания "термоса" над топкой и добавления щепок..

а вот при поддуве щепок газовым рожком - вообще закипело минут за 5..но газ при этом - как обычно - расходовался хорошо..

во всех случаях щепки в топке разжигал газом..

общий план:

вид ближе:

короче проект пока заморожен до осени.. сейчас нет времени на его доработку..

Цитата сообщения от jelsay отправленного 5 Июл, 2015 в 05:21

доволен тем что общая концепция погружаемого в кожух трубу котелка - верная..

Чем же верная, когда опыт не показал преимуществ в виде улучшения тяги и усиления нагрева через стенки?
В дождик горелка и костер тоже вполне себе работают.

Обнаружил такие соображения о топке дровами:
"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.
...
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.
...
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%."

Низовцев "САМОВАР С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИКИ", "Наука и жизнь", 12-2001
http://www.nkj.ru/archive/articles/7531/

Полагаю, что в воздуховоде термоса происходят явления, сопоставимые с ситуацией в трубе самовара. Разве что затягивание воздуха чуть лучше. Становится понятно, откуда столько пара: воде некуда деться и наряду со сжиганием газов происходит ее выпаривание. С продуктами горения тоже проблема: если поверхности трубы или котелка можно почистить, то забраться в термос между стенками будет тяжело.

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 2 Июл, 2015 в 22:23

Надо считать.

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 2 Июл, 2015 в 22:23

предположим, 90% тепла горелки уходило внутренней колбе, 10% внешней.

Считаю, что предположения не верны.
Шурик, скажи пожалуйста - ты видел трубу печки зимней палатки\бани? Они даже снаружи бани\палатки красные (600-800 градусов по шкале Цельсия)

Jelsay, скажите до каких температур и за какое время разогревалась внешняя стенка термоса? Ориентировочно.

Шурик, расчеты не верны на порядок. Никак не учтена теплоемкость радиатора. В идеале он должен быть большей массы и теплопроводности чем внешняя колба. Тогда нагреется он сильнее чем обе колбы и эффективно отдаст тепло воде.

Jelsay, писал ранее, нужна регулировка тяги. В идеале и сверху и снизу. Нынешние верхние отверстия по ощущениям выглядят маленькими для этой печки.

Цитата сообщения от гога отправленного 6 Июл, 2015 в 09:10

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 2 Июл, 2015 в 22:23

предположим, 90% тепла горелки уходило внутренней колбе, 10% внешней.

Считаю, что предположения не верны.
Шурик, скажи пожалуйста - ты видел трубу печки зимней палатки\бани? Они даже снаружи бани\палатки красные (600-800 градусов по шкале Цельсия)

Повторяю:

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 2 Июл, 2015 в 22:23

Преимущества радиатора проявятся, если на внешнюю колбу уходило больше тепла: 20-50% мощности горелки. Но и тогда вопрос: а зачем оптимизировать столь неэкономную в принципе конструкцию? Ее надо переделывать.

Если в трубу (буквально) уходит 50% энергии, это значит, что она там делится между стенками, и вместо 90%:10% надо рассчитать случай 75%:25%.
В оригинальной конструкции вода нагреется за (10000+235000)/750 = 326 сек = 5 минут 26 секунд. Напомню цифры системы с радиатором: 4 минуты 20 секунд в хороших условиях, 5 минут 34 секунды в плохих. Таким образом, неэкономную конструкцию радиатор улучшит во хороших и средних условиях, в плохих незначительно.

Классику (широкий и низкий котел с отдельным экраном) такая система все еще не догоняет.

А 50%:50% - ситуация нереальная. Она означает, что дно не греется в принципе и 100% энергии уходит в трубу.

Для понимания работы этой системы не нужны такие расчеты.
Для упрощения допустим массу колб одинаковой. При эффективном радиаторе и одинаковой площади контакта к обеим колбам вода от всей системы заберет в 27 раз больше тепла чем воздух (отношение теплопроводностей воды и воздуха). Реальная цифра не будет отличаться значительно.
Остается сделать эффективную подачу тепла и эффективный воздуховод. Как и возможно ли это здесь вообще, я не знаю.

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 6 Июл, 2015 в 10:32

А 50%:50% - ситуация нереальная. Она означает, что дно не греется в принципе и 100% энергии уходит в трубу.

Ты упорно не отвечаешь на мои вопросы.

Считай такую ситуацию (так - для интереса) - менее 5% энергии забирается дном (что нам безразлично ибо все согласны с формой котла) 95% уходит в трубу где по 2% энергии отнимут стенки (внутренняя и внешняя). стоит ли их соединять?

На самом деле всё просто - автор конструкции плюнет на термос в процессе нагрева и если оно там зашипит (>100 градусов), то соединять стенки имеет смысл. Поплюйте с наветренной и подветренной стороны для снятия всех вопросов.

Цитата сообщения от гога отправленного 6 Июл, 2015 в 11:30

Ты упорно не отвечаешь на мои вопросы.

Я отвечаю на твои вопросы. Более того, даю больше информации по существу. Постоянно опускаться до личных выпадов не стоит.

Считай такую ситуацию (так - для интереса) - менее 5% энергии забирается дном (что нам безразлично ибо все согласны с формой котла) 95% уходит в трубу где по 2% энергии отнимут стенки (внутренняя и внешняя). стоит ли их соединять?

Стоит. Повторяю еще раз:

Цитата сообщения от kciroohs отправленного 2 Июл, 2015 в 22:23

Преимущества радиатора проявятся, если на внешнюю колбу уходило больше тепла: 20-50% мощности горелки. Но и тогда вопрос: а зачем оптимизировать столь неэкономную в принципе конструкцию? Ее надо переделывать.

В твоем примере получаем 7% на внутреннюю колбу, 2% на внешнюю. Соотношение 78%:22%. Близкий случай 75%:25% я уже расчитывал только что.
Что непонятно?

Хотя к реальному термосу твой крайний случай отношения не имеет. Горение преимущественно происходит подо дном, а не под "воздуховодом" термоса. Там же и смешиваются летучие газы с воздухом.

Печка в зимней палатке - хороший пример, как стоит греть окружающий воздух. Она сконструирована как раз для передачи тепла через конвекцию. Чем больше площадь трубы, тем сильнее нагревается воздух в палатке.

Цитата сообщения от rrom\-ma отправленного 6 Июл, 2015 в 11:03

Для понимания работы этой системы не нужны такие расчеты.
Для упрощения допустим массу колб одинаковой. При эффективном радиаторе и одинаковой площади контакта к обеим колбам вода от всей системы заберет в 27 раз больше тепла чем воздух (отношение теплопроводностей воды и воздуха). Реальная цифра не будет отличаться значительно.

Неверно. При нагреве жидкостей и газов тепло передается через конвекцию (потоки), а не теплопроводность.

Такое приближение можно было бы условно взять только в случае, если бы нагревался замкнутый объем воздуха, при этом изначально той же температуры, как и вода, при этом пренебречь вязкостью жидкости и ее неоднородностью по температуре (особенно в термосах и самоварах, подогреваемых не снизу). То есть два котла, для воды и воздуха.

Но в реальной системе нагретый воздух улетает, а вода остается. Разница температур dT на стенке с воздухом одинаковая, на стенке с водой постоянно уменьшается. А плотность теплового потока пропорциональна dT, то есть с нагревом воды разница в тепле, отдаваемом воздуху и воде, растет. Далее, надо учесть разные условия эксплуатации. В холод на внешней стенке dT в разы больше, чем в тепло. В ветер воздух, прилегающий к стенке, не успевает нагреваться и dT надо брать еще больше. Итого эту константу "27" надо варьировать в разы. А зачем это делать, когда всё вышесказанное учитывается в формуле для конвекции? Кстати, теплопотери зданий тоже рассчитываются не путем сопоставления теплопроводностей, а через конвекцию.

Цитата сообщения от гога отправленного 6 Июл, 2015 в 11:30

На самом деле всё просто - автор конструкции плюнет на термос в процессе нагрева и если оно там зашипит (>100 градусов), то соединять стенки имеет смысл. Поплюйте с наветренной и подветренной стороны для снятия всех вопросов.

KciroohS, тут то ты согласен? Да и можешь не ждать результатов опыта а заняться своим, давно рекомендованным -

Цитата сообщения от гога отправленного 2 Июл, 2015 в 13:34

(поставь свой экран поближе к котлу и плюнь на него - зашипит).

Так будет быстрее и останется время на планирование совместных походов.

Ветрозащитный и тепловой экран нагревается, кто спорит. Но что произойдет при соединении его с котлом, я написал. Тепловой мостик работает в обе стороны.
Конструктивнее не повторять аргумент, который я понял и учёл, а двигаться дальше. Например, найти ошибку в моих расчетах или предложить свои.