Устройство самовара и принцип его работы

Самовар по конструкции вроде бы предельно прост. Корпус с ручками, или тулово, внутри - жаровая труба на массивном, но пустотелом основании. В трубу помещают горящий древесный уголь, и он продолжает гореть внизу на решётке в потоке воздуха, который поступает в отверстия основания. Воздух нагревается и, поднимаясь вверх в жаровой трубе, отдаёт тепло воде в самоваре (рис. 1).

Рис. 1.

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 научная дисциплина - газовая динамика называет такие способы разгона воздушного потока эффектом теплового и геометрического сопел (рис. 2).

Рис. 2.

а) Прямая труба: О⁺ - подвод тепла, Q^- - отвод тепла, Р - давление, V - скорость движения воздуха.
б) Труба с сужением: F₁ - суженное сечение трубы, F₂ - обычное сечение трубы. Сужение трубы приводит к более энергичному подъему скорости (тяге) и снижению давления.

Чтобы в самоварной трубе пошёл воздух, его надо "сдвинуть", сообщив некоторую начальную скорость, продувая трубу внизу возле решётки (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 её собственных колебаний) самоварной трубе удалось избежать значительного "гудения", что означало бы близость достаточно опасных вибраций типа флаттера.

Внутренний диаметр трубы, в широкой е 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 (рис. 3). У первых российских самоваров оно напоминало чашу (полусферу). Со временем выявились более подходящие формы тулова, похожего на ведро, - перевёрнутый усечённый конус, а также на более сложную комбинацию - верхняя часть конуса, сопряжённая с тором. В самоварах с таким туловом вода сначала нагревается внизу, потом принимает тепло от трубы по всему объёму.

Рис. 3. Изменения формы тулова.

Серьёзную 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, соединённые в одном месте, действовали как консоль - конструкция, закреплённая одной стороной и весьма уязвимая из-за своей малой жёсткости. В 1825 году профессор медицины Ефрем Мухин предложил новый вариант самовара, чтобы вместе с кипятком получать и водяной пар, нужный для полевых лазаретов (рис. 4). 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 жёсткость. Однако из-за периодичной смены температур верхнее соединение тулова с трубой быстро распаивалось, и пар улетучивался.

Рис. 4.