Zdeňka Kielbusová
KMT, ZČU v Plzni
Abstrakt
Příspěvek je tentokrát zaměřen na vznik proudění v komínech. V rámci experimentů můžeme sledovat za jakých podmínek a kdy dojde ke vzniku proudění v komínu.
Úvod
Komíny mají dlouhou a fascinující historii, která sahá až do starověku. První pokusy o odvod kouře z obytných prostor se objevily již ve starověkých civilizacích. Od starověkého hypocaustu, složitého systému podlahového vytápění využívaného Římany, až po moderní komíny z nerezové oceli ušla technologie odvodu kouře dlouhou cestu.
Dýmníky byly jednoduchá zařízení ve tvaru obrácené nálevky, které byly zavěšeny ze stropu přímo nad ohništěm. Kouř z ohně stoupal vzhůru a dýmník ho zachytil a odvedl mimo místnost, nejčastěji skrz otvor ve střeše. Tyto dřevěné a hliněné dýmníky byly postupně ve středověkých domech nahrazeny zděnými komíny, které se staly nedílnou součástí městské i venkovské architektury. V 17. století se komíny dále zdokonalovaly a začaly se objevovat první profesionální kominické cechy, které se staraly o jejich údržbu. S průmyslovou revolucí v 18. a 19. století se komíny staly nezbytnou součástí továren a domů, kde se používaly k odvádění kouře z parních strojů a topenišť.
Dnes jsou komíny stále důležitou součástí vytápěcích systémů, i když moderní technologie, jako jsou tepelná čerpadla a plynové kotle, často nahrazují tradiční způsoby vytápění. Komíny však zůstávají symbolem lidské vynalézavosti a schopnosti přizpůsobit se měnícím se potřebám a technologiím.
Fyzikální princip fungování komínu je založen na komínovém efektu. Což je fyzikální jev, při kterém dochází k samovolnému proudění vzduchu svislou dutinou v důsledku rozdílu teplot a následně i hustoty vzduchu na obou koncích této dutiny. Teplejší vzduch má nižší hustotu, a proto stoupá vzhůru, zatímco chladnější vzduch ho nahrazuje. Tento proces je poháněn rozdílem tlaku, který vzniká v důsledku rozdílné hustoty vzduchu.
POKUS č. 1
Komínový efekt – Proč je důležité mít správný přívod vzduchu?
Pomůcky
- Termokamera
- Čirá extrudovaná trubky z plexiskla (délka 1 m, vnější průměr 60 mm a vnitřní průměr 54 mm)
- Svíčka
- Větší plastový kelímek (musí se dovnitř vejít plexisklová trubka) nebo vytištěný stojan na 3d tiskárně
Postup
Doprostřed dna kelímku připevníme svíčku. Zapneme termokameru. Svíčku zapálíme a překryjeme trubkou z plexiskla. Ideální rozměr trubky je 60/54, při menším průměru dochází k zanášení Dbáme na to, aby spodní okraj trubky těsně doléhal ke dnu kelímku.
Obrázek 1: Vytištěné stojany pro experiment 1 a 2
Sledujeme, jak uvnitř trubky stoupá teplota. Termokamera nám umožňuje sledovat rozložení teploty uvnitř trubky a můžeme sledovat, jak přibližně v polovině trubky vzniká nejteplejší místo a plamen svíčky po chvíli zhasne.
 |  |
Obrázek 2: Uspořádání experimentu s plastovým kelímkem i tištěným stojanem
Vysvětlení
Když svíčku zakryjeme trubkou z plexiskla, omezíme přívod čerstvého vzduchu (a tedy i kyslíku) k plamenu. Plamen spotřebovává kyslík uvnitř trubky a současně ohřívá vzduch, který v důsledku nižšího tlaku stoupá vzhůru, ale bez spodního přístupu vzduchu nevzniká uvnitř trubky proudění (nevznikne komínový efekt) a když koncentrace kyslíku uvnitř trubky klesne pod určitou kritickou hodnotu (přibližně 16 %), plamen svíčky začne slábnout a nakonec zhasne.
POKUS č. 2
Komínový efekt
– Když kamna dobře táhnou
Pomůcky
- Termokamera
- Čirá extrudovaná trubky z plexiskla (délka 1 m, vnější průměr 60 mm a vnitřní průměr 54 mm)
- Svíčka
- Větší plastový kelímek s otvory pro přístup vzduchu (ideálně, pokud jde trubka lehce nasunout na dno kelímku) nebo vytištěný stojan na 3d tiskárně
Postup
Připravený kelímek otočíme dnem vzhůru a na střed dna připevníme svíčku. Zapneme termokameru. Svíčku zapálíme a opět překryjeme trubkou z plexiskla. Sledujeme, jak uvnitř trubky stoupá teplota. Termokamera nám umožňuje sledovat rozložení teploty uvnitř trubky. Je vidět, jak teplý vzduch stoupá vzhůru a jak se rozložení teploty v trubce mění.
 |
Obrázek 3: Průběh experimentu
Vysvětlení
Teplo vzniklé hořením ohřívá vzduch uvnitř trubky. Teplý vzduch má menší hustotu než chladný vzduch, a proto stoupá vzhůru. Tento stoupající teplý vzduch uniká z horního konce trubky a je nahrazován chladnějším vzduchem, který je nasáván zespodu trubky. Sledujeme vznik komínového efektu.
POKUS č. 3
Komínový efekt – Přepážka v komíně
Pomůcky
- Termokamera
- Čirá extrudovaná trubky z plexiskla (délka 1 m, vnější průměr 60 mm a vnitřní průměr 54 mm)
- Svíčka
- Větší plastový kelímek (musí se dovnitř vejít plexisklová trubka) nebo vytištěný stojan na 3d tiskárně
- Špejle
- Alobal v délce 1 m
Obrázek 4: Detail uspořádání experimentu
Postup
Doprostřed dna kelímku připevníme svíčku. Alobal poskládáme na pruh dlouhý 95 cm a široký přibližně 50 mm a pevně uhladíme. Pruh musí jít volně zasunout dovnitř plexisklové trubky. Jeden konec alobalového pruhu namotáme na špejli tak abych jej mohli volně zavěsit do trubky (viz. obrázek). Než zapálíme svíčku zkontrolujeme, že nám konec vytvořené přepážky z alobalu vychází přibližně 5 cm nad knot svíčky. Zapneme termokameru. Svíčku zapálíme a překryjeme trubkou s alobalovou přepážkou. Opět dbáme na to, aby spodní okraj trubky těsně doléhal ke dnu kelímku. Termokamera nám umožňuje sledovat rozložení teploty uvnitř trubky. Alobalová přepážka rozděluje vnitřek trubky na dvě části. V jedné polovině trubky proudí studený vzduch k plamenu, aby nahradil spotřebovaný kyslík. V druhé polovině trubky stoupá teplý vzduch od plamene vzhůru. Termokamerou pozorujeme, jak se ohřívá jen polovina trubky, kterou proudí zahřátý vzduch vzhůru.
 |
Obrázek 5: Průběh experimentu 3
Vysvětlení
Tento experiment demonstruje princip konvekce a ukazuje, jak alobalová přepážka ovlivňuje proudění vzduchu v trubce s hořící svíčkou. Termokamera nám umožňuje vizualizovat toto proudění a lépe pochopit tento fyzikální jev.
Závěr
Komíny jsou důležitou součástí lidské historie a technologie. Od jednoduchých dýmníků ve starověku až po moderní komíny z nerezové oceli. Fyzikální princip fungování komínu je založen na komínovém efektu, který využívá rozdílu teplot a hustoty vzduchu k vytvoření proudění. Experimenty s termokamerou a plexisklovou trubkou nám umožňují vizualizovat tento jev a lépe pochopit jeho fungování. Výše uvedené experimenty poskytují názornou demonstraci principů hoření a konvekce. První experiment, využívající uzavřenou trubici, ilustruje závislost hoření na přítomnosti kyslíku a vede k zániku plamene v důsledku jeho spotřebování. Druhý experiment Třetí experiment, s alobalovou přepážkou, vizualizuje proudění vzduchu v trubici a odhaluje, jak modifikace vnitřního prostoru ovlivňuje konvektivní přenos tepla. V tomto uspořádání lze pozorovat i projev komínového efektu, kdy ohřátý vzduch stoupá vzhůru a je nahrazován chladnějším vzduchem proudícím k plamenu. Tyto experimenty tak přispívají k hlubšímu pochopení základních fyzikálních jevů, jako je hoření, konvekce, termodynamika a komínový efekt, a mohou sloužit jako efektivní didaktický nástroj pro výuku těchto konceptů. Komíny tak zůstávají symbolem lidské vynalézavosti a schopnosti využívat fyzikální principy k vytvoření efektivních a praktických řešení.
Trubky z čirého plexiskla nabízí například firma TITAN – Multiplast s.r.o. (https://www.titan-multiplast.cz/)
Použitá literatura a informační zdroje
[1] JELÍNEK, Vladimír. Funkční a konstrukční rozdělení komínů. Online. TZBinfo. 2011. Dostupné z: https://vytapeni.tzb-info.cz/kominy-a-kourovody/7767-funkcni-a-konstrukcni-rozdeleni-kominu. [cit. 2024-05-28].