Научный подход к тяге кальяна

Давайте познакомимся! Меня зовут Антон и я любитель кальянов, постоянно курю их с 2018 года. А ещё я к.т.н. и защитил диссертацию на тему конденсации пара в наклонной охлаждаемой трубе. Там отдельно исследовал потери давления конденсирующегося пара в зависимости от схемы охлаждения трубы. Поэтому могу порассуждать о тяге кальяна и теплообменных процессах при его курении, не голословно, а на цифрах и доказательно. Для ленивых – статья длинная, результаты смотрите внизу, если скучно читать всё)))

Различные кальяны могут иметь различную тягу – классическую, более тяжёлую, либо лёгкую тягу. В принципе, на бытовом уровне всем понятно, что если шахта имеет маленький диаметр, тяга будет тяжелее, а если шахта более широкая или на ней есть диффузор – то тяга будет легче. Но как, не покурив на кальяне, достоверно понять, насколько в нём тяжёлая тяга?

С научной точки зрения тяга кальяна – это аэродинамическое сопротивление воздушного тракта. Воздушный тракт – все сопротивления, начиная от фольги/колодки, шахта, шланг, мундштук, местные сопротивления. Эта величина выражается в паскалях (Па) и представляет собой величину разрежения, которое нужно создать у себя в лёгких, чтобы воздух поступал в них через кальян.

Распределённые сопротивления (шахта, шланг, мундштук) выражаются в Па на единицу длины этих участков тракта и вызваны трением воздуха об их стенки, а местные сопротивления просто выражаются в Па и связаны с резким изменением формы потока воздуха, например, если он переходит их элемента с одним диаметром в элемент с другим диаметром. Либо, если мы говорим о сопротивлении воздуха в табачной забивке.

Сопротивления эти прямо пропорциональны скорости, с которой воздух движется внутри этих элементов. Поэтому чтобы перейти к цифрам, нужно иметь представление, а какой же расход воздуха (а точнее, ароматного аэрозоля) поступает в лёгкие при курении кальяна. Эти данные можно найти например в статьях, подобных этой: https://waterpipe.pro/dlina-diametr-diffuzor-i-glubina-pogruzheniya-shahty-na-chto-vliyaet-nauchnyj-otvet/

Но в предложенной статье почему-то исследован странный кальян с шахтой всего 5 мм и объём затяжки через такой кальян ожидаемо мал, всего 500 мл за 2,5 секунды. Поэтому я выполнил собственные измерения. Метод использовал такой – перевёрнутый пластиковый контейнер погрузил в воду и откачал из него воздуха через трубочку, а затем курил кальян и выдыхал всё через трубочку в этот контейнер, делал на нём засечку и потом заполнял его водой до этой засечки. А объём воды уже измерить легко. Зная время затяжки по секундомеру и объём тяги, легко рассчитать скорость воздуха в кальяне. У меня кальян mamay customs coilover с шахтой диаметром 13 мм, длиной 65 см. Шланг диаметром 15 мм из силикона и длиной 1,5 метра. Ещё есть фирменный мундштук диаметром 10 мм и длиной 45 см.

Не буду грузить вас формулами и выкладками, учётом шероховатости трубок. Тем более, что получилось, что скорость находится в такой области, что шероховатость элементов не играет никакой роли, течение ламинарное.

Вот график, на нём точкой отмечены потери давления в шахте моего кальяна. Они составили 8 Па. Для шланга потери составили 9 Па, для мундштука 19 Па.

При этом шахта была погружена в воду на глубину 16 мм и потери давления при прохождении пузырька через воду составили порядка 80 Па. То есть суммарное сопротивление кальяна порядка 130-140 Па ( на чашку взял 10-20 Па по данным из статьи).

Какие же выводы следуют из моего небольшого исследования? Во-первых, при диаметре шахты более 11 мм её сопротивление слабо зависит от её длины (см. график). Кроме того, увеличение диаметра шахты более 11 мм слабо влияет на тягу кальяна. А вот уменьшение влияет значительно! Если в моём кальяне заменить шахту с 13 на 12 мм, сопротивление вырастет с 8 до 11,5 Па. Для 11 мм  сопротивление уже будет 17,5 Па. Для 10 мм – 27 Па, 9 мм – 45 Па, а для 8 мм – 79 Па!

Во-вторых сопротивление мундштука здесь выше, чем сопротивление шахты, потому что он тоньше. Если покурить без мундштука, облегчение тяги будет ощутимым. 

В-третьих, основное сопротивление в таком кальяне вызвано уровнем воды в нём. Порядка 5 Па прибавляет каждый миллиметр погружения шахты в воду. *здесь я примерно подсчитал из данных статьи. При увеличении скорости затяжки сопротивление несколько снижается. это связано с тем, что поднимаются уже не отдельные пузырьки, а практически непрерывный поток воздуха, а наличие над конкретным пузырьком другого снижает сопротивление (вода не давит на него всей массой, т.к. средняя плотность воды с пузырьками воздуха ниже, чем у просто воды). В общем, максимально трудно подняться только первому пузырьку. Аналогично, при наличии диффузора пузырьки дробятся на более мелкие, площадь сечения которых меньше и сопротивление при подъёме тоже. Насколько – точно не скажу.

Сопротивление чашки зависит от того, как она была забита, понятно, что чем плотнее, тем меньше проходное сечение для воздуха и тем больше потери. Если утрамбовать табак ложкой и не оставить шахты, то, ясное дело, тягу можно запороть полностью)) Поэтому этот вопрос здесь не рассматриваю, для этого нужны точные приборы, которых у меня нет((

Что происходит, если в кальяне окажется такая тяжёлая тяга, что не хватит сил делать тяги с такой скоростью, как была в опыте? Мощность, развиваемая лёгкими при курении, равна произведению расхода на сопротивление кальяна. Пользователь будет прилагать такие же усилия, но скорость воздуха при тяге будет меньше. При более низкой скорости уменьшатся потери давления и покурить конечно получится, но на заполнение лёгких уйдёт больше времени.

Задавайте здесь свои вопросы на эту тему, я постараюсь на них ответить.