Основы конструирования печей

В любом очаге выходящие из топки горячие газы при дви­жении внутри него отдают свое тепло стенкам и после это­го, охлажденные, отводятся в дымовую трубу. Что вкладывается здесь в понятие очаг. Очаг содержит в себе топку, где происходит процесс сжигания топлива и конвективную систему, для использования теплоты, выделившийся при сгорании топлива. Это может быть печь любого функционального назначения (отопительная, отопительно-варочная, русская, банная и т. п.), печь с камином, отопительный котёл.

При нагревании или горении древесины часть ее вещества испаряется, а часть остается на подине очага. Количество испаряющихся из древесины, например березы, веществ, достигает 88%, а количество твердого вещества состав­ляет всего лишь 12%. Большая часть испаряющихся веществ горючие, поэтому для эффективного использования энергосодержания древесины предусматривается сжигание также и этих газов. Наиболее общая ошибка при про­ектировании очагов заключается в том, что забывают о су­ществовании газообразной топ­ливной части древесины. Энергосодержание или теплосодержание древесины, это максимальное количество содержащейся в ней химической энергии, которую теоретически можно выделить из топлива при его сжигании.

Руководствуясь этим, определим следующую концепцию. Чтобы получить хороший очаг необходимо:

1. Обеспечить наилучшие условия полного протекания реакции горения, то есть получить максимальное, полезное количество теплоты от количества теплоты заключённом в топливе;

2. Организовать естественное движение горячих и холодных газов, разделить поток проходящего через очаг газа, горячие газы направить на аккумуляцию тепла, а холодные удалять;

3. Выполнить конструктивную часть конвективной системы очага в соответствии с необходимыми функциональными требованиями; чтобы снизить потери тепла от дымовых газов; чтобы обеспечить оптимальное нагревание всех частей очага; чтобы большую часть из всего энергосодержания древесины можно было преобразовать в полезное тепло, то есть добиться наивысшего КПД. Возможность использования электроэнергии в качестве резервного топлива.

Или проще суть концепции: получить из топлива максимальное количество тепла при его сжигании; полученную теплоту в максимальном объёме аккумулировать в очаге; конструкция очага должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать оптимальную теплоотдачу.

Лучше всего этим условиям удовлетворяет теория конструирования печей, разработанная И. С. Подгородниковым. Наилучшие условия протекания реакции горения, а так же организация движения остывающих газов внутри очага решается на принципе естественного (вольного) движения газов. Температура отработавших в колпаках дымовых газов, направляемых в трубу небольшая (около 120 град. С), что обусловливает высокие теплотехнические качества колпаковых конструкций. КПД бесканальных конвективных систем 93,7% (не путать с КПД печей). Основы правильной конструкции бытовых печей разработаны И. С. Подгородниковым на основе гидравлической теории печей, русского ученого-металлурга проф. В. Е. Грум-Гржимайло. Для лучшего понимания вопроса приведём эти основы.

Положения гидравлической теории печей в применении к бытовым печам полностью сохранили свое значение. Основная идея, лежащая в основе этой теории, элементар­но проста. Струйка горячего газа в окружении холодного всплывает вверх как более легкая, струйка холодного газа в окружении горячего, как более тяжёлая опускается вниз. В. Е. Грум-Гржимайло рекомендует при проектировании печи в каждой ее части задавать такое направление движению газов, которое отве­чало бы их естественному стремлению: струю горячего газа, в окружении холодного следует направлять вверх, струйки охлаж­дающегося газа - вниз. В печах с «оборотами» это не соблю­дается: охлаждающиеся газы идут попеременно то вверх, то вниз.

Горячие газы, поступающие из топки в объем печи, соби­раются как наиболее легкие под сводом, образуя там, по вы­ражению В. Е. Грум-Гржимайло, «мешок горячих газов». Холодные газы как наиболее тяжёлые стекают в нижнюю часть печи и, если их оттуда не убирать, образуют там «мешок хо­лодных газов». Поэтому отвод газов из печи всегда следует делать снизу, где собираются наиболее охлажденные газы. Печи, построенные с использованием этого принципа, не нуждаются в «оборотах»: движение газов в них совершается за счет естественных сил природы. Такие печи построены на принципе естественного («вольного», по выражению М. В. Ло­моносова) движения газов.

Отказ от «оборотов» позволил резко снизить сопротивление движению газов внутри печи, что особенно важно в русских печах с их небольшой высотой дымовой трубы. Только применение принципа «вольного» движения газов, позволило удачно решить задачу создания отопительной камеры в нижней части «теплушки», дымовая труба которой создает разрежение всего 1.5-2 мм вод. ст. Применяя «обороты», решить эту за­дачу невозможно.

Поток пламени выходящий из слоя топлива, представляет собой смесь струй горючих газов, воздуха и продуктов сгора­ния. Для того чтобы реакция горения в пламени закончилась, необходимо хорошо перемешать отдельные его струи; в объе­ме, где заканчивается горение, должна поддерживаться высо­кая температура.

Подсводовый объём - «мешок горячих газов» есть идеаль­ная сожигательная камера.

Если поток пламени с не закончившимися реакциями горе­ния выпустить в объем с низкой температурой, то газы охладятся, и реакция горения не сможет пройти до конца. В таких газах останутся несгоревшие сажа и смолы, которые при дви­жении газов по каналам печи будут осаждаться на их стенках.

Все разработанные И. С. Подгородниковым печи имеют вид колпака или двух колпаков, расположенных один над другим. Колпак - это объем, ограниченный сплошными стенками с боков и сверху. Горячие газы подводят в колпак снизу; охлажденные газы уда­ляют через отверстия, расположенные тоже в нижней части колпака.

Опрокиньте стеклянный стакан и поднесите к нему снизу горящую папиросу. Вы увидите, как струйка дыма войдет в стакан, дойдет до его донышка, затем повернется и кольцом вдоль стенок будет опускаться вниз. Такое же движение газов создается и в печах, построенных с использованием принципа колпака.

Когда топка печи окончена, а вьюшка плотно не закрыта, то холодный воздух, входя через топку в печь, будучи более тяжёлым, чем газы, заполняющие печь, не сможет подняться и тотчас уйдет в отводные каналы, не унеся с собой заметного количества тепла. Такая печь имеет как бы автоматическую «газовую» вьюшку, исключающую возможность охлаждения колпака при попадании в него холодного воздуха. Этим объяс­няется способность колпаковых печей хорошо сохранять тепло и при неплотно закрытой вьюшке.

Большая экономия топлива, полученная после замены обыч­ных печей печами «Двухъярусный колпак», по данным практических испытаний, объясняется именно тем, что эти печи имеют «газовую» вьюшку.

Хорошая бытовая печь должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Печь должна иметь высокий коэффициент полезного действия в пределах 75-85%. Если топка печи имеет колосниковую решетку, этому требованию удовлетворяют все известные типы отопительных печей.

2. Печь должна прогреваться снизу доверху, причем нагрев внизу должен быть сильнее, чем вверху. Такой характер нагрева должен сохраняться в течение суток. Этим будет обеспечен равномерный нагрев помещения с минимальной разницей температур под потолком и на полу.

3. Печь должна хорошо держать тепло, не стынуть при неплотно закрытой вьюшке.

4. Печь не должна давать трещин.

5. Печь не должна забиваться сажей, выделяющейся в результате плохой организации сжигания топлива.

6. Каналы печи не должны забиваться золой.

7. Печи, предназначенные для одноэтажных домов, должны отличаться минимальным сопротивлением движению в них газов.

8. Печь должна быть проста.

Гидравлическая теория движения газов помогла освободить­ся от «оборотов», от местных сопротивлений движению газов и направить энергию дымовой трубы на создание разрежения в варочной камере и преодоление отрицательного давления га­зов при движении их от уровня пода до пола. Результаты ока­зались осязательными - печь получилась простой, с ярко выра­женной идеей. Это дает основания считать, что печь «Двухъярусный колпак» станет основным типом отопительных печей в Совет­ском Союзе.

Руководствуясь выше изложенными концепцией, и основами правильной конструкции бытовых печей И. С. Подгородникова, определим основные правила конструирования очагов, имеющих бесканальные конвективные системы:

1. колпак (нижний и верхний) может иметь любую форму, круглую, прямоугольную, Г-образную, П-образную и т. п.;

2. не допускается в пределах яруса (верхнего или нижнего) делать последовательные колпаки, так как последующий колпак будет прогреваться хуже предыдущего. Это условие не было учтено И. С. Подгородниковым при конструировании отопительно-варочных печей ИП-1 и ИП-2. В связи с этим задняя стенка этих печей прогревается значительно хуже передней. Как следствие указанные печи не получили широкого распространения. Печи ИП-1 и ИП-2 были мной усовершенствованы (патент Российской Федерации № 2055272 от 27.02.1996г). Можно делать параллельные равнозначные колпаки (равноудалённые пути движения газов);

3. при необходимости, колпак можно разделить горизонтальной диафрагмой, при этом должны быть обеспечены условия для наилучшего сгорания топлива, а так же разделение потоков холодных и горячих газов; разделение диафрагмой необходимо при конструировании русских «теплушек», некоторых конструкций печей для бань, котлов отопления;

4. не рекомендуется делать колпаки с вертикальными рассечками; поток горячих газов из топки (или из нижнего колпака) фонтанируют с большой скоростью, и расширяется по мере подъёма, вертикальные рассечки мешают естественному распространению газов;

5. нижний колпак в своём объёме, может иметь переменное сечение и переменную высоту (например: часть объёма колпака имеет высоту половину печи, а часть - всю высоту, при этом нельзя устанавливать вверху высокой части колпака задвижку летнего хода из-за возможности дымления через неё);

6. из верхней части топки можно делать один или несколько выходов горячих газов в колпак (лучше дальше от дверки), причём заполнение колпака по возможности делать равномерным; пути движения газов в колпаке до соединительного канала лучше делать равновеликими; газы из топки могут направляться в колпак вверх или вбок; в задней части топки нельзя делать отверстия ниже 12 ряда, во избежание засорения печи; в нижней части топки необходимо предусматривать отверстия или сухие швы для пропуска холодных газов;

7. горячие газы подводятся во второй колпак снизу, это важно, причём заполнение колпака по возможности делать равномерным. В некоторых печах, рекомендуемых к строительству Госстроем России, а так же печах построенных на принципе «противотока», горячие газы подводятся в верхнюю зону. Здесь не происходит разделение потока проходящего через очаг газа, горячие и холодные газы принудительно протаскиваются через верхнюю часть печи; (Жидкости и газы следует нагревать снизу, иначе не происходит естественной конвекции);

8. духовку необходимо устанавливать по возможности выше (в верхней зоне колпака), чтобы её со всех сторон омывали горячие газы;

9. дно нижнего колпака – первый ряд (дымовые газы ходят со второго ряда), это возможно в печах построенных на принципе свободного движения газов (преодолевается отрицательное давления га­зов при движении их от уровня пода до дна). Это даёт возможность пропускать горячие газы под подом камина и топкой; высоту подвёртки (выход в соединительный канал), необходимо делать внизу высотой 3 ряда;

10. наружные стенки колпаков должны иметь одинаковую толщину по всему периметру; колпак должен захватывать пространство по внутренним стенкам и низу камина, а так же под топкой; печь должна прогреваться равномерно по периметру яруса, начиная с первого ряда (фундамент должен быть несгораемым);

11. колпак может иметь один или более соединительных каналов, при не равнозначных (не равновеликих) путях движения газов в канал ближнего хода необходимо установить регулирующую задвижку для регулирования равномерности нагрева печи; соединительный канал может иметь одну или более подвёрток;

12. топка не должна содержать холодного ядра (котёл, регистр, бак с водой, змеевик и т. п.), так как не выполняется п.1 концепции;

13. котёл, регистр, бак с водой, змеевик и т. п. располагаются вне топки, можно располагать их элементы непосредственно под колосниками;

14. если печь со встроенным котлом, используется в системе с водяным отоплением, то её необходимо обвязать металлическим каркасом и снаружи теплоизолировать минеральными материалами; при использовании электричества в целях отопления, лучше греть теплоаккумулятор (печь), чем теплоноситель, при этом предусматривать автоматическое использование выгодного ночного режима;

15. в очагах, имеющих систему горячего водоснабжения, необходимо предусматривать регулирование нагрева воды путём изменения направления движения горячих газов, а так же изменения скорости циркуляции воды за счёт установки вентиля на обратной трубе. Колпак в колпаке - один из способов регулирования нагрева воды, змеевик размещается в малом колпаке, вверху которого устанавливают задвижку регулирования нагрева воды, малый колпак размещается в большем колпаке;

16. печь должна хорошо чиститься;

17. электротены устанавливать в нижнем колпаке; при этом предусматривать возможность автоматического использования выгодного ночного режима;

18. толщину наружных стенок топки у печей, имеющих нижний колпак, по возможности лучше предусматривать 19 см на высоту: у отопительно-варочных - на 7 см ниже плиты, у отопительных - на 21 см выше верха топочной дверки;

19. в печах типа «двухъярусный колпак» рекомендуется делать трубы насадные; использование коренных и стенных труб не рекомендуется, так как место соединения печи с трубой при нагревании и охлаждении печи подвергается усталостному воздействию и может выйти из строя; при невозможности выполнения насадных труб, дымовые патрубки делать с листовыми (гофрированными) шарнирами;

20. применение печей построенных на принципе свободного движения газов, имеющих малое сопротивление движению газов, позволяет использовать один дымовой канал (трубу) для нескольких печей и каминов; это позволяет выполнять 2-3-х этажные печи, работающие одновременно на одну трубу.

 

Анализ работы некоторых конвективных систем и конструкций очагов, с позиции изложенной «концепции» и «требований» И. С. Подгородникова.