Кирпичные печи И.В.Кузнецова: базовые принципы построения. (Часть 1) « Строим русскую баню по уму
Опубликовано: 05.11.2018
В этой и следующей статьях будут рассмотрены вопросы, посвященные особенностям переноса тепла в кирпичных печах разных конструкций, а также особенностям конструктивного исполнения кирпичных печей разработки Игоря Викторовича Кузнецова.
Итак, рассмотрим особенности переноса тепла в кирпичных печах разных конструкций.
Все созданные человеком кирпичные печи слагаются из топки, в которой происходит сжигание топлива, конвективной системы, призванной утилизировать выделившееся из топлива тепловую энергию, и трубы, служащей для удаления из печи продуктов горения.
В зависимости от принципов организации движения газов внутри печей все печи условно можно разделить на печи, работающие на принципе Принудительного Движения Газов (ПДГ), и печи, работающие на принципе Свободного Движения Газов ( CДГ).
К последним и относятся печи конструкции И.В.Кузнецова.
Кратко рассмотрим физику явлений, происходящих с газами, в этих печах.
На рисунках ниже показаны разрезы печей, функционирующих на принципах ПДГ (Рис.1) и CДГ (Рис.2).
Рис.1. Канальная печь Рис.2. Колпаковая печь
На рисунках буквой Т обозначен топливник, стрелками показано направления движения печных газов.
Отметим, что печи, функционирующих на принципах Принудительного Движения Газов , по своему конструктивному исполнению делятся на печи с последовательным, параллельным и комбинированным исполнением конвективных каналов.
В качестве примера на Рис. 1 показана печь с последовательной конвективной системой. По сути, помимо топливника, любая печь ПДГ содержит систему теплоаккумулирующих каналов, движение печных газов по которым осуществляется под действием тяги печной трубы. Причем это движение не может быть никаким другим, как только принудительным.
Печи, функционирующие на принципах Свободного Движения Газов , являются бесканальными. Конвективная система этих печей представляет собой ряд последовательно соединенных между собою пространств, напоминающих перевернутые вверх дном колпаки (Рис.2). Конструктивно теплоаккумулирующими поверхностями в данных печах являются стенки колпаков.
Отличительной особенностью бесканальных печей от канальных является особенность движения в них печных газов. Как следствие, данным печам присущ ряд характерных свойств, делающих их с потребительской точки зрения очень заманчивыми и привлекательными.
Но, прежде чем начать рассмотрение особенностей конструкции бесканальных печей и лучшего понимания происходящих в них явлений, вспомним физико-химические основы процесса горения древесного топлива, который происходит в топливнике любой печи.
Всем желающим более глубоко вникнуть в суть данного процесса рекомендую ознакомиться с этой СТАТЬЕЙ .
По своей сути процесс горения любого органического топлива СхНуОz , состоящего из молекул углерода С2 , водорода Н2 и кислорода О2 , является совокупностью реакций окисления кислородом (то ли воздуха, то ли самого органического топлива) твердой и газообразной составляющей самого топлива. Данные реакции сопровождаются как выделением, так и поглощением тепла.
Горение твердого топлива и его газообразных составляющих в общем случае можно представить уравнением:
a СхНуОz + bO2 = d С(атомарный углерод, сажа)+ k СО(угарный газ)+ lCO2 (углекислый газ) + mH2O (водяной пар)+тепло
Необходимо отметить, что непосредственно горят (окисляются кислородом воздуха) газы, которые начинают выделяться топливом при его нагреве до определенной температуры. Для дров (в зависимости от их вида (сорта древесины), влажности, массы, формы укладки в топливнике) эта температура должна быть не менее 300º C. При этом очевидно, что пока из дров не испарится вся влага, нельзя достигнуть их нагрева до температуры выше 100º C.
Для поддержания реакции горения необходимо, чтобы выделяющегося из горящей порции дров тепла хватало как для завершения полноты сгорания выделяющихся из дерева газов, так и для нагрева до температуры выделения горючих газов из следующей закладки дров.
По сути дела в результате термического распада древесины на отдельные составляющие (С, Н и О) эти составляющие (углерод С и водород Н ) при определенной температуре вступают в реакцию с кислородом О (окисляются) с выделением (как правило) большого количества тепла.
Продуктами, способными вступать в реакцию с кислородом воздуха с выделением тепла, являются:
— атомарный углерод С :
С + О = СО;
— окись углерода СО (угарный газ) – как продукт неполного сгорания атомарного углерода С :
2СО +О2 = 2СО2;
— водород Н2:
2 H2 + O2 = 2 H2O.
Чтобы значительно увеличить скорость перечисленных реакций необходимо в зону горения подвести дополнительный объем кислорода воздуха. К тому же, очень желательно, чтобы этот дополнительный ( «вторичный») воздух был предварительно нагрет. В условиях нехватки кислорода протекание первой из указанных реакций также становится невозможной. Это влечет за собой образование частиц сажи (атомарного углерода С ), оседание их на внутренних поверхностях печи, снижение теплопроводности и теплоотдачи данных поверхностей и все остальное негативное, что из этого следует.
В идеале, через печную трубу в атмосферу должны выбрасываться только азот N2 , как основная не принимающая в процессе горения составляющая воздуха, углекислый газ СО2 и водяные пары Н2О .
Продуктами реакции полного сгорания дров являются углекислота СО2 от сгорания углерода и водяные пары Н2О от сгорания водорода.
В качестве балластных газов выступают водяные пары топлива, выделяемые им при нагреве, азот, а также избыточный воздух.
Продукты реакции горения и балластные газы участия в горении не принимают. Они только нагреваются за счет теплоты сгорания выделившихся из нагретых дров углерода и водорода.
Количество балластных газов непосредственно определяет теплосодержание продуктов сгорания топлива. Они понижают температуру газового потока, в котором ухудшаются условия сгорания топлива (замедляются или совсем прекращаются реакции окисления).
Таким образом, с целью улучшения процесса горения топлива, требуется достичь таких условий его горения, при которых обеспечивается полнота протекания всех перечисленных выше реакций и нейтрализация вредного воздействия балластных газов и продуктов горения.
А теперь рассмотрим, как справляются с этой задачей бесканальные (колпаковые) и канальные печи.
Схема печи двухъярусный колпак была впервые предложена советским инженером Иосифом Самуиловичем Подгородниковым, а развита и усовершенствована нашим соотечественником Игорем Викторовичем Кузнецовым.
В бесканальных или колпаковых печах конвективная система состоит из последовательно соединенных колпаков.
Схематически печь конструкции «двухъярусный колпак» можно изобразить следующим образом (Рис.3).
Рис.3. Печь конструкции «двухъярусный колпак»
Выделившиеся в процессе горения дров горячие газы в результате естественной конвекции поднимаются вверх колпака, и как более легкие вытесняют оттуда более холодные и тяжелые газы. Горячий воздух находиться вверху колпака до тех пор, пока не отдаст свое тепло стенам, не остынет и не опустится вниз. Теплопередача стенкам печи происходит за счёт конвекции и лучистой энергии.
В результате получается система, аккумулирующая тепло горячего воздуха в ограниченном объеме и благотворно влияющая на протекание процессов горения. Другими словами, под перекрытием колпака образуется объём горячих газов с высокой температурой, так необходимой для полноты протекания реакций горения топочных газов.
Стрелками на рисунках показано движение воздуха из подтопочного пространства, через топливник, нижний, а затем верхний колпак в трубу. Причем, на первом рисунке показана траектория движения горячих газов, а на втором рисунке – траектория движения более холодных газов. Пунктиром на втором рисунке изображен мешок горячих, более легких газов, собравшихся в купольной части колпаков.
Более холодные тяжелые газы, не имеющие возможности подняться вверх, низом колпака вместе с остывшими горячими газами через переточный канал переходят в следующий вышележащий колпак, дымовую камеру или трубу (если печь одноколпаковая), не охлаждая внутренностей печи.
Газы с промежуточной температурой циркулируют между ними.
Движение нагретого воздуха в колпаке может проходить как при наличии, так и без присутствия внешней тяги, а только исключительно под действием естественных сил природы: конвекции и гравитации.
Так, если в качестве теплоизлучающего элемента является вставленный в печь электронагреватель, движение нагретого воздуха может происходить без участия трубы. Перенос тепла внутри печи будет осуществляться только вследствие конвекции.
Нагреваемый воздух будет подниматься под перекрытие колпака, отдавать тепло окружающим его поверхностям, остывать, опускаться вниз и, при наличии какого-либо отверстия внизу колпака, покидать колпак через это отверстие.
Следует отметить, что горячий воздух будет находиться в колпаке до тех пор, пока стенки колпака, или помещенный внутрь колпака теплообменник, будут способны воспринимать (аккумулировать в себе) тепло этих газов. Только если генерируемого тепла будет больше теплоемкости воспринимаемых его поверхностей, излишнее тепло будет покидать колпак низом.
В случае использования для генерации тепла какого-либо топлива необходима печная труба для отвода из зоны горения продуктов реакции. В этом же случае в печи должно быть отверстие для подачи необходимого для горения воздуха.
Причем и в этом варианте движение газов будет аналогичным случаю, когда в печь вставлен электронагревательный элемент.
Горючие газы, выделяемые дровами, поднимаются под перекрытие колпака, остывают, передавая тепло стенам колпака и теплообменнику, опускаются вниз и через переточный канал отводятся либо во второй верхний колпак, дымовую камеру, либо в трубу (если печь одноколпаковая).
Влияние на процесс горения подаваемого в печь холодного наружного воздуха и балластных газов в колпаковых печах, в отличие от канальных печей, сведено к минимуму.
Это обусловлено тем, что нагретое нутро колпака не дает возможности холодному воздуху подняться вверх и охладить внутренние нагретые поверхности печи. Здесь мы наблюдаем наличие «теплового затвора». Более холодным тяжелым газам не остается ничего другого как пройти низом колпака в следующий колпак или трубу, не охлаждая внутренний объем печи. При этом ими оказывается минимальное влияние на процесс горения, и охлаждающее воздействие на размещенные в колпаке теплообменники.
Таким образом, количество используемого выделившегося при сгорании топлива тепла в колпаковой печи повышается за счет уменьшения влияния балластных газов на теплообмен.
Далее…
В колпаке, в отличие от канальных печей, происходит встречное движение струй горячих и остывающих газов.
За счет встречного перемещения горячих и охлажденных газов и их перемешивания в колпаке возникает турбулентное движение воздушных потоков. Турбулентное движение газов еще больше способствует полноте их сгорания и лучшему восприятию теплоты стенками колпака.
В колпаке имеется возможность поместить теплообменник так, чтобы он не мешал процессу горения и не снижал температуру в зоне реакции. Это достигается путем размещения теплообменника вне топочного пространства. В частности, в качестве теплообменника в банных печах выступает «змеевик» (П-образная металлическая труба системы горячего водоснабжения, внутри которой циркулирует нагреваемая вода), а также массив каменки, служащий для целей парообразования.
Характерной особенностью двухъярусных колпаковых печей является их более равномерный нагрев по высоте, в отличие от канальных печей. Это свойство двухъярусных колпаковых печей описал еще Подгородников И.С. в своей кандидатской диссертации «Конструкции отопительных печей и связанный с ними тепловой режим помещения», М., 1950:
«…В печи «двухэтажный колпак» нижняя половина печи не только прогревается во время топки сильнее верхней, но тепло, аккумулированное в нижней половине печи, сохраняется внизу все время остывания печи. Перенос тепла снизу вверх путем внутренней циркуляции газов невозможно. Одновременно сохраняется «вольное» движение газов, «газовая вьюшка», отсутствует выпадение сажи…
…Вследствие высокой температуры и большого теплоизлучения пламени на стенки, нижний колпак 1 аккумулирует больше половины тепла топлива. Так как это тепло сосредоточено в колпаке, то оно сохраняется в нем во все время остывания печи. Тепло колпака 1 передается через стенки только в нижние части помещения. В верхний колпак или трубу тепло не переносится газами. Все тепло, впитанное верхним колпаком, остается в верхнем колпаке…»
И еще там же…
«…В результате при отоплении предлагаемой печью разница в температуре между полом и потолком, как показали опытные печи, устанавливается 2-4ºС, в то время как при печах с нижним обогревом разница температур между полом и потолком наблюдается в 10-12ºС, а в печах с верхним обогревом достигает 15ºС…»
Следующее…
Ввиду того, что горячие газы, расширяясь, заполняют полностью весь доступный им объем любой формы, поэтому в бесканальных печах колпак может иметь любую форму и (при соблюдении определенных условий) размер. При этом в любом горизонтальном сечении колпака температура будет одинаковой по всей площади сечения.
Поскольку перенос тепловой энергии печных газов и теплопередача в любом вертикальном сечении колпаковой печи осуществляются за счет естественных сил природы, поэтому движение газов во всех колпаках многоярусных бесканальных печей носит идентичный характер.
Подобных процессов движения газов и теплопередачи в печах с другими конвективными системами добиться нельзя.
Так в печах системы ПДГ движение газов возможно только под действием тяги трубы. При этом газы протаскиваются по вертикальным или горизонтальным каналам печи, постепенно отдают им свое тепло и выходят в трубу. При этом в данных печах нет возможности разделения газов, обладающих разной температурой, и организации для них индивидуальных маршрутов движения.
В печах системы ПДГ все продукты сгорания топлива проходят через топочную камеру и каналы конвективной системы, смешиваясь в единый поток. То есть, движение кислорода воздуха (окислителя) и горючих газов идет в попутном направлении .
По мере продвижения газового потока по конвективной системе печи концентрация балластных компонентов в нем увеличивается. В конечной зоне факела горения уменьшается концентрация топлива и окислителя. Исходные вещества разъединяются большим количеством продуктов сгорания. Возможность быстрого контактирования реагирующих молекул (СО, Н2) значительно затрудняется. Это уменьшает температуру потока и его полезную теплоотдачу. При этом возникает насущная потребность в его перемешивании.
Чтобы уменьшить влияние этого фактора и повысить количество извлекаемой из топлива энергии необходимо каким-либо образом уменьшить количество балластных газов и уменьшить их влияние на теплообмен.
Количество балластных газов уменьшают за счет сжигания более сухого топлива, а так же улучшения смесеобразования (уменьшая избыток подаваемого в топку воздуха и не допуская неполного его сгорания).
Однако достичь оптимального сжигания топлива в печах системы ПДГ не удается. В любом случае в топке присутствует излишний воздух, азот и водяные пары топлива, которые уменьшают температуру потока и ухудшают условия сгорания топлива.
Энергия, содержащаяся в топливе, не выделяется полностью в связи с уменьшением температуры горения в потоке. А выделившееся тепло используется не полностью, так как расходуется на нагревание балластных газов.
Из имеющей место быть ситуации напрашивается вывод, что для повышения изъятия энергии из топлива необходимо уменьшить влияние балластных газов на топочный процесс и повысить температуру горения.
Следующее…
В данных печах, в отличие от колпаковых, теплообменник может быть размещен только в топке, что является крайне не желательным. При размещении теплообменника в топке условия сгорания топлива входят в противоречие с условиями теплообмена. Теплообменник, аккумулируя в себе тепло печных газов, понижает температуру продуктов горения и препятствует полноте их сгорания. Тем самым он ухудшает условия сгорания топлива и снижает количество извлекаемой из топлива энергии.
Попытка размещения теплообменника в один из каналов конвективной системы ПДГ не спасает ситуацию. Размещение теплообменника в печном канале влечет за собой увеличение поперечного сечения канала. Плотность (энергия) газового потока распределяется по большей площади, а это в свою очередь приводит к уменьшению температуры в потоке и, как следствие, к снижению эффективности передачи тепла теплообменнику.
Печи с ПДГ имеют неравномерный нагрев в различных местах, тем самым более склонны к трещинообразованию в отличие от колпаковых печей.
Развивая идею «Свободного Движения Газов» и досконально изучив работу печи И.С.Подгородникова «Двухэтажный колпак» И.В.Кузнецов пришел к заключению, что сжигая топливо в колпаке без топки, нельзя добиться хороших условий сгорания топлива: высокой температуры, оптимального обеспечения реакции горения воздухом, его (воздуха) перемешивания и предварительного нагрева. И, далее, И.В.Кузнецов делает вывод о том, что топливо необходимо сжигать в ограниченном объеме, где можно выдержать указанные требования.
И здесь мы перейдем к более пристальному рассмотрению конструктивных особенностей печей И.В.Кузнецова, делающие их такими привлекательными среди кирпичных печей других конструкций.
Но это уже состоится при следующей нашей встрече на страницах этого блога.
Пока!
