Элементарные основы устройства отопительных печей

Размещение печей в помещениях

Санитарными нормами установлена определенная температура, которую следует поддерживать в помещениях различного назначения в холодное время года. Для жилых помещений, например, эта норма равна 18 °С, для детских садов и яслей 20 °С, для производственных помещений 15 °С. Отопительные печи служат для создания и поддержания одинаковой температуры в течение длительного времени. В результате сгорания топлива печь разогревается до температуры, в несколько раз превышающей температуру воздуха в помещении. Вокруг горячих наружных стенок печи происходит теплообмен, вызывающий циркуляцию воздуха, в результате которого происходит постепенное выравнивание температуры в помещении. У стен здания температура всегда несколько ниже средней. В печах с более сильным нижним прогревом эта разница менее заметна, чем в печах с преимущественным верхним прогревом. Циркуляция воздуха прекращается, когда выравнивается температура печи и комнатного воздуха.

Наилучшее место установки печи — возле наружной стены, однако, учитывая конкретные местные условия, печи приходится размещать по-разному. В однокомнатных квартирах (комната и кухня) ставят главным образом отопительно-варочные печи. Располагают их так, чтобы печь жарочной плитой выходила в кухню, а теплоотдающая поверхность— в жилую комнату. В каменных зданиях дымоходы чаще всего располагают во внутренних капитальных стенах, поэтому печи размещают у этих стен.

В многокомнатных квартирах и учрежденческих помещениях одна отопительная печь, как правило, служит для отопления двухтрех комнат. Размещают их так, чтобы площадь теплоотдающей поверхности, выходящей в ту или другую комнату, была пропорциональна размерам комнаты. При этом следует учитывать, что у некоторых конструкций печей разные стенки нагреваются в разной степени. Топку печей в многокомнатных квартирах осуществляют со стороны коридора или кухни. С этой целью печь располагают так, чтобы фасад печи не выходил в жилые помещения.

При необходимости Применения печного отопления в больших производственных помещениях печи лучше всего размещать в простенках наружных стен, но так, чтобы они не заслоняли окна. Во всех случаях печи должны не загромождать помещения, а вписываться в общую обстановку, дополнять ее.

Требования к отопительным печам

К отопительным печам предъявляют определенные требования. Они должны:

  • быть экономичными т. е. хорошо обогревать помещение при малых затратах топлива;
  • равномерно прогреваться по всей поверхности, без перекала;
  • быть простыми по устройству и удобными в эксплуатации;
  • быть теплоемкими т. е. накапливать во время топки достаточно тепла для обогрева помещения в течение продолжительного времени;
  • быть безопасными в пожарном отношении; быть малогабаритными и иметь хороший внешний вид;
  • не иметь трещин, пропускающих дымовые газы; быть прочными и долговечными.

Тепловые процессы внутри печи

В состав топлива входят углерод, водород, кислород и минеральные добавки. Кроме того, в топливе содержится вода в свободном состоянии. Даже сухие дрова содержат в себе 8—10 % воды (по массе). При горении углерод и водород соединяются с кислородом воздуха. Реакция происходит с выделением тепла. В результате горения образуются газообразные и твердые продукты. Газообразные продукты горения — углекислый газ и водяной пар вместе с азотом воздуха (который не принимает участия в горении), пройдя по внутреннему устройству печи, уносятся в атмосферу. Твердые продукты — зола — выпадают в зольник через прозоры колосниковой решетки. Мельчайшие частицы золы, так называемые уносные частицы, проникают во внутренние каналы и постепенно засоряют их.

В бытовых печах нельзя достичь полного сгорания топлива. Попутно с углекислым газом С02 образуется окись углерода СО, или, как ее обычно называют, угарный газ. Угарный газ ядовит, и вдыхание его человеком приводит к отравлению организма, а порой и к смерти. При неполном сгорании мельчайшие частицы углерода уносятся вместе с газами в атмосферу, образуя дым, и частично оседают на внутренних поверхностях дымоходов в виде сажи. Естественно, что при неполном сгорании топлива тепла выделяется меньше, чем при полном. Для того, чтобы в топливнике происходило сгорание топлива, близкое к полному, необходимо обеспечить достаточный приток воздуха в топливник и своевременное удаление из него газообразных продуктов горения. Первое условие удовлетворяется за счет установки колосниковой решетки соответствующих размеров, второе — за счет устройства дымовой трубы достаточной высоты.

При сгорании одного и того же количества топлива разных видов выделяется различное количество тепла. Для того чтобы можно было сравнивать это качество топлива, принято понятие о теплоте сгорания топлива. Теплотой сгорания топлива называют количество тепла, выраженное в кДж (килоджоулях), выделяемое при полном сгорании 1 кг данного вида топлива. Обычно имеют в виду так называемую низшую рабочую теплоту сгорания топлива, определяемую путем калорепетрирования без учета теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Низшая рабочая теплота сгорания относится к топливу, взятому в естественном состоянии, т. е. не подвергнутому сушке или обогащению.

Теплота сгорания некоторых видов твердого и жидкого топлива характеризуется следующими величинами, кДж/кг;

Материал Значение, кДж/кг
Дрова сухие 14000
Дрова влажные 11000
Антрацит 21000
Бурый уголь 10500
Торф 13000—16000
Дизельное топливо 42000
Мазут 38000

Теплоту сгорания газообразного топлива относят к единице объема. т. е. выражают в кДж/м3. Так, теплота сгорания природного газа составляет 36 000 кДж/м3, а сжиженного газа (пропан-бутан) 75 000 кДж/кг. Влажность и зольность топлива, являющиеся его естественным негорючим балластом, понижают теплоту сгорания топлива. Поэтому для рационального использования топлива большое значение имеет его подготовка (подсушка) и правильное хранение. Тепло, полученное при сгорании топлива, идет на разогрев массива печи, а часть уходит в атмосферу с отходящими газами. Накопленное тепло печь отдает в помещение. Свойство печи запасать тепло во время топки и постепенно отдавать его в течение длительного времени называется аккумулирующей способностью печи.

Тепло, поступающее от стенок печи в помещение за единицу времени, называется теплоотдачей печи. Она зависит от количества сожженного за то же время топлива, от размеров внутренней тепловоспринимающей поверхности, толщины стенок печи и других факторов. Теплоотдачу измеряют в единицах мощности, т. е. в Вт или кВт (1 Вт=1 Дж/с). Выделение тепла может идти быстрее или медленнее в зависимости от теплопроводности материалов, из которых сооружена печь. Теплопроводностью называется способность материала передавать через свою толщу тепло. Показателем теплопроводности является коэффициент, которым определяется количество тепла, проходящего через стену из данного материала площадью в 1 м2 и толщиной в 1 м за 1 ч при разности температур на двух сравниваемых поверхностях стены, равной 1.

Размерность коэффициента теплопроводности — Вт/ (м*° С). Коэффициент теплопроводности материалов характеризует их свойства в отношении передачи тепла. Некоторые материалы, например металлы, могут быть хорошими проводниками тепла, а другие — кирпич, асбест, войлок и т. п. — хорошими теплоизоляторами. Так, сталь и чугун имеют близкие коэффициенты теплопроводности: 50—58 Вт/(м °С). Бетон на кирпичном щебне имеет коэффициент теплопроводности 1,05 Вт/(м-°С), сухой песок — 0,6 Вт/(м*°С), войлок — 0,06 Вт/(м*°С).

На аккумулирующую способность печи в значительной мере влияет теплоемкость материалов, т. е. свойство материала поглощать тепло при нагревании и отдавать его при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость — количество тепла в кДж, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1° [кДж/(кг*°С)]. Ниже приводится удельная теплоемкость материалов, которые используются при сооружении печей, кДж/(кг град);

Компонент Значение
Кирпичная кладка 0,88
Сталь строительная 0,47
Бетон на кирпичном щебне 0,84
Чугунные детали 0,47
Войлок 1,88
Сухой песок 0,84

Показателем, определяющим экономичность печей, является коэффициент полезного действия (КПД). КПД печи определяют отношением количества тепла, отданного печью в помещение, к количеству тепла, полученного при сгорании топлива.

Пример. За сутки в печи сожжено 20 кг сухих дров, а теплоотдача печи составила примерно 130 000 кДж. Теплота сгорания сухих дров — 14 000 кДж/кг. Значит от сжигания 20 кг топлива получено 280 000 кДж. КПД равен отношению 130 000:280 000 = 0,47, или приблизительно 50 %. У современных печей при правильной их эксплуатации КПД достигает 0,85—0,9, тогда как у печей старой конструкции он равен 0.5—0,6.
Высокий коэффициент полезного действия печи достигается путем правильного расчета тепловоспринимающей поверхности дымо-оборотов, высококачественной кладкой, соблюдением правил эксплуатации.

Под высококачественной кладкой подразумевается кладка строго по чертежу с соблюдением технических условий. Следует помнить, что даже небольшая оплошность при кладке приводит порой к серьезным последствиям. Для иллюстрации можно привести такой пример: к печнику обращаются с жалобой на то, что печь даже после продолжительной топки прогревается плохо. При осмотре выясняется, что печь сложена недавно, каналы не засорены, тяга хорошая, но на дне одного из вертикальных каналов в результате небрежности, допущенной при кладке, образовалась сквозная щель, через которую из подполья в печь поступает холодный воздух. Наружный воздух, попадая в печь помимо поддувала1, резко снижает температуру печи.

1 Такой воздух называется паразитарным.
Для горячих газов естественным является движение вверх. Поэтому, двигаясь по горизонтальным каналам, более горячие газы удерживаются под перекрытием канала, прижимаются к нему. Если на их пути встретится преграда в виде порога, расположенного внизу, то это существенно не повлияет на характер движения. Если порог расположен вверху, то горячие газы станут накапливаться перед ним, уровень их в канале понизится до уровня нижней грани порога. Эту особенность движения теплового потока используют в некоторых конструкциях печей для создания тепловых карманов.