Механизмы теплосъёма в печах

Тепло, выделившееся в результате химической реакции горения дров, разделяется в печи на две части: на «полезное» тепло, идущее на нагрев помещения (стен, потолка, пола, воздуха, людей, самой печи и т. п.), и на тепло, безвозвратно и «бесполезно» выброшенное из дымовой трубы в атмосферу. Слово «бесполезно» поставлено в кавычки из-за того, что наряду с действительной невозможностью использования тепла дыма, выброшенного в атмосферу, для нагрева помещения, тем не менее, тепло дыма было полезно и необходимо, поскольку именно это тепло создавало тягу в трубе для подачи воздуха в печь. Бывает так, что «тепловая» цена за тягу оказывается несуразно высокой, и дачник пытается снизить эту цену. При этом у дачника фактически только два пути: снижать температуру выбрасываемых дымовых газов или снижать массовый расход дымовых газов (при одной и той же скорости горения дров). Исторически на этапе перехода от открытых очагов через камины к печам снижался массовый расход дымовых газов (или, что одно и то же, расход подаваемого воздуха). На этапе перехода к многооборотным печам снижалась температура выбрасываемых дымовых газов. Сейчас, на этапе перехода к герметичным металлическим печам, стремятся ещё больше снизить массовый расход дымовых газов.

Доля теплотворной способности дров, «полезно» выделенная (использованная) в виде тепла в печи, называется коэффициентом полезного действия печи (КПД). Для дровяных печей практический интерес представляет величина КПД за весь период работы печи, например, КПД в расчёте на всю зиму. В быту такую оценку КПД производят сельские жители по фактическому расходу дров. Говорят, например, мол, прежняя печь сжигала «так мало дров, а новая вон сколько». В технике оценку КПД производят также по фактическим тепловыделениям и фактическому расходу дров по ГОСТ 9817-95 за один час устоявшегося режима горения печи или по ГОСТ 2127-47 и ГОСТ 3000-45 за одну единичную протопку или за межпротопочный период, например, за одни сутки. Кроме того, сейчас КПД дифференцируют по отдельным целевым назначениям нагрева, например, КПД по нагреву воды, КПД по варочной плоскости, КПД по каменке, КПД по нагреву воздуха и т. п. Дифференцированные значения КПД особенно ценны и информативны именно в случае банных печей, причём само понятие «полезности» действия в банных печах может отличаться от «полезности» в бытовых отопительных печах. Это обусловлено тем, что сам по себе нагрев печи (тем более внутренних зон) не тождественен полезному результату — нагреву помещения (ГОСТ 3000-45). Так, в частности, тепло от нагретых до 40°С участков внешней стороны кирпичной печи, «полезное» для отопления жилого помещения, абсолютно «бесполезно» для высокотемпературной сауны: более того, такие участки печи лишь захолаживают воздух. Иногда пользуются некорректным понятием «КПД топливника» (ГОСТ 2127-47), понимая под этим полноту сгорания топлива в печи, никак не связанную с процессами теплоотдачи ни в сам топливник, ни в печь в целом.

Ещё больше тонкостей придётся учитывать при анализе временного хода изменения КПД в ходе протопки. Такой «минутный» или даже «секундный» КПД (то есть КПД, усреднённый по короткому промежутку времени, например, за минуту или секунду, а фактически равный мгновенному значению величины) будет сложным образом изменяться во времени. Причём совершенно ясно, что в идеальном оптимальном режиме КПД кирпичной печи в период растопки печи должен быть как можно ниже, поскольку всё тепло в начале растопки должно идти на разогрев дымовой трубы и на создание тяги. В реальности же КПД в начале протолки максимален и только потом сокращается во времени, поскольку внутренности печи (топливника и дымооборотов) разогреваются, и дымовые газы начинают выходить из трубы более горячими. А вот в водогрейных котлах внутренние стенки существенно не нагреваются и остаются относительно холодными с постоянной во времени температурой. Только знание КПД именно на том или ином этапе протопки может дать правильный путь к оптимизации печи. А банная печь, как мы уже отмечали, фактически не имеет устоявшегося режима - сначала она всё время разгорается, а потом она долго тухнет. И время горения металлической печи в большинстве случаев не превышает одного-двух часов.

Тепло от продуктов сгорания отбирается теплосъёмными элементами (в том числе стенками топливника и дымоходов) за счёт кондуктивно-конвективного теплообмена и за счёт лучистого, причём соотношение вкладов этих каналов теплопередачи во время горения разовой закладки дров меняется. При растопке любой печи вначале преобладает кондуктивно-конвективный механизм теплопередачи, роль которого постепенно по мере прогрева печи снижается в пользу лучистого.

Кондуктивный поток тепла определяется разностью температуры дымовых газов Т и температуры стенки теплосъёмного элемента Тт и составляет α(Т-Тт), где α = 10 Вт/м²•град — коэффициент кондуктивной теплопередачи (в реальности колеблется в пределах (7-12) Вт/м²•град, в зависимости от ориентации поверхности). Если дымовые газы движутся со скоростями до V=4 м/сек, то коэффициент кондуктивно-конвективной теплопередачи (суммарный кондуктивный и конвективный) может локально возрастать до α=10+6 V, где V в м/сек .

В металлических водогрейных котлах водоохлаждаемые стенки не нагреваются выше 100-150°С, вследствие чего локальные значения кондуктивно-конвективных тепловых потоков от дымовых газов с температурой 700-900°С на стенки котла достигают 30 кВт/м². В кирпичных печах стенки топливника постепенно нагреваются вслед за разгоранием дров вплоть до 600-1000°С, вследствие чего локальное значение кондуктивно-конвективных тепловых потоков постепенно снижается с 30 кВт/м² до 5 кВт/м². Дымовые газы, не способные охладиться в топливнике, выносят своё тепло в дымообороты.

Кондуктивно-конвективный теплообмен среде печников традиционно (и безосновательно) считается основным (преобладающим) в топках, вследствие чего удлинение дымооборотов с увеличением их поверхности часто рассматривается как наиболее эффективное средство повышения КПД печей, по крайней мере, кирпичных (рис. 108). Даже в области металлических бытовых отопительных печей очень часто ошибочно полагают, что известные способы, интенсификации конвективного теплообмена (турбулизацией газа или повышением площади внутренних стенок топливника) могут существенно повысить теплоотдачу печи.

Рис. 108. Принципиальная схема бытовой отопительной печи с горизонтальными дымооборотами
Рис. 108. Принципиальная схема бытовой отопительной печи с горизонтальными дымооборотами. 1 — поток воздуха через решётку и горячие угли, 2 — поток воздуха через оголённый участок решётки для сжигания летучих (вторичный воздух), 3 — кирпичная кладка печи, 4 — циркуляционные траектории дымовых газов, 5 — вытяжная траектория дымовых газов, 6 — циркуляционные траектории дымовых газов в дымооборотах, 7 —  нисходящий поток воздуха в дымовой трубе, 8 — возможный выход циркуляционного потока дымовых газов в открытую дверку топливника, вызывающий дымление печи в помещение, 9 — дверки для прочистки, 10 — возможные месторасположения растопочных задвижек (летних дымоходов).

На самом деле, языки пламени, касаясь стенок топливника, передают тепло в стенки не только контактным кондуктивно-конвективным способом, но и за счёт лучистого тепла. Лучистые потоки тепла в топках достигают уровня 40-100 кВт/м². Их появление и перераспределение имеют в печах свои особенности.

Во-первых, горячие дымовые газы способны нагревать различные поверхности (жаровни), и уже те в свою очередь начинают излучать до 100 кВт/м² при температуре 1000°С. Ясно, например, что газ на оси дымового канала не может отдавать своё тепло стенкам канала кондуктивно-конвективной теплопередачей, но если на оси дымового канала поместить металлическую пластинку, то она будет нагреваться и излучать тепло на стенки канала (рис. 109,а). Дымовые газы на оси при этом охлаждаются. Или, например, можно утеплить потолок дымового колпака (перекрыши) так, чтобы дымовые газы не нагревали кирпичную кладку верха печи, а нагревали бы только поверхность колпака, которая в свою очередь, разогревшись, направит тепло своего излучения в нижние зоны колпака (вниз на нижние слои кладки печи), что более полезно для нагрева воздуха в помещении (рис. 109,б). Даже внутренние стенки дымооборотов можно рассматривать как жаровни, нагревающиеся дымовыми газами и излучающие тепло на внешние стенки дымооборотов (рис. 109,в). Эффективность жаровен возрастает с увеличением их площади. Отметим, в частности, что широкоизвестные винтовые завихрители (в виде стальных продольных пластин, скрученных в винт и плотно вставленных в цилиндрические жаровые трубы) газовых котлов, работают больше как излучающие элементы (жаровни), нежели как просто завихрители воздуха, якобы существенно повышающие конвективную составляющую теплообмена за счёт турбулизации потоков дымовых газов.

Рис. 109. Жаровые элементы в дымоходах (газоходах, дымооборотах, дымовых трубах), нагревающиеся в потоке горячих газов (отбирая от них тепло и охлаждая их) и излучающих лучистое тепло на стенки каналов дымоходов
Рис. 109. Жаровые элементы в дымоходах (газоходах, дымооборотах, дымовых трубах), нагревающиеся в потоке горячих газов (отбирая от них тепло и охлаждая их) и излучающих лучистое тепло на стенки каналов дымоходов: а — безоборотный дымоход (канал), б — бесканальный колпаковый дымоход, в — многооборотный дымоход, г — температурная зависимость степени черноты εcо² газового слоя углекислого газа, д — температурная зависимость степени черноты εн₂o газового слоя водяного пара (цифры при кривых на рис. «г» и «д» соответствуют произведениям р(СО₂)х l и р(Н₂О)х l, где р(СО₂) и р(Н₂О) — парциальные давления углекислого газа и водяных паров в кПа (l атм=100 кПа), l —толщина слоя в метрах), е — спектры поглощения СО₂ и Н₂О (штриховые зоны), излучения Солнца и абсолютно чёрных тел (а. ч. т.). 1 — стенки каналов дымоходов (кирпичные, керамические, металлические), 2 — металлический жаровой элемент, расположенный в дымовом канале (пластина, в том числе вытянутая, свёрнутая в трубу, согнутая волной, скрученная винтом-спиралью и т. п., цепи, тросы, проволоки продольные), 3 — направление движения дымовых газов, 4 — направление лучистых потоков с жаровых элементов, 5 — жаровой элемент в виде утеплённого верха (потолка) колпака в дымоходе, 6 — рассечки-стенки дымооборотов (кирпичные, стальные), выполняющие роль жаровых элементов, 7 — зона «перевала» - разворота газов сверху вниз, 8 — зона «подвёртки» — разворота газов снизу вверх.

Во-вторых, любой даже абсолютно не задымлённый газ излучает (а также и поглощает) свет в виде отдельных спектральных линий, отвечающих квантовым переходам атомов и молекул. Спектральные линии молекул сгруппированы в ансамбли (полосы), поскольку любой электронный уровень молекулы (в отличие от электронных уровней атомов) расщеплен на многочисленные колебательные, вращательные и деформационные подуровни. Молекулы азота и кислорода в спектральной области (0,5-25) мкм практически не излучают и не поглощают. Поэтому воздух и дымовые газы излучают и поглощают только из-за наличия трёхатомных молекул углекислого газа (0,03% об. в свежем воздухе, до 1% об. в банях, до 20% об. в дымовых газах) и водяных паров (1% об. в свежем воздухе до 10% об. в банях, до 50% об. в дымовых газах). В тонких слоях интенсивность излучения (и степень поглощения) газа растёт линейно с увеличением толщины слоя l и с повышением парциального давления (объёмного содержания) примесей углекислого газа р(СO₂) и водяных паров р(Н₂O), то есть с увеличением произведения pxl. При этом спектральные линии, сохраняя свою форму, лишь растут по амплитуде. С ростом толщины слоя интенсивность излучения в центрах спектральных линий может достичь интенсивности излучения абсолютно чёрного тела при той же длине волны излучения и при той же температуре газа. При этом центр спектральных линий уже не могут далее возрастать по своей амплитуде и с увеличением толщины слоя и остаются на постоянном уровне излучения (насыщаются). Но интенсивность излучения в крыльях спектральных линий продолжает расти с увеличением толщины слоя газа. В результате интенсивность линейчатого излучения в тонких слоях пропорционально рхl, а в толстых слоях пропорционально (рхl)¹/². Интенсивность же сплошного (по спектру) излучения (серого) растёт экспоненциально [l-ехр(-рхl)].

Напомним, что пары воды имеют полосы поглощения (1,5-1,75) мкм, (2,5-3,0) мкм, (4,8-8,0) мкм, (8,0-9,5) мкм и (12,5-25,0) мкм, а углекислый газ (2,4-3,0) мкм, (4,0-4,8) мкм и (12,5-16,5) мкм. При сжигании каменного угля и нефти возможно появление полос поглощения двуокиси серы SO₂ (3,8-4,0) мкм, (4,1-4,6) мкм, (6,9-9,5) мкм и (15,8-23,2) мкм. Так, например, наличием в атмосфере Земли углекислого газа объясняют парниковый эффект атмосферы. Излучение Солнца, достигающее Земли с интенсивностью 1,4 кВт/м², имеет спектральный максимум в видимой области спектра на сине-зелёных длинах волн 0,4-0,5 мкм, где газовая составляющая атмосферы прозрачна (но может поглощать пыль в атмосфере). Поэтому излучение Солнца достигает поверхности Земли и нагревает её. В свою очередь нагретая поверхность Земли излучает тепло в космос. Ввиду низкой средней температуры поверхности Земли 30°С, максимум теплового излучения приходится на длину волны 10 мкм. Такое излучение с мощностью порядка 0,5 кВт/м² (в предположении «а.ч.т.» — абсолютно чёрного тела) может частично поглощаться водяными парами и углекислым газом, содержащимися в атмосфере, и в космос не удаляться, а нагревать атмосферу (см. рис. 109,е). Чем больше в атмосфере углекислого газа, тем выше температура атмосферы. Так, например, подсчитано, что при увеличении объёмного содержания углекислого газа СО₂ в атмосфере с обычного уровня (0,03-0,04)% об. вдвое до 0,08% об. средняя температура земной поверхности повысилась бы на 4 градуса, что привело бы к катастрофическому климатическому эффекту — усиленному таянию льдов и повышению уровня мирового океана.

Таблица 18. Расчётный состав дымовых газов при давлении 1 атм (0,1 МПа) (парциальные давления компонентов в кПа, то есть объёмные доли компонентов в процентах)

Топливо α CO₂ H₂O N₂ O₂
Дрова сухие w=0 1 17 14 69 0
Дрова сухие w=0 3 6 5 76 13
Дрова сырые w=200% 1 11 43 46 0
Дрова сырые w=200% 3 5 20 64 11
Углерод (угли) 1 21 0 79 0
Метан СН4 1 9 18 73 0
Октан C8H18 1 12 13 75 0
Бензол С6Н6 1 15 8 77 0
Дизельное топливо (условный стандарт дымовых газов) 1 13 11 76 0

Примечание. Снижение концентрации СО² до 4% по ГОСТ 9817-95 или до 3% по НПБ 252-98 считается завершением горения.

Значения степеней черноты с слоев газа, содержащих водяные пары или углекислый газ, приведены на рис. 109г и д. Цифрами у кривых указаны произведения рхl, где р — парциальные давления водяных паров и углекислого газа в кПа (см. табл. 18), а l — толщина слоя (средняя) в метрах (А.Л. Бергауз и др., Справочник конструктора печей прокатного производства, под ред. В.М. Тымчака, т. 1 и 2, М.: Металлургия, 1970 г.). Степени черноты слоев газа определяются из соотношения εσТ⁴= fкλвλdλ, где σ — постоянная Стефана-Больцмана, Т — абсолютная температура, кλ — коэффициент поглощения слоя газа на длине волны λ (в профиле спектральных линий), вλ — спектральная мощность излучения абсолютно чёрного тела (кривая Планка). Таким образом, слои прозрачных дымовых газов толщиной 0,5 м имеют степени черноты 0,1-0,2 и способны излучать тепло с мощностью до 20 кВт/м² при температуре 1000°С.

В-третьих, дымовые газы обычно оказываются задымлёнными, то есть содержат раскалённые частицы сажи, имеющие температуру, равную температуре дымовых газов. Степени черноты дымового пламени бывают разными, иногда приближаясь даже к единице, так что мощности излучения факелов при 1000°С могут достигать 100 кВт/м². Отметим, что теплопередача от факела, заполняющего весь топливник или дымоход (при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице), определяется площадью внутренней поверхности топливника точно так же, как и кондуктивно-конвективная теплопередача. Поэтому в развитом факельном режиме увеличение площади внутренней поверхности топливника (или иных теплосъёмных элементов) путём гофрирования (изломанности) даёт увеличение теплосъёма с дымовых газов.

В-четвёртых, очень большой вклад в тепловой баланс топливника даёт излучение раскалённых углей, особенно на завершающем этапе топки, когда на решётке остаются только древесные угли, сгорающие беспламенным образом. Если вся решётка завалена углями, то проскок кислорода через угли маловероятен, коэффициент избытка воздуха близок к единице, дымовые газы и горящие угли должны иметь высокую температуру. Однако, температура продуктов сгорания Т вовсе не равна 2000°С. Дело в том, что теплота сгорания углей преобразуется не только в теплосодержание раскалённых дымовых газов, но и в тепловое излучение углей qy = QyGy = Sy•σT⁴ + (1 + 11,5)Cp•Gy•ΔT, где Qу = 8100 ккал/кг — теплота сгорания углерода (углей), Gy (кг/сек) — скорость сгорания углей, Sy — площадь слоя углей, Ср = 0,32 ккал/кг•град — средняя теплоёмкость дымовых газов, величина 11,5 в скобках является стехиометрическим коэффициентом углерода по воздуху (для сжигания 1 кг углерода требуется 11,5 кг воздуха). Так, в соответствии с расчётом по указанному соотношению при площади слоя углей 20x20 см при скорости сгорания углей 1,2 кг/час (мощность горения 11,3 кВт) слой углей имеет температуру 900°С и излучает 4,7 кВт лучистого тепла, а при скорости сгорания углей 4,7 кг/час (мощности горения 44 кВт) слой углей имеет температуру 1200°С и излучает 11,5 кВт лучистого тепла. Таким образом, при увеличении расхода воздуха мощность излучения слоя углей на решётке постоянной площади растёт количественно, но относительная доля излучения в тепловом балансе топливника снижается. Аналогично, при уменьшении площади слоя угля при неизменном расходе воздуха температура слоя растёт, но доля излучения падает. Поэтому, если дачник хочет, чтобы его металлическая печь выдала всё тепло от горения углей в стенки топливника (причём в виде излучения), то надо делать решётку побольше и угли распределять на большую площадь, а скорость подачи воздуха сделать минимально необходимой. Такой режим очень выгоден для поддержания тепла в бане после протопки. Если же угли быстро выжечь большим потоком воздуха, как часто рекомендуется в литературе, то всё тепло вылетит в трубу, и при отсутствии дымооборотов безвозвратно потеряется без пользы для бани.

Вообще говоря, лучистый теплообмен играет большую роль (нежели кондуктивно-конвективный) при малой разнице температур дымовых газов и стенок теплосъёмных элементов, поскольку (Т⁴-Тт⁴) более чувствительно к температуре, нежели (Т-Тт). А чем выше Тт тем более эффективна печь для нагрева воздуха. Поэтому попытки анализа и конструкторских расчётов топливников и дымооборотов банных печей без учёта вклада лучистого теплопереноса могут приводить к существенной погрешности. Также и стремление придать топливникам какую-либо хитрую специальную форму с множеством изломов для увеличения площади контакта дымовых газов с корпусом часто не приводит к ожидаемому повышению теплоотдачи, поскольку лучистая теплоотдача вообще не зависит от формы топливника, а конвективная теплоотдача при горячих стенках (и кирпичных, и металлических) весьма мала. Фигурность топливника оправдана в случае строго холодных (менее 100°С) стенок водогрейных котлов и змеевиков, где добиваются теплосъёма конвекцией на уровне 0,5 от теплоты сгорания дров, а радиацией до 0,4 (общий коэффициент полезного действия достигает 0,9). В отопительных металлических печах теплосъём конвекцией не превышает 0,2, а радиацией до 0,4 (общий коэффициент полезного действия до 0,6); наибольший КПД достигается при минимально возможных скоростях подачи воздуха. Поэтому и режимы длительного горения в условиях тления дров при малых скоростях подачи воздуха также имеют весьма высокие коэффициенты полезного действия — в металлических печах не ниже 0,6.

В заключение вспомним принципы некогда общепринятого расчёта отопительных печей, который рассматривает процесс горения дров в печах крайне усреднённо (в предположении сгорания углей и летучих одновременно) и не углубляется в детали вышерассмотренных особенностей процесса горения (ГОСТ 2127-47 «Печи отопительные теплоёмкие. Нормы проектирования», отменённый с 01.01.76 без замены). Тепловой расчёт кирпичного топливника выполняется для «основного периода интенсивного горения топлива» без учёта излучения для разовой закладки дров исходя из неких «нормативных» показателей (закладываемых в расчёт догматически) в следующей последовательности:

— исходя из требуемой теплоотдачи печи по нормируемой продолжительности топки m=1-2 часа, срока остывания (времени теплоотдачи) печи, нормируемому коэффициенту полезного действия КПД = 0,7 и нормируемой теплоте сгорания дров определяют необходимый расход дров (топлива) за время одной топки G;

— исходя из расчётного значения G рассчитывают площадь пода топливника Sт по плотности дров ρ и нормируемой толщине слоя топлива hсл по формуле Sт =G/ρ hсл;

— исходя из расчётного значения G рассчитывают площадь колосниковой решётки по формуле Sр = G /mВр, где В — нормируемое значение допустимого удельного напряжения колосниковой решётки, установленное, видимо, опытным путём без учёта аэродинамического сопротивления закладки дров и слоя углей;

— рассчитывают высоту топливника по нормируемому значению удельного теплового напряжения объёма топливника Qт/Vт (где Qт — мощность, идущая на стенки топливника, то есть мощность сгорания дров, умноженная на КПД, Vт — объём топливника);

— рассчитывают площадь поддувального отверстия исходя из нормируемого практически необходимого расхода воздуха и нормируемой скорости движения воздуха в живом (проходном) сечении поддувального отверстия, принимаемой равной (1-2) м/сек. Некогда нормирвавшиеся по ГОСТ 2127-47 параметры топливников приведены в таблице 19.

Таблица 19. Нормативные показатели для расчёта топливников отопительных печей (А.Н. Сканави, Отопление, М.:АСВ, 2002 г.)

Вид топлива  Дрова влажностью 25%
Теплота сгорания 12600 кдж/кг (3000 ккал/кг)
Плотность топлива 400 кг/м³
Температура горения 1000°С
Удельное напряжение колосниковой решётки 250 кг/час•м²
Объём воздуха, практически необходимый для сжигания 1 кг топлива 10 м³/кг
Наименьшая высота над слоем топлива 0,25-0,45 м
Удельное тепловое напряжение объёма топливника Qт/Vт 405 кВт/м³
   

Обращаем внимание, что объём воздуха, заложенный на сгорание дров, вдвое превышает стехиометрический уровень. Это значит, что кирпичные печи рассчитывают на коэффициент избытка воздуха на уровне α=2, и расчётная высота топливника должна соответствовать высоте пламени в этом режиме. Для режимов с меньшим а (с высокими пламенами) нормативную величину Qт/Vт следует, видимо, существенно снижать. Тем не менее, описанный стандартный расчёт позволяет хотя бы приблизительно сориентироваться по конструкторским параметрам. Для сведения приведём также некогда нормировавшиеся параметры для расчёта газоходов (дымоходов) отопительных печей.

Таблица 20. Показатели для расчёта газоходов отопительных печей (А.Н. Сканави, Отопление, М.: ABC, 2002 г.)

Вид топлива Дрова влажностью 25%
Топливник температура 1000 °C
тепловая нагрузка на стенки 7 кВт/м²
Первый газоход температура 700 °C
тепловая нагрузка на стенки 5,2 кВт/м²
скорость движения газов 1,5-4,0 м/сек
Второй газоход температура 500 °C
тепловая нагрузка на стенки 2,7 кВт/м²
скорость движения газов 1,5-2,0 м/сек
Третий газоход температура 160 °C
тепловая нагрузка на стенки 2,7 кВт/м²
скорость движения газов 1,5-2,0 м/сек
Дымовая труба температура 130 °C
скорость движения газов менее 2 м/сек

Принятые в таблице 20 (ГОСТ 2127-47) скорости движения газов в дымовых каналах намного превышают установленные и, видимо, ошибочные противопожарные нормы 0,15-0,60 м/сек (НПБ 252-98), отвечающие ламинарному течению. Обращаем также внимание на крайне низкие значения принятых тепловых нагрузок, явно отвечающие чисто конвективной теплопередаче. Так, при температуре топливника 1000°С лучистые тепловые потоки при заполнении всего объема топливника пламенем составили бы на стенке не менее 20 кВт/м². Это подтверждает, что принятая в стандартном расчёте концепция отвечает низкопламенному горению в условиях больших избытков воздуха.

В заключение отметим, что оптимальная температура внешних сторон стенок печи 70°С (отвечающая паспортной теплоотдаче 0,5 кВт/м² ) соответствует температуре внутренних сторон стенок кирпичной печи (толщиной в полкирпича) всего 170-200°С (что следует из уравнения теплопроводности для полностью прогретой стенки). Это зачастую обескураживает дачника. Ведь топят печь, казалось бы, до куда более высоких температур внутри, по крайней мере, в топливнике. А дело в том, что за время топки внутренняя сторона стенки успевает прогреваться изнутри (от огня) на глубину всего 5-7 см (но до высокой температуры 500-700°С). И только через час после топки тепло изнутри «выбирается по кирпичу наружу», и за это время внутренняя сторона стенки постепенно охлаждается до 200°С. Численные оценки по уравнению нестационарной теплопроводности подсказывают, что кирпичную стенку печи («скорлупу», зачастую декоративную) вопреки многовековой практике не целесообразно использовать в качестве теплонакопительной. Специальный высокотеплоемкий теплонакопительный сердечник (ядро с дымовыми каналами внутри) лучше изготавливать отдельным узлом из высокотеплопроводного материала и облицовывать его внешней декоративной кладкой (или штукатуркой) с зазором. Такая новая технология изготовления дровяных отопительных печей уже используется в США и в Финляндии, в России освоена в ООО «Ками» (С.И.Серегин). При использовании новых материалов такая технология за счет высокой теплоемкости ядра позволит обеспечить практически неизменный уровень теплоотдачи печей в межпротопочный период, отказаться от сложных в изготовлении многооборотных схем теплосъема, а также перейти к комплектации печей крупными узлами заводского изготовления.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)