Дровяные печи

Дровяные печи

Понятие «печи» в современном русском языке стало не вполне определённым (так же как и понятие «бани»). Так, в древности под печью понимали (в отличие от костра) не просто огонь, а то тепло, которое сохранялось в камне (кирпичах, глине) после прогорания огня. Русская печь грела и пекла не во время горения огня, а после. Печёная еда — это не жаренная на огне или углях и не варёная в кастрюле на кухонной плите, а приготовленная при помощи лучистого тепла от раскалённого свода печи. Фактически можно сказать, что и в чёрной бане люди «пекутся» на «вольном жаре» от раскалённых валунов, стен и потолков.

Устройства для сжигания дров

Простейшим обогревающим устройством является костёр, представляющий собой совокупность двух или более поленьев, греющих друг друга. Костёр является величайшим изобретением человечества. Чёрные (курные) бани — это фактически сочетание костра и воды. Пустоты между поленьями костра практически представляют собой множество микротопок с горящими деревянными «стенками». Скорость горения «стенок» может целенаправленно изменяться подбором размера и порядком укладки поленьев, их шуровкой, увлажнением, продувкой воздуха и т. п. В этом отличие костров от лесных и бытовых пожаров, которые «управляемы» весьма условно (в части тушения). Но, конечно, теория локальных костров лежит в основе теории распространяющихся пожаров. Первичными отличиями костра от полена являются: во-первых, возможность подогрева поленьев (для сушки, воспламенения и горения) другими уже горящими поленьями и во-вторых, возможно затруднённый доступ кислорода к месту горения. Если воздух подавать во все промежутки между поленьями в достаточном количестве, то пламя костра низкое (сосредоточено в закладке дров). Но если воздуха в закладке дров не хватает, то летучие продукты пиролиза вырываются из межполенных промежутков и догорают над костром в виде «столба огня».

Особенности сжигания дров в печи

Теория топочных процессов включает вопросы газодинамики струй и течений, кинетики химических реакций горения, теплообмена с поверхностями топки и каналов (Г.Ф. Кнорре, Топочные процессы, М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959 г.; М.А. Глинков, Основы общей теории печей, М.: Металлургиздат, 1962 г.). Многочисленность факторов делает оптимизацию топок весьма сложной задачей даже для специалистов. Настоящая книга не ставит задач по анализу и систематизации тех миллиардов различных конкретных конструкций печных устройств, которые были разработаны человечеством в ходе эволюции, тем более, что толковому печнику психологически и технически проще придумать сотню новых конструкций, чем довести одну единственную (А.И. Рязанкин, Секреты печного мастерства, М.: Народное творчество , 2004 г.). Мы остановимся только на одном, но самом главном, с нашей точки зрения, моменте: взаимосвязи процесса горения каждого индивидуального полена с процессами работы всей печи в целом.

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.

Внутренняя аэродинамика печей

Часто в быту полагают, что дымовая труба нужна в печи только для того (или прежде всего для того), чтобы выводить из печи дым так, чтобы он не попал в помещение. Но ведь печь — это не устройство для производства дыма, а аппарат для выработки тепла. Так что сам по себе дым в печи — это вторичный и второстепенный фактор-следствие. Главное в печи — это то, что в ней горят дрова. И труба нужна печи в первую очередь для того, чтобы побуждать (создавать) в печи непрерывное течение газов (свежего воздуха, подводящего кислород к зоне горения, и дымовых газов, отводящих из зоны горения продукты сгорания). Причем, продукты сгорания — это самое полезное в печи, поскольку именно они содержат то тепло, ради которого и жгут дрова. Но охлаждённые (после отбора тепла) продукты сгорания (дымовые газы) конечно лучше выводить за пределы бани, минуя помещение, но уже только в целях улучшения санитарно-гигиенической обстановки.

Полости в печах. Гидравлическая модель

Как мы уже убедились, аэродинамика топок отличается от аэродинамики дымовых каналов, причём не только из-за того, что в топке «горит огонь», но и из-за того, что топки являются не каналами (трубами), а полостями (сосудами, объёмными элементами печи). В этом разделе мы начнем рассматривать особенности подобных полостей в печах (то есть существенных расширений дымовых каналов), движения газа в которых порой заранее не может предсказать даже опытный печник. Одно дело, когда дым движется единым потоком по трубе постоянного малого сечения, когда картина одномерная и знакомая всем «по водопроводному шлангу». Но стоит только этот шланг бросить концом в заполненную водой бочку, то сразу станет ясным, что картина потоков в бочке может быть намного более сложной, чем в шланге.Сейчас трудно представить себе, что еще во времена Петра Великого никто в мире не знал, что такое воздух и что такое дым. Только при Екатерине Великой люди «догадались», почему дым поднимается вверх — мол существует некая субстанция «флогистон» (огненная материя с отрицательным! весом), якобы содержащаяся во всех горючих веществах. В 1783 году братья Монгольфье впервые наполнили флогистоном воздушный шар (аэростат), и этот воздушный шар действительно оторвался от земли. И хотя толпы людей видели, как флогистон поднял вверх воздушный шар, тем не менее, впоследствии оказалось, что флогистона в природе не существует вообще.

Полости в печах. Супергидравлическая модель

Ещё при жизни Грум-Гржимайло было доказано, что в реальных печах «свободного движения газов» практически никогда не бывает. Это объясняется тем, что печи состоят не только из полостей (колпаков), но и из дымовых каналов весьма ограниченного проходного сечения. Такие каналы, как правило, «захлёбываются», и движения газов в печах начинают целиком определяться влиянием дымовой трубы. Чтобы популярно пояснить суть реальных явлений и устранить многие недосказанности, «расширим» простейшую гидравлическую модель печей до некой «супергидравлической модели». Как и ранее, для наглядности будем проводить известные аналогии между течениями воды и течениями газов. А именно, будем использовать тот очевидный факт, что легкий горячий газ всплывает в тяжелом холодном газе в принципе точно также (аналогично), как тяжелая вода падает в легком воздухе. Подобная аналогия, конечно же, крайне условна — ясно, например, что вода падает с утоньшением струи (и не увлекая окружающий воздух), а горячий дым от костра поднимается с утолщением струи ( увлекая за собой громадные количества окружающего воздуха). Тем не менее, такая аналогия позволяет прогнозировать принципы движения легких (именно легких!) дымовых газов методом «переворачивания вверх ногами» знакомых всем с детства водных течений.

Беспроточные полости

Все современные печи (даже колпаковые) являются канальными и состоят из двух обязательных элементов: каналов (вертикальных и горизонтальных) и полостей. Подобное разделение условно: полости (сосуды) являются просто более широкими каналами и могут быть отождествлены лишь как места расширений каналов (отверстий) в более широкие каналы (полости). Во всяком случае ясно, что у печи всегда есть топливник (полость) и дымовая труба (канал). Полости бывают беспроточными (тупиковыми) и проточными (транзитными), могут располагаться вверх, вниз и вбок от каналов. Разделение полостей на проточные и беспроточные тоже весьма условно, поскольку увеличение скорости ввода газа (дыма) может превратить беспроточную полость в проточную и наоборот. Кроме того, проточные полости могут иметь беспроточные участки (узлы, секции). Ведь наличие сквозняка в комнате вовсе не означает, что в комнате не могут существовать беспроточные застойные зоны, на которые не распространяются влияния сквозняка. Поэтому понятие беспроточной полости является очень важным для печей.

Проточные полости

К сожалению, серьёзных экспериментальных исследований газодинамики печных колпаков до сих пор нет. Отчасти это объясняется отсутствием практического интереса к «свободным» беспроточным колпакам: ведь даже самые рьяные поклонники систем «свободного движения газов» почему-то стараются (порой неосознанно, интуитивно) «загнать» дым в колпак (верхний) отнюдь не «свободно» («самотёком»под действием сил гравитационного всплывания), а именно за счёт высокой скорости дымовых газов — в фонтане за заужением (рис.118,а). То есть, во-первых, принудительно за счёт напора в печной системе (за счёт разряжения в печной трубе), а во-вторых, именно вертикально снизу вверх (по ходу дыма в вертикальном переточном дымоходе), а не горизонтально (когда «вольные» движения всплытия проявились бы на фоне «принудительных» движений вдоль тракта печи). Принудительный ввод горячего газа в колпак (тем более секционированный) полностью перечёркивает при этом заявляемую возможность сепарации в колпаке горячих и холодных струй. При этом сами «колпаковые» системы теряют образ истинных колпаков (перевёрнутых стаканов с одним отверстием) и приобретают вид замкнутых сосудов с двумя (в том числе несимметричными) отверстиями: входным и выходным.

Турбулентные струи в полости

Более сложная картина возникает при резком (неплавном) переходе потока из канала в полость. При этом возникает струя газа и ещё одно явление турбулентного типа. Дело в том, что полость — это большое количество неподвижного газа, который может турбулентно подмешиваться в поток, а в застойных зонах объемы газа малы, и они постоянно обновляются за счет поступления направленного потока и уходом взвихренного потока. Газовый поток, вырывающийся из трубки в открытое пространство (заполненное тем же газом, из которого состоит сам поток), называется свободной затопленной струей. Наиболее важной особенностью затопленных струй является образование газодинамически неустойчивой границы между неподвижным и подвижным газом, которая взвихривается и образует всё более расширяющийся конусом пограничный слой - так называемый турбулентный след струи. При этом струя как бы «всасывает» внешний газ, а на самом деле просто смешивается и за счёт своей инерции подталкивает ранее невозмущённый газ. Объёмы захватываемого в движение (эжектируемого, подтекающего, всасывающегося) газа могут многократно превышать объёмы газа, истекающего из канала и зависят от геометрии ввода.

Давление в колпаках

Печная конвективная система (как последовательность полостей и каналов) по крайней мере в двух точках соединена с внешним пространством. В этой системе мы можем «нарисовать» два типа замкнутых кривых траекторий движения газов. Первый тип — это сквозные траектории, проходящие по внутренностям печи, выходящие наружу и затем вновь входящие в печь. Это вентиляционные траектории, замыкающиеся вне печи. Второй тип — это циркуляционные траектории, располагающиеся только внутри печи и замыкающиеся внутри печей. Это циркуляционные траектории, не выходящие наружу. Вентиляционные траектории обусловлены наличием тяги дымовой трубы, так что являются траекториями «вынужденного движения газов» (а при наличии механических вентиляторов — траекториями «принудительного движения газов»). Циркуляционные траектории — это траектории «свободного движения газов» в том смысле, что они не определяются дымовой трубой. Общая газодинамическая обстановка в печи< оценивается суммированием скоростей движения по всем возможным траекториям: сквозным и циркуляционным.

Топочные процессы

Мы опять возвращаемся к процессам горения и вновь вспоминаем, что сама печь (и её конструкция) не совсем то, что процессы горения в ней. Дрова жгут люди, и при этом дрова не знают, где горят: в бане или в топке паровоза. А вот многим дачникам (и даже печникам) кажется, что вовсе не они лично, а именно сами печи как-то определяют, как гореть дровам. Слишком у многих живёт нехитрое размышление, что «дрова пусть горят в топливнике», и знать о них больше нет необходимости. Но что значит «пусть горят»? Ведь печь является лишь аппаратом (инструментом) в руках человека, таким же, фактически, как кастрюля в руках повара. Как топишь, так печь и горит. Но бывает, конечно, что «кастрюля не подходит». Например, можно бесконечно ругать металлическую варочную плиту (которая «даёт так много сажи» и совсем «не держит тепла»), настоятельно рекомендуя дачнику заменить её на другую (например, на кирпичную печь-шведку), даже «не догадываясь», что эта металлическая плита предназначена именно и только для быстрого приготовления пищи, а не для обогрева помещения.

Нагрев каменок в печах

Закрытые фильтрующие каменки периодического действия в начале топки загрязняются пеплом, сажей и смолами. Поэтому во избежание отравления людей во время парения угарным газом, каменку приходится обжигать прокаливанием до высоких температур 700-1000°С. Столь сильный нагрев, хоть и является гордостью бытовых печников, совершенно не нужен для парения и даже затрудняет получение мягкого пара. С аэродинамической точки зрения фильтрующая каменка представляет собой газоход со множеством параллельных сливающихся и разделяющихся извилистых каналов между камней (то есть стационарный зернистый слой), причём с ламинарными, как правило, потоками дымовых газов (Re<2300). Сопротивление трения (силы вязкости) обычно превышают сумму местных газодинамических сопротивлений. Поэтому, если камни заполняли бы всю дымовую трубу до верха и имели бы одну и ту же повышенную температуру на всех высотных уровнях, то расход дымовых газов совсем не зависел бы от высоты дымовой трубы: и совсем невысокая труба, и очень высокая пропускали бы через себя одно и то же количество дымовых газов. Этот неожиданный результат объясняется тем, что чем выше труба, тем больше тяга, но во столько же раз больше сопротивление трения газового потока о камни. В то же время, если верхняя часть трубы освобождена от камней, но имеет ту же температуру, что и нижележащие камни, то расход был бы существенно большим. Аналогичные зависимости имеют место во влагонасыщенных фильтрующих грунтах при течении воды под собственным напором.

Экранирование печей

Поскольку стенки топливников металлических печей нагреваются до температур обычно превышающих 100°С, основным механизмом теплоотдачи является лучистый в инфракрасной области. Поэтому при чрезмерной мощности излучения в комнату топливник огораживают непрозрачным для инфракрасных лучей экраном — кожухом печи (см. поз. 2 на рис. 150, поз. 9 на рис. 149, поз. 11 на рис. 117). Экраны обычно изготавливают из металла, но могут быть сделаны из любого огнестойкого даже оптически прозрачного материала (термостойкого стекла), лишь бы он не пропускал инфракрасные лучи. Куда же в этом случае «пропадает» лучистый поток? Изменяется ли при этом теплоотдача печи? До каких же температур может нагреваться сам экран-кожух печи? Прежде всего вспомним, что падающий на слой вещества лучистый поток I₀ частично отражается Iотр, частично проходит внутрь слоя, где частично поглощается, а частично проходит через весь слой и выходит через него Iпроп (рис. 151). Внутри мутного слоя излучение может изменять своё направление (рассеиваться), отражаясь от неоднородностей (частиц, сгустков), и выходить со всей тыльной стороны диффузно Iпроп (пунктирная траектория). Процесс поглощения отличается от процесса рассеивания тем, что при поглощении излучения вещество слоя нагревается, а при рассеивании нет. Интенсивность направленного луча ослабевает как за счёт поглощения, так и за счёт рассеивания. Но поглощённое излучение из слоя не выходит, а рассеянное рано или поздно выйдет в виде ореола (как в случае света фар в тумане), в том числе и вперёд навстречу падающему излучению. В этом случае рассеянный поток вольётся в состав отражённого в виде диффузной составляющей. По сути отражённый свет есть частный случай рассеянного. В то же время, явление рассеяния увеличивает путь движения излучения в веществе, что повышает степень его поглощения.

Футеровка и облицовка печей

Защитить внутренние стенки топливников от чрезмерных тепловых нагрузок можно по-разному. Во-первых, их можно загородить изнутри экранами, поглощающими лучистые потоки. Если защитные экраны, нагревающиеся лучистым теплом, установлены снаружи топливника, то нагревают воздух в помещении. А если защитные экраны установлены внутри топливника, то нагревают дымовые газы (или специально подаваемый в зазор воздух). Во-вторых, стенки топливников можно облицевать изнутри низкотеплопроводным огнестойким материалом (обмуровать). Имеется разница между теплоизоляционным и теплозащитным принципами. Теплоизоляция не выпускает тепло из нагретой зоны. А теплозащита защищает от воздействий тепла, исходящего из нагретой зоны. Экранировка представляет собой теплоизоляцию, если она установлена внутри топливника, и теплозащиту, если она установлена вне топливника. Теплозащита может не сберегать тепло, накопленное в нагретой зоне. Так, внешнее экранирование печей буквально «высасывает» тепло из печи, преобразуя его в нагретые потоки воздуха, но защищает человека от тепла, образующегося в печи. Причём внешний экран (кожух) защищает и от лучистого тепла, и от тепла прикосновения (ожога при касании).

Страницы