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.

Дело в том, что дрова это не газ и не мазут, не угольная пыль и не древесные опилки, которые можно непрерывно подавать в топку с фиксированным расходом, сжигать их постоянным факелом и тем самым поддерживать стабильность температурных условий в зоне горения. Дрова (как и уголь) подают в топку дискретными порциями-поленьями (кусками), и каждая порция сгорает сначала с выделением газообразных продуктов пиролиза (так называемых «летучих», образующих при горении пламя), а затем остаток сгорает в виде угля (кокса) без пламени с образованием твёрдых нелетучих остатков — золы (шлака). Поленья разного размера (разного поперечного сечения) горят по-разному. Тонкие поленья (спички, щепа, лучина) могут гореть самостоятельно в одиночку в холодной топке, и поэтому используются как растопка. Но крупное полено-бревно в одиночку самостоятельно без внешнего подогрева не сгорит. Например, сухой вертикальный телеграфный столб, зажжённый снизу керосином, может весь обгореть, затем весь истлеть (как в Булерьяне). но пламенем (как спичка) сгореть не может. Причина в том, что тепловыделение от пламени растёт пропорционально «диаметру» полена, а затраты на прогрев полена растут пропорционально квадрату «диаметра» полена (то есть значительно быстрее). Толстые поленья могут гореть пламенем только в костре (в закладке). Порции дров могут постепенно накладываются друг на друга, формируя установившийся режим горения. Но чаще всего используется одна-единственная порция (закладка).

В дачном быту мало кто всерьёз задаётся вопросом, как лучше закладывать в печь дрова — как ни забрось, всё равно сгорят и дадут тепло. Это раньше в подовых русских печах и особенно в открытых очагах курных изб и бань как-то старались управлять горением дров выбором породы, подбором размеров и изменением их укладки. Поэтому напомним, что дрова в топливнике (как и в костре) могут гореть верхним горением (сверху), нижним горением (снизу) и боковым (или передним).

Рис. 103. Типы печей: а — печь с верхним горением дров; б — печь с нижним горением дров; в — печь с нижним горением, поджигаемая с помощью вспомогательной топки; г — печь с передним (боковым) горением. 1 — способы загрузки дров (белые стрелки), 2 — бункер с клапаном-мигалкой для подачи дров, 3 — люк с дверкой для подачи дров, 4 — люк с крышкой для подачи дров, 5 — полено, 6 — угли, 7 — зольник (поддувало), 8 — направление движения воздуха из поддувального отверстия в решётку, 9 — дверка зольника с поддувальным отверстием, 10 — дверка топки для загрузки дров и ворошения дров и углей (шуровка), 11 — дверка комбинированная, 12 — дверка вспомогательной топки для загрузки и розжига растопки, 13 — вспомогательная топка для начального разведения огня, 14 — клапан для вывода дымовых газов из вспомогательной топки, 15 — огнеупорное дно (под), 16 — горизонтальный металлический лист, образующий дымооборот и камеру для закладки дров для переднего горения, 17 — воздухоподающие отверстия для первичного воздуха, 18 — воздухоподающие отверстия для вторичного воздуха, 19 — дымоход, 20 — лучистый поток, 21 — вторичный воздух, 22 — отверстие в дверке для вторичного воздуха, 23 — канал из зольника в верхнюю часть топки для подачи вторичного воздуха, 24 — решётка, 25 — поток воздуха через оголённый участок решётки (вторичный воздух), 26 — внутренняя решётчатая дверца топливника для удержания дров, 27 — люк в комбинированной дверке для подачи воздуха в поддувало и решётчатую дверцу.

При верхнем горении (рис. 103,а) поленья забрасываются поодиночке на слой горящих углей 6 через загрузочный люк (с клапаном 2 или с дверцей 3). Одиночные поленья 5 не загораживают основную массу раскалённых углей, поэтому этот режим характеризуется мощными лучистыми потоками 20 от углей к стенкам. Такой режим очень хорош для печей всех типов, кроме кирпичных без огнеупорной кладки топливника (поскольку роль дымооборотов в этом режиме сведена к минимуму, и нагревается в основном топливник). Если воздух подаётся снизу через решётку из зольника, то весь кислород потребляется нижним горящим слоем углей. Полено 5 нагревается фактически в инертной среде, и выходящие из полена летучие претерпевают пиролиз с образованием чёрного дыма и горючих газов. Поэтому стандартная система подачи воздуха через поддувало (зольник) и решётку вовсе не является самодостаточной: необходим подвод дополнительного (так называемого «вторичного») воздуха 21 в пространство над дровами, например, через отверстие в дверке топки 10 или через специальный канал из зольника 23.

В случае нижнего горения (рис. 103,б) угли и пламя буквально завалены холодными поленьями, которые прогреваясь, дымят белым (бурым) дымом (продуктами пиролиза). Вторичный воздух 23 белого дыма не устраняет. Белое дымление ослабевает по мере того, как пламя охватывает всю закладку дров, и постепенно заменяется чёрным дымлением. Официальная процедура организации нижнего горения предусматривает розжиг растопки (лучины) на решётке, после чего через люк 3 набрасываются поленья 1 на две трети высоты топки, чтобы оставить треть высоты топки якобы для пламени. Ясно, что если пламя находится в нижней части кучи дров, то температура топливника, а тем более дымовой трубы, растёт медленно, в то время как поленья разогреваются быстро и одно за другим начинают вспыхивать. Но если температура дымовой трубы вначале мала (рис. 104а), то и расход воздуха через трубу Gтр (а значит и через топливник) также мал, поскольку тяга создаётся за счёт высокой температуры трубы. А быстрое распространение огня вверх по закладке дров означает, что потребное количество воздуха для горения дров Gд быстро растёт (рис. 104,б). В результате коэффициент избытка воздуха α = Gтр / Gд в начальных этапах топки мал (рис. 104,б), а это свидетельствует о недогаре летучих, иными словами, о дымлении. В конце топки труба уже прогрелась, а угли, оставшиеся от кучи дров, начинают догорать и требуют всё меньше воздуха. Это значит, что коэффициент избытка воздуха в конце топки намного больше единицы и дымление отсутствует.

Рис. 104. Качественный ход последовательных изменений параметров печи с нижним горением: а — при прогреве холодной дымовой трубы в ходе топки, б — при предварительно прогретой дымовой трубе, Ттоп — температура топки (топливника, камеры сгорания), Ттр — температура дымовой трубы, Gд — потребный поток воздуха (как окислителя) для полного сгорания дров, Gтр — поток воздуха, создаваемый дымовой трубой, α = Gтр/Gд — коэффициент избытка воздуха.

Задача оптимизации печей заключается в стремлении к стехиометрическому режиму горения α =1 хотя бы на период наиболее интенсивного горения дров. Это может быть достигнуто применением низкотеплоёмких быстропрогреваемых (утеплённых) дымовых труб или предварительно прогреваемых (например, зимой за счёт тепла помещения). Определённой оптимизации можно добиться разумным регулированием подачи воздуха в процессе прогорания дров. Но в том-то и дело, что режим нижнего горения нравится населению именно тем, что ничего не надо регулировать — загрузил дрова и всё. Оптимально ли горение или нет, хватает ли воздуха или нет, есть ли дымление или нет — это рядового дачника не волнует, он даже порой в печь лишний раз не заглянет.

Режим нижнего горения рекомендуется для единичных разовых протопок многими организациями: и всеми финскими банными фирмами, и разработчиками бытовых отопительных печей шахтного типа (рис. 103,в), и даже разработчиками государственного стандарта ГОСТ 9817-95. Во многом эта опрометчивость объясняется ложными убеждениями в том, что современные печи немыслимы, якобы, без колосниковых решёток, что только колосниковые решётки дают возможность поднять коэффициент полезного действия до 70%, в то время как подовые печи имеют коэффициент полезного действия не более 35% (А.Н. Сканави, Л.М. Махов, Отопление, М.: АСВ, 2002 г.). А колосниковые решётки как раз и рождают, к сожалению, радужные настроения в пользу нижнего горения толстых слоев топлива.

Рис. 105. Зависимость расчётной температуры продуктов сгорания древесины (дымовых газов) от влажности дров при различных коэффициентах избытка воздуха, указанных цифрами у кривых.

На самом деле коэффициент полезного действия даже русских подовых печей может превышать 70% (Л.А. Семёнов, Журнал «Отопление и вентиляция», № 6, 12, 1941 г.), несмотря на невозможность строгого регулирования подачи воздуха заслонкой жерла. Причина пониженного коэффициента полезного действия во многих русских печах кроется вовсе не в отсутствии колосниковой решётки, а в неминуемо высоких коэффициентах избытка воздуха в условиях горения дров в печи при открытом жерле (проёме) печи, а также в отсутствии дымооборотов. Действительно, теоретическая температура продуктов сгорания дров очень сильно зависит от коэффициента избытка воздуха, причём значительно сильней, чем от влажности древесины (рис. 105). Так, если 1 кг абсолютно сухих дров (с относительной влажностью равной нулю) сжечь строго с 4,61 м³ (5,96 кг) воздуха, то температура всей совокупности дымовых газов превысит 2000°С. Величина 4,61 м³/кг называется стехиометрическим коэффициентом для абсолютно сухой древесины по отношению к воздуху и соответствует количеству воздуха, необходимому для полного сгорания дров, то есть тому количеству воздуха, при котором в процессе горения окисляются все компоненты древесины. Если взять большее количество воздуха, то избытку воздуха (сверх 4,61 м³/кг) уже не достанется дров. Никак не будет реагировать (химически) избыток воздуха и с продуктами сгорания, просто разбавит их и тем самым снизит их температуру. Например, если взять воздуха в три раза больше, чем минимально необходимо (то есть 13,83 м³/кг), то температура продуктов сгорания составит уже не 2000°С, а всего лишь 900°С.

Если взглянуть на пламя дров, которое постоянно мечется из стороны в сторону, то становится ясным, что вполне возможна ситуация, когда в одной зоне горения временно содержится намного меньше воздуха, чем нужно для полного сгорания летучих, а в другой — временно намного больше. Надёжное сгорание в этих условиях мыслимо лишь при существенном избытке воздуха (чтобы везде воздуха хватало), но при этом температура продуктов сгорания оказывается неминуемо ниже стехиометрического уровня 2000°С. Поэтому стремление повысить температуру продуктов сгорания приходит в противоречие со стремлением снизить дымность продуктов сгорания (и повысить КПД). Дымление паровозов и пароходов показывает, что топки их котлов специально работают при недостатке воздуха. Лишь для обеспечения скрытности боевые паровые суда применяли режим повышенного расхода воздуха, который дожигает летучие, но снижает температуру продуктов сгорания и мощность паровой установки. Также и в ракетных двигателях (например, ракет-носителей космической техники) коэффициент избытка окислителя выбирается меньшим единицы. Напомним, что двукратное снижение коэффициента избытка воздуха с 1,0 до 0,5 приведёт примерно к такому же снижению температуры продуктов сгорания, как повышение коэффициента избытка воздуха с 1,0 до 1,2. То есть нехватка воздуха не столь уж сильно сказывается на температуре продуктов сгорания, но сильно повышает дымность дымовых газов (и загрязнение дымоходов).

Конечно, снижение температуры продуктов сгорания за счёт повышения расхода воздуха не снижает общего теплосодержания продуктов сгорания: газы становятся холодней, но объём газов увеличивается. Если бы печь располагала очень эффективными теплообменниками (например, очень длинными дымооборотами), то можно было бы уловить всё тепло продуктов сгорания. Но дымообороты имеют ограниченную длину, и чем ниже температура продуктов сгорания, тем меньше теплоотдача в стенки дымооборотов, тем больше тепла сбрасывается через дымовую трубу (несмотря на возможно очень низкую температуру дымовых газов на срезе дымовой трубы).

Вышеприведённые рассуждения относятся к идеальному случаю, не учитывающему, что в реальности сначала преимущественно прогорают летучие, а затем выгорают угли, составляющие примерно 34% от массы абсолютно сухих дров. Картина такова, что из 4500 ккал/кг тепла, образующегося от сгорания 1 кг абсолютно сухих дров, не менее 1800 ккал/кг выделяется при сгорании летучих, а до 2700 ккал/кг при сгорании углей. При этом из 5,96 кг/кг воздуха, потребляемого на стехиометрическое горение 1 кг дров, не менее 2,05 кг/кг потребляется при сгорании летучих, а до 3,91 кг/кг при сгорании углей. Теплота сгорания древесного угля составляет 8100 ккал/кг при стехиометрическом расходе воздуха 11,5 кг/кг на 1 кг углей. Стехиометрические температуры продуктов сгорания летучих и углей примерно одинаковы 2000°С.

Стехиометрический расход воздуха для сжигания дров влажностью 25% составляет 4,77 кг/кг или 3,7 м³/кг. При реальных избытках воздуха в печах, достигающих α=2-3, расход воздуха через печь можно условно принять для оценок 12 кг/кг, то есть 10 м³ воздуха в нормальном состоянии (1 атм, 20°С) на 1 кг дров влажностью 25%.

Далее под «воздухом» мы будем понимать исходный атмосферный воздух с натуральным содержанием кислорода 21% об. Это значит, что дрова в печи (по крайней мере, в условиях развитого горения) горят вовсе не в воздухе, а в дымовых газах того или иного состава. Это особенно очевидно при наличии на решётке сплошного слоя горящих углей, которые, как нетрудно подсчитать, должны были бы пропускать не менее 35% исходного кислорода для обеспечения сжигания летучих, выделяющихся из дров, горящих на углях (рис. 103,а).

Способность слоя раскалённых углей пропускать кислород может быть обусловлена тонкостью угольного слоя и/или большой скоростью продува и/или низкой температурой угольного слоя (и соответственно медленностью реакции углерода с кислородом воздуха). Эти условия взаимосвязаны: большая скорость продува сокращает время реакции кислорода воздуха с углями, обуславливает «проскок» непрореагировавшего воздуха через слой углей, «проскок воздуха» фактически означает повышение коэффициента избытка воздуха в реакции с углями, что приводит к снижению температуры горящих углей и т. д. В этих условиях добиться гарантированного проникновения «воздуха» через слой углей для сжигания летучих весьма затруднительно, что подтверждает необходимость введения вторичного воздуха для сжигания летучих по индивидуальному каналу. Принимая пористость угольного слоя на уровне 0,4 и повышенную вязкость воздуха при высоких температурах (рис. 69), для обеспечения поступления 35% воздуха мимо угольного слоя необходимо использовать площадь проходного сечения индивидуального канала для вторичного воздуха на уровне 5% от площади колосниковой решётки.

Вместе с тем, газопроницаемость слоя углей на колосниковой решётке остаётся весьма неопределённой величиной, что делает решётку не столь уж удобным устройством для управляемого сжигания не только летучих, но и древесного угля. Так, например, удивительно, но факт, что слой пепла в подовой печи порой пропускает воздух под дрова ничуть не хуже, чем слой углей на колосниковой решётке. В связи с этим, напомним, что колосниковые решётки были изобретены вначале вовсе не для подачи воздуха, а для непрерывного вывода шлака от каменного угля (или золы от дров) из топки парового котла. Горящую смесь шлака и угля шуровали (перемешивали, ворошили) специальной кочергой (шуровкой) так, чтобы более мелкий шлак проскальзывал в ячейки решётки. Чтобы легче было шуровать (движениями взад и вперёд), горизонтальные прутья решётки стали располагать только вдоль топки и изготавливать в виде стержней, имеющих поперечное сечение в виде треугольника (колоса), направленного острием (острым углом) вниз (рис. 106,а). Такая форма прутьев предотвращала заклинивание кусков шлака в промежутках решётки, поскольку если кусок проходил через верхние узкие щели решётки, то впоследствии он уже не мог застрять в расширяющихся внизу щелях. В крупных топках ремонтноспособные решётки стали набирать из отдельных сменных прутьев-колосников, что в свою очередь дало возможность делать колосники подвижными во время топки. Так, в судовых пароходных топках кочегар имел возможность периодически поворачивать все колосники разом вокруг своей оси на угол не менее 45°С с помощью рычагов, расположенных в зольнике. Спекшийся шлаковый слой при этом взламывался и проваливался через решётку. В современных бытовых дровяных печах колосниковые стержни не имеют существенных преимуществ перед цилиндрическими прутьями (рис. 106,б), поскольку если древесные угли и застрянут в решётке, то всё равно выгорят. Поэтому в быту одинаково часто применяют и самодельные сварные решётки из арматурной стали и покупные колосниковые решётки из литого чугуна, причём из чугуна можно лить решётки только в литьевые формы с канавками, зауживающимися к низу, то есть с получением решётки колосникового типа. Для сжигания древесины щели решётки делают более узкими (5-7 мм), чем для сжигания угля. Направление щелей решётки особого значения не имеет: шуровать в маленьких печах удобно и из стороны в сторону, и взад и перёд. Возможны и многослойные решётки — сверху крупная для дров, снизу мелкая для углей. Решётки выносят потоком воздуха часть пепла в дымоходы.

Рис. 106. Схемы воздухоподающих узлов: а — с чугунной колосниковой решёткой; б — со стальной решёткой из цилиндрических прутьев; в — с воздухоподающим отверстием (в корпусе или дверце) с фиксированным направлением подачи воздуха на под; г — с воздухоподающим патрубком, изменяющим направление подачи воздуха на под; д — схематическое строение слоя углей на решётке (слева), пространственное распределение температуры в слое и концентрация кислорода, окиси и двуокиси углерода (справа) по книге В.В. Померанцева «Основы практической теории горения», Ленинград: Энергия, 1973 г. 1 — корпус топливника, 2 — дымовой патрубок (хайло), выпускающий дым в дымообороты или дымоход, 3 — поленья, 4 — угли, 5 — чугунные колосники решётки, 6 — зола в зольнике, 7 —стальные цилиндрические прутья (в том числе арматурные) решётки, 8 — дверка топки, 9 — поток вторичного воздуха, 10 — дверка зольника, 11 — поток первичного воздуха, 12 — огнеупорный под, 13 — цилиндрическая или прямоугольная дверка топки, 14 — воздухоподающее отверстие с фиксированным направлением воздушного отверстия и регулированием проходного (живого) сечения дверкой, клапаном, задвижкой , глазком, краном и т. п., 15 — воздухоподающее отверстие с вращающимся патрубком, изменяющим направление входящего воздушного потока, 16 — застеклённая дверца, 17 — глазок для контроля горения (желательно со съёмным стеклом), 18 — циркулирующий дым.

Достоинства решёток в плане непрерывного отвода шлаков и пепла из топки в зольник не могут быть поставлены под сомнение, поскольку подовые топливники для длительной непрерывной работы (сутки, недели, месяцы) вообще не пригодны. Но при эпизодической топке глухой под особых проблем не создаёт и не выносит пепел в каменку. Слой пепла до 5 см ещё не затрудняет полного сгорания дров и даже создаёт благоприятные условия для горения в части ограничения тепловых потерь вниз из зоны горения за счёт высоких теплоизоляционных свойств пепла. Слой пепла до 5 см создаётся после 3-7 разовых протопок. Если возникают бытовые проблемы с хлопотностью частой чистки печи, можно оборудовать специальный накопитель пепла в виде колодца (в том числе и с решёткой), в который ссыпается скребком пепел после каждой протопки.

Что касается подачи воздуха для горения дров, к колосниковым решёткам возникает масса вопросов. Во всяком случае даже в отопительных кирпичных печах в деревенском и сельском быту очень часто используют глухой под и воздухоподающие отверстия в дверке топки. Вопреки расхожему в литературе мнению, колосниковая решётка вовсе не всегда обеспечивает доступ воздуха во все зоны закладки дров в печи. И причиной этого является наличие на всей решётке сплошного слоя горящих углей, забирающих весь кислород из воздуха так, что вышележащие поленья уже не горят, а просто нагреваются в потоке дымовых газов и претерпевают пиролиз. Реально процесс ещё более сложный, поскольку образовавшаяся в результате горения углей в кислороде двуокись углерода С+О₂ → СО₂ сама начинает реагировать с верхними слоями углей с образованием окиси углерода С+СО₂ → 2СО (рис. 106,д). Так что даже в случае сжигания древесного угля процесс на решётке как минимум трёхстадиен: сначала образуется СО₂, затем СО, а потом СО сгорает до СО₂ над углями, но только при подаче дополнительного (так называемого вторичного) воздуха в зону над углями.

Рис. 107. Примеры процессов внешнего горения: а — верхнее горение с подачей воздуха снизу; б — верхнее горение с подачей воздуха сверху; в — боковое (переднее) горение костра. 1 — корпус топливника, 2 — дымоход, 3 — решётка, 4 — зольник (поддувало), 5 — подача воздуха под решётку, 6 — поленья, 7 — розжиг растопки.

Если же на решётке сжигают дрова, то кислород может проникать во все зоны дров только на этапе растопки печи, пока нет углей. Но воздух во всей закладке дров в этом случае и не нужен, поскольку он может потребиться лишь в отдельных зонах воспламенения дров. Поэтому методический интерес может представить режим верхнего горения, когда на решётку 3 загружается порция дров 6 и поджигается растопкой 7 сверху (рис. 107,а). В этом случае дрова играют роль «решётки», в свою очередь расположенной на решётке 3, и действительно пронизываются потоком свежего воздуха. Такая схема в быту встречается редко, поскольку процесс развития пламени сверху вниз затруднён, особенно при рыхлых закладках. В печах и кострах обычно используется поджиг вышележащих поленьев нижележащими. В промышленности известна схема подачи воздуха сверху вниз на поверхность горящих поленьев (рис. 107,б), но в дачных условиях такая схема неудобна, поскольку требует принудительной подачи воздуха сверху вниз компрессором и вывода дымовых газов вытяжным вентилятором. Так что процесс верхнего горения на решётке реален лишь в схеме с постоянной подачей поленьев на слой горящих углей (рис. 103,а), принятой во всех бытовых чугунных отопительных котлах (рис. 102,б).

Имеется ещё одна схема, реализующаяся в кострах, открытых очагах, каминах, русских печах (рис. 107,в). Имеется в виду так называемое боковое горение, когда растопка 7 разжигается с краю костра на наветренной (передней) стороне. Ветровой поток 5 при этом пронизывает с определённой эффективностью все поленья костра, перенося с собой теплоту сгорания растопки внутрь кучи поленьев. В этой схеме очень важно подавать воздух в нужные зоны костра с требуемой скоростью так, чтобы пламя двигалось фронтом, «не перескакивая» на весь верх костра нерегулируемым образом. В печах этот режим удобно реализовывать при полном и плотном заполнении топки (или подполочного пространства) поленьями так, чтобы дрова горели с торцов (рис. 103,г). Колосниковая решётка в этой схеме вообще не предусматривается, воздух для сгорания углей подаётся из воздухоподающего устройства 17 по дну печи (по поду), которое делается огнетермостойким и теплоёмким для прогрева дров и устойчивости горения при всех коэффициентах избытка воздуха в печи. Тепло от горящих углей подогревает вышележащие торцы поленьев, из которых начинают выделяться летучие, которые сгорают пламенем в верхней камере над дымооборотом 16 (рис. 103,г). Если удаётся организовать подачу воздуха из отверстия 17 (а точнее, группы отверстий) настолько идеальным образом, чтобы воздух равномерно обдувал торцы всех горящих поленьев, то дрова горят фронтом, распространяющимся к задней стенке, фактически не оставляя после себя углей. В реальности преимущественный поток воздуха по поду обуславливает преимущественное выгорание углей снизу, верхние угли обваливаются. В результате образуется завал долго прогорающих углей на поду и с быстрым распространением пламени по верху закладки дров к задней стенке. Боковое горение (называемое в печах передним) переходит при этом в верхнее. По физической сути боковое (переднее) и верхнее горение можно объединить понятием внешнего горения закладки дров, в отличие от нижнего горения, которое можно считать внутренним.

Режим бокового (переднего) горения очень чувствителен к коэффициенту избытка воздуха и к характеру подачи воздуха в зону горения. Если воздух в зону горения подаётся неограниченно через широко раскрытые воздухозаборные отверстия, то угли и летучие горят одновременно и спокойно, как в костре — пламя от горения летучих невысокое, ленивое (при высокой закладке дров может быть и дымное). Если доступ воздуха в зону горения ограничить, то вид пламени будет зависеть от того, как ограничивается доступ воздуха. Если прикрывать нижнее воздухозаборное отверстие 17, оставляя открытым верхнее воздухозаборное отверстие 18 (рис. 103,г), то пламя, оставаясь низким и спокойным, несколько увянет (дымление дров может немного снизиться). Это происходит потому, что подача воздуха к углям (за счёт «провала» холодного воздуха вниз) ограничивается, количество летучих снижается, а расход воздуха на догорание летучих остаётся на прежнем высоком (достаточном) уровне.

Если прикрывать верхнее отверстие 18, оставляя открытым нижнее 17, то высота пламени увеличивается, огненные языки начинают проникать через хайло в дымовую трубу. Это означает, что в условиях нехватки воздуха (кислорода) сажистые частицы в летучих не успевают быстро выгореть и даже в дымовой трубе, может быть, так и не найдут достаточного количества кислорода, чтобы сгореть полностью, затем рано или поздно охладятся и в виде чёрного дыма выйдут через трубу в атмосферу.

Ещё более разительные перемены произойдут в печи, если при хорошо разгоревшихся углях сначала прикрыть верхнее отверстие 18, а затем прикрыть и нижнее отверстие 17. Раскалённый топливник и угли не могут охладиться мгновенно. Поэтому раскалённый топливник при прекращении подачи воздуха превращается в газогенератор, заполняющийся горючими газообразными продуктами пиролиза. При наличии подсосов воздуха в печи, в первую очередь в дымоходах, может образоваться взрывоопасная смесь воздуха с горючими газами пиролиза, при воспламенении которой печь может даже разрушиться (взрывные случаи известны). Более интересным представляется штатный случай, когда при закрытом верхнем отверстии 18 нижнее отверстие 17 закрывается постепенно. При этом огненные языки, устремляющиеся в дымоход, ещё более расширяются, контуры пламени размываются, пламя превращается в диффузное свечение (призрачно-прозрачное), заполняющее весь объём топливника. Но пламя это «холодное», не излучает лучистого тепла, поскольку частицы раскалённой сажи очень мелкие (менее 1 мкм), и пламя прозрачное. При этом в печи появляется гул — это пламя «в поисках кислорода начинает метаться» по всем углам топливника.

С физической точки зрения гул обусловлен прежде всего тем, что летучие выделяются в топливнике из зоны раскалённых дров, а воздух поступает в топливник в совсем иные зоны — пристеночные (или, например, в зольник). При этом для горения необходимо, чтобы горючие газы и воздух пришли в соприкосновение, а ещё лучше, чтобы перемешались между собой. Поэтому в условиях, когда в топливник в целом поступает ровно столько воздуха, сколько нужно для горения летучих и углей в рассматриваемый момент, возникает ситуация, когда воздух заполняет, к примеру, угол топливника, но «жизненно» необходим в совсем иных точках топливника, а именно в тех, где есть несгоревшие летучие. Привести горючие газы в контакт с поступающим воздухом можно за счёт быстрого перемешивания в топке, то есть за счёт турбулентности. Поэтому все стехиометрические пламена турбулентны в зоне горения, а значит издают акустические колебания точно так же, как водопроводная труба начинает гудеть при появлении турбулентности водного течения. Но в печи, в отличие от водопроводной трубы, в ходе обычного перемешивания происходит ещё процесс образования пространственных микрозон со взрывоопасной газовоздушной средой — горючие газы постепенно подмешиваются в воздух, локализованный, к примеру, в углу топливника, а после достижения нижнего концентрационного предела воспламенения НКПВ  разом возникает фронт движущегося пламени в углу топливника, воспринимаемый как микрохлопок (местный взрыв газовоздушной среды в некой ограниченной пространственной области). Микрохлопки возникают в зонах с недостатком воздуха и с его избытком, так что в результате микрохлопков, как правило, образуются газообразные продукты сгорания, обогащенные либо воздухом, либо горючими газами, и процессы перемешивания (в том числе с образованием локальных взрывоопасных микрозон) продолжаются. Режимы горения с микрохлопками называются разными авторами турбулентными, неустойчивыми, пульсационными, колебательными и т. д. Все эти режимы хорошо известны в технике и обуславливают, в частности, рёв ракетных и реактивных двигателей.

Режим с микрохлопками (рёвом, воем, гулом) может переходить в пульсирующий режим с мощными периодическими (примерно раз в секунду) хлопками, сопровождающимися выбросами пламени и дыма из всех щелей печи. Этот режим совершенно недопустимый для печей, поскольку задымляет помещение и создаёт пожароопасную ситуацию. Для выхода из этого режима необходимо как ни удивительно, вовсе не закрывать, а наоборот, полностью открывать все воздухозаборные отверстия 18 и даже дверцу топливника 11 — хлопки, гул и длинные пламена тотчас исчезают, пламя становится обычным, как у костра.

Отметим, что перераспределение подачи воздуха из зоны горения углей в зону дожигания летучих может быть достигнуто многими техническими решениями, в том числе простейшими, например, вращением специальных трубчатых распределителей воздушного потока 15 (рис. 106,в). При этом дрова «не знают», горят ли они в костре, камине или в очаге, в кирпичной ли печи или металлической. Но тем не менее, им важно очень многое: и как подаётся на них воздух, откуда (с какой стороны) и с какой скоростью, как удаляются дымовые газы, сколько тепла отбирается из зоны горения и сколько тепла извне приходит в зону горения, причём важно даже в какие именно точки зоны горения подаётся воздух и дополнительное тепло. Анализируя все эти факторы, дачник может объяснить, а значит и изменить в своей печи очень многое.

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