Глава II. Тепловые процессы, происходящие в печах

§ 3. Сжигание топлива в топливниках печей

Печь нагревается вследствие сжигания в ней топлива. Выделяемое при горении топлива тепло передается массиву печи излучением от пламени, от раскаленного слоя топлива (в топливнике) и при непосредственном соприкосновении движущихся дымовых газов со стенками дымоходов. Количество тепла, поглощаемого печью, и быстрота разогрева ее массива находятся в прямой зависимости от рода и количества сжигаемого в единицу времени (1 ч) топлива. Выделение тепла топливом и поглощение его стенками печи при обычном способе топки происходит весьма интенсивно. Достаточно, например, топить отопительную печь средних размеров всего 1,5-2 ч для того, чтобы разогреть ее массив до требуемой температуры и чтобы потом в течение 12 ч и иногда даже целых суток она отдавала тепло помещению.

В печах, предназначенных для приготовления пищи, выпечки хлеба, согревания воды, сушки одежды и продуктов, необходимо, кроме того, иметь в рабочих зонах печи определенную температуру для выполнения указанных операций.

Хорошо сконструировать печь - это значит правильно определить размеры и объем топливника, составить рациональную схему дымоходов и определить их сечение. При этом должны быть взаимно увязаны все основные элементы печи: размеры и форма топливника, внутренняя поверхность теплопоглощения и наружная поверхность теплоотдачи. Толщина стенок в разных местах печи должна быть такова, чтобы массив печи прогревался достаточно равномерно.

Если объем топливника окажется мал по отношению к массиву печи, то в этом случае и теплоотдача печи будет ниже запроектированной. Объем топливника должен соответствовать общей теплоотдаче печи, величине ее внутренней поверхности теплопоглощения. За небольшой период топки стенки топливника и дымовых каналов должны поглотить определенное количество тепла, передать его массиву печи и ее наружным поверхностям.

Необходимые условия для успешного сжигания любого топлива - поддержание в топливнике высокой температуры и равномерный подвод воздуха в достаточном количестве.

Высокую температуру в топливнике можно поддерживать в том случае, если он имеет необходимые размеры и объем. В некоторых случаях для этой же цели в топливнике устраивают своды, отражающие лучистое тепло на горящее топливо.

Равномерный подвод воздуха в зону горения в печах, работающих на твердом топливе, достигается применением колосниковой решетки и устройством в топочной и поддувальной дверках приспособлений для регулирования подачи воздуха. Приток воздуха в топливник зависит в значительной степени от силы тяги дымовой трубы. Тягу в дымовой трубе регулируют обычно задвижкой (шибером) и поддувальной дверкой.

Конструкция топливника печи зависит от применяемого вида топлива. Газообразное и жидкое топливо сжигают, применяя специальные устройства - газовые горелки и форсунки.

Процесс горения, происходящий в топке печи, заключается во взаимодействии горючей части топлива с кислородом воздуха. Чтобы вызвать горение и в дальнейшем поддерживать его, необходимо создать в топливнике достаточно высокую температуру. Например, для воспламенения дерева нужна температура более 300°С, а для воспламенения угля - более 600°С. В обоих случаях требуемую температуру создают, предварительно разжигая в топливнике легковоспламеняющиеся материалы - бумагу, стружки, солому.

Процесс горения в печах протекает при температурах 800-900°С (для дров) и 1000-1200°С (для угля и выше). Высокая температура поддерживается благодаря выделению тепла в процессе горения, которое в свою очередь осуществляется за счет непрерывного поступления к топливу кислорода воздуха. Воздух в топливник поступает через зазоры в колосниковой решетке. При отсутствии колосниковой решетки воздух попадает в топливник только через топочную дверку (топливник с глухим подом). В этом случае воздух не может равномерно проходить сквозь толщу топлива и обеспечивать полное его сгорание. Таким образом, печи без колосниковой решетки работают хуже, чем печи с колосниковой решеткой.

В разные периоды топки в топливник необходимо подавать различное количество воздуха. Количество подаваемого воздуха, а следовательно, и количество кислорода должно соответствовать количеству сжигаемого топлива. Если в топливник поступает слишком много воздуха, то снижается температура в зоне сгорания и процесс сжигания топлива ухудшается. При недостаточном притоке воздуха в топливник горение протекает неравномерно, так как появляются продукты неполного сгорания, что можно обнаружить по цвету пламени и дыма: дрова горят темно-красным пламенем, а из трубы идет густой черный дым.

В состав каждого вида топлива в основном входят водород и углерод. При полном сгорании водорода образуется водяной пар; при полном сгорании углерода - углекислый газ.

Водяные пары, образующиеся в результате взаимодействия водорода топлива с кислородом воздуха, уносятся вместе с дымом в атмосферу. Если по каким-либо причинам стенки дымоходов оказываются недостаточно прогретыми, то водяные пары, соприкасаясь с ними, охлаждаются и конденсируются, т. е. оседают на стенках дымоходов в виде капель воды. Если это явление повторяется часто, то стенки дымовых каналов пропитываются влагой, которая, пройдя на наружную поверхность, образует грязные пятна. Отсыревание стенок ведет к разрушению дымоходов.

§ 4. Теплопоглощение и теплопередача в печах

Продолжительность топки больших и малых отопительных печей колеблется обычно в пределах от 1 до 2,5 ч при отоплении дровами, торфом, лузгой и от 2,5 до 3,5 ч и более при отоплении каменным углем и антрацитом. За этот короткий промежуток времени стенками топливника и дымоходов аккумулируется все количество тепла, которое печь должна затем отдать воздуху помещения в течение 12 или 24 ч. Чтобы печь работала таким образом, стенки топливника и дымоходов должны иметь достаточно развитую внутреннюю теплопоглощающую поверхность.

Теплопоглощающая поверхность печи - это внутренняя поверхность топливника и дымоходов, омываемая пламенем или горячими дымовыми газами. По степени теплопоглощения эти поверхности неодинаковы. Так, стенки топливника поглощают тепло интенсивнее, чем стенки дымоходов.

Количество теплоты измеряется в килокалориях (ккал). Килокалория - количество теплоты, необходимое для того, чтобы 1 кг воды нагреть на 1С. Ниже приводится количество тепла (ккал/ч), поглощаемого в 1 ч 1 м² внутренней поверхности топливника и дымоходов, в зависимости от рода топлива и системы печи.

В зависимости от продолжительности топки допускаются отклонения от приведенных величин в ту или другую сторону на 10-15%.

Пример.Определить теплопоглощающую способность печи, внутренние теплопоглощающие поверхности которой равны: топливника F₁=1,5 м²; жарового канала F₂=0,75 м²; последующих дымовых каналов и дымовой трубы F₃=4,5 м². Число часов топки m=1,5 ч. Топливо - дрова.

где F₁, F₂, F₃ - внутренние теплопоглощающие поверхности, м²;

β₁ β₂, β₃ - соответствующие им коэффициенты теплопоглощения, которые приведены выше, ккал/м²·ч.

Теплопередача в печах - это процесс перехода тепля от дымовых газов к наружным стенкам печи, происходящий путем конвекции, излучения, теплопроводности.

Конвекция осуществляется соприкосновением движущихся дымовых газов со стенками дымоходов.

Излучение - процесс передачи тепла от горящего топлива и раскаленных дымовых газов к внутренним поверхностям топливника и дымоходов печи в виде лучистой энергии.

Теплопроводность - это свойство материала передавать, тепло через свою толщу.

§ 5. Теплоаккумуляция и теплоотдача печей

Стенки топливника и дымоходов, получив тепло от сожженного топлива, накапливают и передают его через толщу своего массива наружным поверхностям печи. Чем тоньше стенки, тем скорее через них передается тепло. Толстостенными называются печи с наружными стенками толщиной 120 мм и более; тонкости пни ми - печи со стенками топливника толщиной 120 мм и прочими стенками толщиной до 70 мм.

Наружные поверхности тонкостенных кирпичных печей (в ¹/₄ кирпича - каркасные или в футляре) начинают прогреваться уже через 20-30 мин после растопки печи, наружные поверхности толстостенных печей (толщина стенок от ¹/₂ кирпича и более) только через 1-1,5 ч. Продолжительность теплоотдачи небольших тонко стенных кирпичных печей не превышает 10-12 ч, в то время как теплоотдача больших массивных печей может продолжаться 24 ч и больше.

Средняя температура внутренней облучаемой поверхности топливника составляет 450-600°С. Внутренние стенки дымоходов нагреваются до 230-350°С. Средняя суточная температура на наружной теплоотдающей поверхности толстостенных оштукатуренных печей равна 55-60°С при максимальной температуре этой поверхности в отдельных точках до 90°С. Средняя суточная температура наружной поверхности тонкостенных печей при двухразовой их топке в сутки составляет 60-70°С, а максимальная (на короткий промежуток времени) может достигать 120°С. Наибольшая температура на поверхности толстостенных печей обычно бывает через 2,5-3 ч после ее растопки, у тонкостенных печей - через 1,5-2 ч. Затем температура наружных поверхностей постепенно снижается. Таким образом, теплоотдача печи в период между двумя топками происходит за счет тепла, аккумулированного печным массивом во время топки печи. Это количество тепла тем больше, чем больше массив печи и выше температура, до которой он был разогрет.

Свойство печи поглощать и накапливать тепло во время топки и постепенно отдавать его помещению в последующие часы называют аккумулирующей способностью печи.

Количество тепла, аккумулированного печью за время топки, определяют по формуле:

где Q_акк - количество тепла, аккумулированного печью, ккал;

V - объем прогреваемой кладки печи, м³;

γ - объемная масса кладки печи (масса 1 м³ в кг), кг/м³;

с - удельная теплоемкость материала, из которого выполнена печь, т. е. количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы 1 кг материала нагреть на 1°С; для кирпичных печей с=0,21 ккал/кг·град;

Δt - разность между средней температурой массива печи перед топкой и его средней температурой после топки, град.

Пример.Объем кирпичной печи равен 1 м³, объемная масса просушенной кладки печи, включая пустоты - 1600 кг/м³; начальная температура кладки печи 40°С. Конечная (максимальная) температура массива печи, отнесенная ко всему массиву в целом 150°С. Определить количество тепла, аккумулированного печью за время топки. Количество тепла, аккумулированного печью за время топки, равно:

Теплоотдающей поверхностью печи считается: находящаяся в пределах активной высоты^* печи поверхность стенок печи, омываемая с одной стороны воздухом, а с другой омываемая дымовыми газами или соприкасающаяся с горящим топливом; перекрыша^** при высоте печи не более 2,1 м; поверхность стенок воздухонагревательных камер.

^* (Активная высота печи - это расстояние по вертикали от колосниковой решетки или от дна нижнего дымохода до верхней плоскости перекрыши при толщине перекрыши до 140 мм или до нижней плоскости перекрыши при толщине перекрыши более 140 мм.)

^** (Перекрыша печи - верхняя горизонтальная стенка, перекрывающая печь.)

Тепло от нагретых теплоотдающих поверхностей печи передается окружающему воздуху и предметам следующими способами:

Прямым лучеиспусканием, когда тепловые лучи, исходящие от печи, пронизывают окружающий воздух и попадают на окружающие предметы с более низкой температурой, чем поверхности печи;

Соприкосновением движущегося около печи воздуха с ее нагретыми стенками. Воздух, соприкасаясь непосредственно со стенками печи, нагревается, становится легче и поднимается вверх. Его место занимают соседние нижележащие слои и, таким образом, около разогретой печи создается постоянное движение воздуха.

Полное количество тепла, отдаваемого печью в помещение, равно сумме количеств тепла, переданного первым и вторым способами. Оно находится в прямой зависимости от степени разогрева ее теплоотдающих поверхностей и прямо пропорционально разности температур этих поверхностей и окружающего воздуха и предметов.

Однако теплоотдача печи в течение суток происходит неравномерно. Как было указано выше, максимальные температуры на поверхности печи с периодической топкой наблюдаются у толстостенных печей через 2,5-3 ч после растопки, а тонкостенных - через 1,5-2 ч. В этот момент печь выделяет максимальное количество тепла, превышающее то среднее количество, на которое ее рассчитывали, исходя из теплопотерь помещения. Этот избыток тепла частично поглощается массивом наружных ограждений: стен, пола, потолка и комнатной обстановки.

На короткий промежуток времени температура комнатного воздуха становится несколько выше расчетной внутренней температуры помещения (для жилых комнат 18°С). Затем массив печи постепенно остывает, после чего наступает короткий период установившегося теплового состояния, когда печь выделяет в час ровно столько тепла, сколько его расходуется через наружные ограждения. В этот период все предметы, получившие ранее запас тепла, сохраняют его неизменным. Наконец, наступает третий период, когда остывающая печь выделяет тепла меньше, чем это требуется для поддержания в помещении нормальной температуры. Температура воздуха в помещении начинает понижаться, тогда все предметы, обладающие более высокой температурой и, следовательно, некоторым запасом тепла, начинают отдавать его окружающему воздуху, за счет чего температура помещения выравнивается.

Таким образом, несмотря на неравномерность отдачи тепла поверхностями печи достигается некоторое выравнивание комнатной температуры во время перерыва между топками. При применении толстостенных печей отмеченное колебание температур в помещении бывает меньше, чем при применении тонкостенных. При печном отоплении колебания температуры воздуха внутри отапливаемых помещений не должны превышать ±3°С в течение суток.

Теплоотдачу печи измеряют в килокалориях, выделенных за 1 ч. Теплоотдача печи зависит от количества сожженного в ней топлива и может меняться в широких пределах. Наиболее часто (в соответствии с теплопотерями помещения) применяют печи с теплоотдачей от 750 до 4000 ккал/ч при двух топках в сутки. За нормальную теплоотдачу печи принимают среднее количество тепла, которое выделяется печью в течение 1 ч при двух топках в сутки.

Двукратная топка печи в сутки - утром и вечером - это режим, который обеспечивает наиболее рациональное и выгодное использование массива печи. При средних зимних температурах наружного воздуха, наиболее часто повторяющихся в отопительный период, осуществляется нормальная одноразовая топка печи. При пониженных наружных температурах печь топят два раза в сутки с некоторым увеличением общего количества топлива, чем при одноразовой топке. В более теплые зимние дни достаточно протопить печь один раз в сутки, закладывая при этом меньшее количество топлива.

При соблюдении указанных режимов можно не строить массивных печей, которые необходимы для обогрева помещения при одноразовой топке, а пользоваться менее громоздкими печами, но топить их два раза в сутки. При этом объем, стоимость печи и полезная площадь, занимаемая ею, уменьшается, а работа печи протекает при более высоком коэффициенте полезного действия.

Ниже приведен средний коэффициент теплоотдачи печей в зависимости от их конструкции.

Часовая теплоотдача 1 м² перекрыши печи при высоте печи 2,1 м и менее составляет в среднем 50% от часовой теплоотдачи 1 м² стенок. Теплоотдача стенки печи в отступке, открытой с обеих сторон, принимается равной 75% от теплоотдачи открытой стенки при ширине отступки от 70 до 130 мм. При отступках шириной более 130 мм теплоотдача принимается та же, что и для открытых поверхностей печей.

Пример. Поверхность теплоотдачи боковых стенок печи равна 7 м². Поверхность перекрыши - 0,8 м². Требуется определить полную теплоотдачу печи, приняв средний коэффициент теплоотдачи стенок равным 400 ккал/м²·ч, а перекрыши - 400·0,5=200 ккал/м²·ч.

Полная теплоотдача печи за 1 ч равна:

§ 6. Движение дымовых газов в печах

При конструировании печи необходимо учитывать, что горячие дымовые газы как более легкие, двигаясь по каналам, стремятся заполнить их верхнюю зону, как бы прилипая к перекрыше. При этом наблюдается явление, обратное тому, которое мы видим при течении воды в каналах, - вода течет, заполняя низ канала.

Движение воды и газов по каналам показано на рис. 1, а и б. Вода, протекая по каналу, заполняет его нижнюю часть до определенного уровня. То же, только в обратном порядке, наблюдается при движении дымовых газов по горизонтальному каналу. Если газа немного, то он заполняет лишь верхнюю часть канала.

Рис. 1. Движение воды (а) и газа (б) в каналах

Если в потоке воды встречается выступающее снизу препятствие - порог (рис. 2, а), то уровень воды перед ним будет постепенно повышаться, а затем вода начнет через него переливаться. Подобное явление, но в обратном порядке, происходит и при движении газов. Например, чтобы затормозить и прижать книзу горячий газовый поток в горизонтальном канале, нужно вверху под перекрытием канала сделать порог, тогда уровень газового потока понизится и будет омывать низ канала, как это показано на рис. 2, б. Так же как на дне реки находится самая холодная вода, так и под перекрышей дымохода держится самый горячий газ.

Рис. 2. Обтекание порога в канале: а - водой, б - газом

В вертикальных дымоходах газы опускаются потому, что внизу, в подвертке, создается некоторое разрежение, обусловливаемое действием дымовой трубы.

§ 7. Тяга, создаваемая дымовой трубой

Для того чтобы дымовые газы прошли из топливника через дымоходы печи к дымовой трубе, преодолев все встречающиеся на пути сопротивления (трение о стенки, возникающие завихрения при изменении направления движения газов и т. д.), необходимо затратить некоторое усилие. Это усилие должно быть больше тех сопротивлений, которые испытывают дымовые газы при своем движении. В противном случае печь будет дымить. Эта сила, называемая силой тяги печи, возникает каждый раз, когда топится печь.

Явление это основано на том, что все газы, так же как и окружающий нас воздух, имеют массу. При нагревании газы, расширяясь, становятся легче; при охлаждении они сжимаются и становятся тяжелее. Температура дымовых газов, заполняющих трубу, составляет в среднем около 140°С и поэтому они намного легче наружного воздуха. В результате этого в трубе возникает движение дымовых газов вверх. Сущность происходящего явления поясняет схема, представленная на рис. 3.

Рис. 3. Схема работы дымовой трубы: 1 - топочная дверка, 2 - топливник, 3 - столб наружного воздуха, 4 - дымовая труба

Дымовые газы, образующиеся в топливнике 2 от сгорания топлива, как более легкие, чем окружающий воздух, поднимаются вверх и заполняют дымовую трубу 4. Столб 3 наружного воздуха, равновеликий столбу дымовых газов в трубе, противостоит этому столбу, но, будучи более холодным, он значительно тяжелее такого же объема газов в дымовой трубе.

Проведем через топочную дверку 1 условную вертикальную плоскость и представим себе, что эта плоскость служит как бы перегородкой, отделяющей наружный воздух от дымовых газов, заполняющих топливник и дымоходы печи. На перегородку с правой стороны будет давить столб горячих газов высотой от середины топочной дверки до верха дымовой трубы. С левой, стороны на перегородку будет давить такой же высоты столб наружного холодного воздуха. Массу воздуха, находящегося выше дымовой трубы, можно не принимать во внимание, так как он одинаково давит на правый и левый столбы.

Масса левого столба наружного холодного воздуха больше массы правого столба горячих газов. Поэтому левый столб наружного холодного воздуха будет вытеснять дымовые газы, заполняющие дымовую трубу, и в системе будет происходить движение газов по направлению от большего давления к меньшему, т. е. в сторону дымовой трубы. Действие силы тяги в том и состоит, что она, с одной стороны, заставляет подниматься вверх горячие газы, а с другой стороны, вынуждает воздух проходить в топливник для поддержания горения топлива. Сила тяги тем больше, чем больше разность температур между дымовыми газами в трубе и наружным воздухом и чем выше дымовая труба.

Чтобы усилить тягу, нужно увеличить высоту трубы или повысить температуру уходящих газов; однако первое условие, имеющее решающее значение, не всегда осуществимо, а второе - невыгодно. Поэтому конструкция печи должна быть такой, чтобы сопротивление движению газов по дымоходам по возможности было минимальным. Для этого необходимо соблюдать следующие правила:

Дымоходы печи должны быть небольшой протяженности и иметь малое число поворотов;

Площадь поперечного сечения дымовой трубы должна быть достаточна для отвода домовых газов;

Температура дымовых газов при входе в дымовую трубу должна быть не менее 120-140°С;

Высота дымовой трубы, считая от колосниковой решетки до устья трубы, должна быть не менее 5 м (для одноэтажных зданий).

§ 8. Коэффициент полезного действия печей

Коэффициентом полезного действия (КПД) всякой тепловой установки называется отношение количества полезно использованного тепла к количеству затраченного. В применении к отопительным печам полезно использованное тепло представляет собой тепло, отданное в помещение, а затраченное тепло то, которое можно было бы получить при полном сгорании топлива.

Количество того и другого тепла подсчитать нетрудно. Допустим, что за сутки печь отдала в помещение около 24 000 ккал тепла, а тепло, содержащееся в затраченном топливе, составляет 34000 ккал. Коэффициент полезного действия печи равен отношению 24000/34000=0,7. Печь не могла отдать помещению все 34000 ккал, потому что часть тепла была унесена в трубу с дымовыми газами, температура которых достигает не менее 120-140°С, другая часть Г осталась в топливе, провалившемся в зольник, третью часть составили потери тепла вследствие неполного сгорания топлива.

Коэффициент полезного действия современных отопительных печей составляет в среднем 0,7. Это значение может быть достигнуто при умелом и внимательном ведении топки, когда топливо в течение всего периода топки закрывает всю колосниковую решетку печи, когда подача необходимого количества воздуха для горения топлива регулируется большим или меньшим открыванием поддувальной дверки. Однако в тех случаях, когда печь неисправна или неправильно ведется топка, коэффициент полезного действия печи будет не выше 0,5-0,6.

https://profecoskill.ru/