Конструкция отопительных печей: зольники, топливники и дымообороты

Процесс конструирования бытовых отопительных печей требует точного соблюдения теплотехнических норм и аэродинамических параметров. Функциональная надежность, коэффициенты полезного действия (КПД) и пожарная безопасность печного отопления напрямую зависят от конфигурации зольниковой камеры, геометрических характеристик топливника (топки) и аэродинамической схемы системы дымооборотов.

1. Основание печи и зольниковая камера. Кладка первых рядов печи выполняет функцию несущего и теплоизоляционного основания. В зависимости от типа перекрытия и проектных нагрузок она выполняется в двух исполнениях:

- Сплошная кладка — применяемая при монтаже на капительные фундаменты.
- Шанцевая кладка — конструктивное решение, при котором формируются шанцы (столбики из кирпича), образующие сквозные вентиляционные каналы под массивом печи.

Вентилируемые шанцы предназначены для непрерывного охлаждения нижней плоскости печи. Шанцевая кладка в обязательном порядке применяется при устройстве печей на деревянных основаниях, а также при строительстве отопительных агрегатов на вторых этажах зданий для предотвращения перегрева перекрытий.

Устройство и функции зольника. В нижней части печного массива располагается зольниковая камера (зольник). Данный элемент выполняет две ключевые функции: сбор твердых продуктов сгорания (золы и шлака) и обеспечение притока первичного воздуха в топливник.

Зольник оснащается двумя технологическими отверстиями:
1. Переднее отверстие (поддувало) — закрывается поддувальной дверкой. Через поддувало в печь поступает атмосферный воздух, необходимый для поддержания химической реакции горения. Также через него производится периодическая очистка камеры от золы.
1. Верхнее отверстие — перекрывается колосниковой решеткой (или отдельными колосниками).

Воздушный поток из поддувала проходит через прозоры колосниковой решетки и равномерно поступает в слой твердого топлива в топливнике. Встречным образом зола и мелкие шлаковые остатки выпадают из топливника через колосники на дно зольной камеры.

Важно: Дно зольника выкладывается строго на один ряд кирпичной кладки ниже уровня низа поддувальной дверки. Это исключает случайное самовысыпание раскаленной золы на пол помещения при открывании дверки.

2. Конструктивные особенности и типы топливников. Топливник представляет собой пространственную шахту с кирпичными стенками, расположенную непосредственно над зольниковой камерой. В конструкции современных отопительных печей в топливнике предусмотрено три технологических проема:

- Переднее отверстие — перекрывается топочной дверкой и служит для загрузки топлива и контроля процесса горения.
- Нижнее отверстие — располагается в поду (подине) и перекрывается колосниковой решеткой (примечание: в устаревших конструкциях печей с глухим подом данное отверстие отсутствует).
- Верхнее отверстие (хайло) — находится в своде топливника и служит для выхода высокотемпературных дымовых газов в систему дымооборотов.

Очистка внутренних полостей печи от выносимых газами частиц золы и сажи осуществляется через специальные прочистные отверстия (чистки), которые герметизируются прочистными дверками либо закладываются кирпичом на ребро.

Верхний массив печи перекрывается перекрышей — несколькими рядами (не менее трех) сплошной кирпичной кладки, выполняемой с обязательной перевязкой вертикальных швов для обеспечения полной газонепроницаемости.

Адаптация топливников под различные виды топлива. Конструкция топливника рассчитывается исходя из физико-химических свойств сжигаемого энергоносителя (газообразного, жидкого или твердого). Для бытовых печей в сельской местности наиболее распространены твердые виды топлива: дрова, каменный уголь, торф, антрацит, горючие сланцы, а также местное органическое сырье (солома, кизяк).

При конструировании дровяного топливника (см. рис. 1, а) откосы стенок обеспечивают скатывание угля на колосники по мере прогорания. Под топливника опускают ниже края топочной дверки на 1–2 ряда кладки, что предотвращает выпадение выкатывающихся углей на пол.

Рис. 1. Топливники для различных видов топлива: а — дров; б — торфа; в — каменного угля; г — антрацита

Торфяные топливники (см. рис. 1, б) для мелкой крошки оснащаются горизонтальной решеткой в задней части пода и наклонной решеткой, идущей от топочной дверки. Розжиг производится на горизонтальном участке, после чего вторую порцию засыпают на наклонную плоскость.

Сжигание каменного угля (см. рис. 1, в) и горючих сланцев требует высокой температуры в зоне горения (до 600 °C по сравнению с 300 °C для дров) и большого объема первичного кислорода. В связи с этим площадь колосниковой решетки принимается равной площади пода, а сами колосники изготавливаются из чугуна повышенной прочности. Внутренние поверхности топливника футеруются шамотным кирпичом.

Дно топливников под антрацит (см. рис. 1, г) зауживается к основанию, а выдвижная решетка позволяет скалывать и удалять образовавшийся спекшийся шлак непосредственно в процессе горения.

3. Классификация и гидродинамика систем дымооборотов. Система дымооборотов — это комплекс каналов или камер внутри массива печи, предназначенный для аккумуляции тепла дымовых газов. Проходя по каналам, горячие газы передают теплоту кирпичной кладке, которая затем постепенно отдаёт её в помещение.

Внутренние перегородки каналов называют рассечками. Верхние переточные отверстия в рассечках носят название перевалы, а нижние — подвертки.

По схеме движения дымовых газов и расположению каналов системы разделяются на три основных типа (см. рис. 2):
1. Канальные (многооборотно-последовательные и однооборотные).
2. Бесканальные (колпаковые).
3. Смешанные (комбинированные).

Рис. 2. Схема дымооборотов: а — многооборотная; б — однооборотная с одним опускным каналом; в — однооборотная с тремя опускными каналами; г — бесканальная. Стрелками указано направление движения газов

Канальные системы: многооборотные и однооборотные. В многооборотной канальной системе (см. рис. 2, а) дымовой канал состоит из последовательной цепочки вертикальных или горизонтальных участков. Газы проходят путь от топливника до дымовой трубы, поочередно меняя направление.

Недостатки многооборотных систем:
- Неравномерный прогрев печного массива (перегрев первого канала и недогрев последних).
- Высокое газовое сопротивление, требующее создания повышенной тяги (высоких дымовых труб).
- Быстрое и обильное отложение сажи в поворотных коленах, затрудняющее обслуживание.

Однооборотная система (см. рис. 2, б, в) состоит из одного подъёмного канала и одного или нескольких параллельных опускных каналов. В такой схеме газодинамическое сопротивление существенно ниже, а прогрев массива происходит более равномерно. Однако верхний ярус печи прогревается сильнее нижнего, что является основным недостатком однооборотных печей.

Бесканальные и смешанные системы. В бесканальной (колпаковой) системе (см. рис. 2, г) традиционные каналы отсутствуют. Вместо них над топливником обустраивается одна или несколько объемных камер (колпаков).

Движение газов в колпаке подчиняется законам естественной конвекции: горячие газы под действием архимедовой силы поднимаются в верхнюю часть колпака, отдают тепло своду и стенкам, а по мере охлаждения опускаются вниз и уходят через подвертку в дымовую трубу.

Преимущества колпаковых систем: наименьшее газовое сопротивление и эффект «газового затвора» (предотвращающий выдувание тепла из печи при неполном закрытии задвижки).

Для обеспечения нижнего прогрева применяют смешанные системы. В них дымовые газы из топливника сначала направляются по нижним каналам в нижнюю зону печи, а затем поступают в верхнюю часть, выполненную по однооборотной или бесканальной схеме.

4. Расчет поперечных сечений каналов и газодинамический баланс. Площадь поперечного сечения дымовых каналов, подверток, перевалов и хайла должна рассчитываться в строгом соответствии с тепловой мощностью печи и объемом одновременно сжигаемого топлива.

Для исключения сложной приколки кирпича размеры сечения каналов кратно привязывают к стандарту строительного кирпича:
- 1 × 1/2 кирпича (250 × 120 мм без учета швов);
- 1/2 × 1/2 кирпича (120 × 120 мм).

1. При завышенном сечении каналов и небольшом топливнике скорость движения отходящих газов резко снижается, снижается коэффициент теплоотдачи, и печь не прогревается до нормативных температур.

2.При заниженном сечении каналов и высоком объеме выделяющихся в топливнике газов возникает аэродинамический затор. Горение становится вялым из-за недостатка тяги, а дымовые газы начинают выходить через топочную дверку непосредственно в жилое помещение.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. И. Воропай

Источник: Как сложить печь

Данные публикации будут полезны начинающим и практикующим печникам, индивидуальным застройщикам и жителям сельской местности, а также широкому кругу читателей, интересующихся проектированием, кладкой, ремонтом и эксплуатацией бытовых печей.