Физические основы газодинамики, тяги и классификация отопительных печей

1. Физика образования тяги и газодинамические процессы. Все отопительные печи присоединяют к дымовым трубам. Основное физико-техническое назначение дымовой трубы заключается в своевременном отводе из печи дымовых газов и обеспечении подсоса свежего воздуха в топливник для непрерывного поддержания процесса горения топлива.

Движение газовых потоков во внутреннем устройстве печи происходит за счет естественной конвекции, возникающей из-за разницы температур и плотностей выходящих из трубы дымовых газов и наружного атмосферного воздуха. Раскаленные горячие газы, имеющие температуру выше 100 °C, устремляются вверх. Их объём в трубе мгновенно замещается более холодными газами из дымовых каналов. За счет этого формируется устойчивое направленное движение газов от топливника к устью трубы, называемое тягой.

На пути естественного движения дымовых газов возникают гидродинамические сопротивления. Они обусловлены конструктивными поворотами каналов, встречным движением газов на опускных участках, а также шероховатостями и выступами на внутренних поверхностях кладки. Если потенциал силы тяги превышает суммарное сопротивление, печь работает в штатном режиме. Если аэродинамическое сопротивление оказывается больше силы тяги или равно ей, движение газов прекращается и печь перестает работать.

Частой причиной снижения и нарушения тяги являются подсосы воздуха через неплотности в печной кладке, возникающие вследствие применения слишком толстых швов, засорения дымоходов и дымовой трубы остатками кладочного раствора или мелкой крошкой. В связи с этим толщина швов при кладке печей не должна превышать 5 мм.

Для увеличения силы тяги применяют повышение температуры отходящих газов или увеличение высоты дымовой трубы, однако эти параметры ограничены эксплуатационными нормами. Наиболее эффективный метод обеспечения нормативной тяги — минимизация сопротивления в системе дымооборотов. Дымообороты должны иметь наименьшую протяженность и минимальное количество поворотов, а внутренняя поверхность каналов должна выполняться гладкой, без выступов и наплывов раствора.

При этом температура отходящих в дымовую трубу газов должна поддерживаться не ниже 120 °C. При падении температуры ниже данного значения начинается конденсация водяных паров на внутренних стенках трубы, приводящая к размоканию и разрушению материалов. Превышение же нормативной температуры приводит к существенному снижению коэффициента полезного действия (КПД) печной установки. Высота дымовой трубы в одноэтажных зданиях должна находиться в пределах 5–6 м, считая от уровня колосниковой решетки.

2. Эволюция печного отопления и индустриализация печных работ. Конструкции отопительных печей непрерывно совершенствуются. Развитие печного отопления исторически протекает по трем ключевым направлениям:
- обеспечение максимальной теплотехнической экономичности;
- адаптация конструкций к новым видам топлива;
- снижение трудоемкости и материалоемкости при сооружении.

Требование высокой экономичности привело к внедрению в конструкцию печей колосниковой решетки и поддувала, изменению схем дымооборотов, созданию систем с преимущественным нижним прогревом и разработке малогабаритных печей. Появление новых видов топлива с высокой удельной теплотой сгорания (каменный уголь, торф, природный газ) потребовало соответствующей модернизации топливников и газоходных каналов.

Долгое время кладка усовершенствованных печей оставалась трудоемким процессом. С развитием строительной индустрии на смену традиционной кладке пришли каркасные печи полуиндустриального типа (время монтажа которых составляет 2–3 ч), а также крупноблочные печи из керамических и бетонных блоков.

Индустриализация печных работ позволила перенести изготовление элементов на заводы. Монтаж на строительной площадке не требует больших объемов растворов и сложной отделки, так как лицевой стороне блоков задается требуемый эстетический вид в заводских условиях.

3. Классификация отопительных печей. Классификация отопительных печей осуществляется по комплексу ключевых конструктивных и теплотехнических признаков:

1. По характеру движения газов:
- Печи с дымооборотами (каналные): Газы под действием тяги проходят через систему вертикальных и горизонтальных каналов, передавая тепло массиву печи. Классическим примером являются голландские печи («голландки»), исторически имевшие глухой под и шесть последовательно соединенных вертикальных каналов.
- Колпаковые (бесканальные) печи: В основу их работы положен принцип свободного движения газов. Раскаленные газы из топливника поднимаются в верхнюю камеру (колпак), отдают тепло ее стенкам, охлаждаются, становятся более тяжелыми и опускаются вниз, откуда поступают в следующую камеру или в дымовую трубу.

2. По форме в плане:
- Прямоугольные;
- Квадратные;
- Круглые;
- Треугольные (угловые).

3. По способу отвода дыма:
- С дымоходом в стеновом каналообразователе;
- С коренными дымовыми трубами;
- С насадными дымовыми трубами.

4. По толщине стенок и теплоемкости:
- Толстостенные: с толщиной стенок 12 см и более;
- Тонкостенные: с толщиной стенок 7 см и менее.

5. По основному конструктивному материалу:
- Кирпичные;
- Из бетонных блоков;
- Из керамических блоков;
- Металлические.

Сочетание всех вышеперечисленных параметров и соблюдение теплофизических нормативов является обязательным условием при проектировании и возведении современных энергоэффективных отопительных печей.

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.