Строительство и ремонт

Бытовые печи, камины и водонагреватели

Ю. П. Соснин, Е. Н. Бухаркин

Стационарный режим горения, имеющий место в газовых печах периодического действия, дает возможность совершенно по-иному подойти к расчету прогрева стенок дымооборотов и определению   площади  их  тепловоспринимающей поверхности.

При расчете прогрева стенок печей периодического действия, работающих на твердых видах топлива, не было возможности рассмотреть в комплексе действительно происходящий процесс горения твердого топлива с процессом распространения теплоты в толще стены, так как весьма затруднительно было связать нестационарный режим горения, зависящий от множества факторов  (вида топлива и его влажности, величины тяги и т. д.), с также нестационарным процессом прогрева стенок.

В газовых отопительных печах периодического действия вследствие нестационарного режима горения температура на внутренней поверхности стенок непрерывно увеличивается за время работы горелки и достигает максимального значения в-конце топки печи. Таким образом, повышение температуры в толще стенки будет происходить непрерывно и по определенной закономерности, зависящей главным образом от термического сопротивления стенки, тепловой нагрузки горелки и продолжительности топки. В свою очередь температура на наружной поверхности стенки будет также в основном определяться перечисленными параметрами.

При проектировании новых отопительных печей, а также при переводе существующих на газообразное топливо важно установить правильное соотношение между этими параметрами. Это диктуется тем обстоятельством, что в момент максимального прогрева печи температура ее наружной поверхности не должна превышать определенную величину (для тонкостенных печей допускается нагрев нескольких точек на наружной поверхности печи до 120 °С).

Учитывая, что поставленная задача не. поддается строгому аналитическому решению, были применены упрощенные методы расчета.

В процессе горения газа в массиве печной кладки отопительной печи создается сложное переменное температурное поле. Продукты сгорания, проходя по всем дымооборотам, постепенно передают свою теплоту стенкам, изменяют энтальпию (теплосодержание); и в произвольном сечении дымового канала их температура будет зависеть от теплового напряжения топочного пространства, коэффициента избытка воздуха <в топливнике, длительности топки, площади тепловоспринимающей поверхности дымовых каналов и температуропроводности кладки.

В настоящее время имеется большое количество различных систем дымооборотов, применяемых на практике. Произведем анализ наиболее распространенных из них.

Для обеспечения безопасных условий сжигания газа система дымоходов должна обеспечивать разрежение в любой части печи. Кроме того, важно, чтобы дымоходы имели минимальное гидравлическое сопротивление.

Система дымоходов должна обладать также наибольшей тепловоспринимающей способностью на коротком пути, проходимом продуктами сгорания. Это позволит резко сократить объем кладки в конвективной зоне печи и уменьшить расходы строительных материалов и использование рабочей силы.

И, наконец, необходимо, чтобы система дымовых каналов равномерно распределяла теплоту по массиву печи, но с преимущественной концентрацией ее в нижней зоне.

Известно, что кладка отопительных печей со временем разрушается, появляются трещины, выпадает раствор и т. д. При наличии разрежения в дымовых каналах в трещины будет попадать избыточный воздух из помещения и охлаждать печь, а следовательно, снижать ее КПД. При избыточном давлении (подпоре) внутри печи в отапливаемое помещение через трещины будут поступать дымовые газы. Это особенно опасно, если в них имеются продукты неполного сгорания (оксид углерода, альдегиды, кетоны). Чтобы предотвратить загрязнение атмосферы жилых помещений токсичными продуктами неполного сгорания, следует применять только те печи, в дымовых каналах которых не возникает избыточного давления.

Проанализируем наиболее распространенные системы дымоходов газовых отопительных печей. Прежде всего рассмотрим систему многооборотных последовательных каналов, которая чаще всего применяется в голландских отопительных печах. На  49 дана схема пятиоборотной голландской печи с вертикальными последовательными каналами. Исследования показывают, что© верхних перевалах многооборотных печей может создаваться давление выше атмосферного, так как движение продуктов сгорания в нисходящих ветвях прямо противоположно действию подъемных сил. При этом с увеличением тепловой нагрузки горелки, избытка воздуха в топливнике, температуры продуктов . сгорания, а также длины нисходящих каналов подпор в верхних перевалах печи возрастает. Принципиальные схемы движения дымовых газов в отопительных печах приведены на  50.

Другой недостаток многооборотной системы дымовых каналов — это значительное гидравлическое сопротивление, создаваемое главным образом нисходящими ветвями (III и IV на  50, а). Расчеты показывают, что на его преодоление может расходоваться 65—70% всего полезного напора.. Третий недостаток — неравномерный нагрев стенок печи по периметру.

При движении продуктов сгорания по дымовым каналам температура их постепенно снижается. По первому восходящему каналу проходят сильно нагретые газы, по второму — менее нагретые и т. д.

В той же последовательности происходит прогрев наружной теплоотдающей поверхности печи. Ближайшие к первым дымовым каналам части кладки прогреваются недопустимо сильно, из-за чего в них часто появляются глубокие трещины, а отдаленные — слабо, т. е. происходит неравномерный прогрев наружных поверхностей. Тепловоспринимающая способность у этих печей, как показали исследования, оказывается значительной только в том случае, если дл.ина дымоходов, а следовательно, и объем конвективной части печи достаточно велики. И, наконец, вследствие того, что продукты сгорания с наиболее высокой температурой попадают сразу в верхнюю зону, распределение температур по высоте оказывается неудовлетворительным. Верхняя зона прогревается сильнее, чем нижняя, что приводит к неравномерному распределению температур по высоте помещения.

В теплотехническом отношении более совершенными являются бесканальные или колпаковые печи ( 50, б). Гидравлическое сопротивление их невелико, так как фактически они имеют лишь одну нисходящую ветвь, а кроме того, они имеют достаточное поперечное сечение дымохода. Эта система дымоходов основана на принципе саморегулирования, что исключает неравномерный прогрев теплоотдающих поверхностей печи, но верхняя часть таких печей прогревается сильнее, чем нижняя. Это происходит потому, что раскаленные газы, выходя из топливника, сразу поступают в верхнюю камеру-колпак и большую часть теплоты отдают верхней зоне

Это один из недостатков такой системы дымоходов, но более серьёзным является возможность образования под колпаком избыточного давления, которое увеличивается с ростом температуры дымовых газов, выходящих из топливника.

При испытании печи колпакового типа избыточное давление под колпаком в середине топки составляло 15 Па. Кам'&ра-колп&к такой печи имеет значительный объем, и в 'случае нарушения правил топки может произойти взрыв газовоздушной смеси, находящейся под камерой-колпаком, и разрушить печь. Это представляет немалую опасность, поэтому при топке надо соблюдать все правила безопасности.

Принципиально отличается от рассмотренных систем система с последовательными горизонтальными каналами ( 50, в). Несмотря на простоту конструкции, эта система имеет некоторые недостатки. Во-первых, она не создает равномерного прогрева кладки по периметру печи в связи с переменной температурой продуктов сгорания в горизонтальных сечениях, во-вторых, обладает недостаточной теплоаккумулирующей способностью при малой длине горизонтальных каналов.

Наиболее полно отвечает всем требованиям, предъявляемым к газовым отопительным печам, система дымовых каналов печей прямоточного типа с поступательным движением продуктов сгорания, выходящих через верх топливника

Гидравлическое сопротивление этой системы оказывается незначительным из-за отсутствия опускных каналов и резких поворотов газового потока (под углом 90 и 180°), и вследствие того, что природный газ имеет меньшую плотность, чем воздух, продукты сгорания природного газа, не встречая значительных гидравлических сопротивлений, создают большую тягу.

При минимальном разрежении под заслонкой во время топки прямоточной печи все дымовые каналы будут также находиться под разрежением, так как движение продуктов сгорания совпадает с действием подъемных сил.

Замечено, что в прямоточных печах с непродуманной конструкцией дымоходов продукты сгорания наиболее интенсивно поднимаются и обогревают только один из центральных каналов, а стенки остальных периферийных каналов, не соприкасающиеся с дымовыми газами, почти не нагреваются. Для выравнивания расходов газа по всем каналам центральный поток продуктов сгорания должен двигаться по нескольким каналам малого сечения, имеющим большее гидравлическое сопротивление, чем периферийные каналы. Тогда даже при небольшом увеличении скорости движения газа по центральным каналам возрастет их гидравлическое сопротивление и расходы дымовых газов в центральных и периферийных каналах выравняются.

Исследования показали, что правильно рассчитанные прямоточные печи равномерно нагреваются по периметру и в них отсутствуют зоны с местными перегревами, вследствие того что движущиеся вверх продукты сгорания равномерно распределяются по всему поперечному сечению печи. Интенсивный нагрев нижней зоны прямоточной печи можно легко обеспечить, разместив в верхней части топливника насадку из шамотных кирпичей.

В этих печах путь движения продуктов сгорания от топливника до задвижки значительно короче, чем в многооборотных, и, следовательно, тепловосприятие в конвективной зоне у них меньше. Поэтому необходимо было найти способы интенсификации теплопередачи от продуктов сгорания к стенкам печи в этой зоне.

Теоретический анализ и проведенные экспериментальные исследования показали, что увеличить теплоотдачу от продуктов сгорания к стенкам печи в зоне дымоходов возможно за счет осуществления прерывистого движения потока дымовых газов по схеме: сборный коллектор — система узких дымовых каналов — сборный коллектор, а также за счет создания развитой тепловоспринимающей поверхности при условии, что увеличение ее не вызовет уменьшения скорости движения продуктов сгорания.

На  51 показано влияние схемы системы дымооборотов на площадь тепловоспринимающей поверхности печи.

Для осуществления прерывистости движения продуктов сгорания целесообразно в конвективной части печи устанавливать кирпичные насадки, расположенные в центре движущегося потока дымовых газов. Достоинство этих насадок заключается еще и в том, что они создают развитую площадь тепловоспринимающей поверхности при сравнительно малом объеме. Если в много-оборотной отопительной печи, имеющей в плане размер 51X Х77 см, площадь общей тепловоспринимающей поверхности зоны дымоходов высотой 1 м составляет 2,25 м2 ( 51, а), то, разместив в этой зоне кирпичную насадку, площадь тепловоспринимающей поверхности может быть доведена до 3,75 м2

Прямоточные печи с кирпичными насадками отличаются от других типов печей простотой кладки.

Помимо осуществления прерывистого движения дымовых газов и создания развитой площади тепловоспринимающей поверхности интенсифицировать теплоотдачу от продуктов сгорания к кладке можно за счет организации движения потока нагретых газов непосредственно к наружным стенкам печи, создав в центре кирпичной насадки дополнительное гидравлическое сопротивление (насадка колодезного типа) или установив в центре коридорной насадки специальные рассекатели ( 51, в). Последний способ по результатам исследований различных систем дымовых каналов признан наиболее приемлемым.

Другие системы (многооборотная, с горизонтальными каналами и т. д.) можно также применять при выкладке или капитальном ремонте газовых отопительных печей, но при этом следует учитывать их недостатки, указанные выше.