Строительство и ремонт

Бытовые печи, камины и водонагреватели

Ю. П. Соснин, Е. Н. Бухаркин

На заре развития человеческого общества важнейшей вехой, ознаменовавшей начало его культурного развития, было, несомненно, сознательное и систематическое использование огня.

Перенеся в жилище огневой очаг, изменяя и совершенствуя его отопительные свойства, человек в то же время стремился использовать его и для приготовления пищи. Надо сказать, что задача совместного использования огневого устройства для этих целей осложнялась существенно различными требованиями, предъявляемыми к этим процессам. Например, по санитарно-гигиеническим требованиям температура наружной теплоотдающей поверхности отопительных устройств ограничена 90—100 °С, а для приготовления пищи она должна быть значительно выше— порядка 250—300 °С. Поэтому первоначально (нередко и в настоящее время) пищеварочные устройства создавались отдельно от отопительных, и только после усовершенствования и отработки тех и других стали создаваться комбинированные конструкции, которые; обладают и универсальностью, и хорошо дополняют друг друга в теплотехническом смысле.

Применение комбинированных конструкций поэтому более экономично по сравнению с использованием устройств одноцелевого назначения.

Развитие отопительно-варочной техники в нашей стране существенно отличалось, от зарубежной практики. В странах Западной Европы с мягким климатом были умеренные требования к отоплению и большее внимание уделялось пищеварочным устройствам. В суровых климатических условиях нашей страны, со специфическим образом жизни сельского населения, требовалось универсальное устройство для интенсивного обогрева жилища, но в котором можно было бы также готовить пищу и, главное, выпекать хлеб. Понадобились многие годы экспериментов и поисков, которые завершились созданием конструкции, явившейся итогом коллективного народного творчества, справедливо названной русской печью.

С тех пор русская печь много десятилетий являлась неотъемлемой принадлежностью каждой крестьянской избы. Исключительно широкое распространение русской печи (в 30-х годах XX в. в нашей стране их насчитывалось около 20 млн. шт.) объяснялось вескими причинами: универсальностью, простотой конструкции и выкладки, выполняемой из обычного красного кирпича; возможностью работы на наиболее распространенных в сельской местности видах топлива —дровах, торфе, кизяке.

Конструкция русской печи постоянно совершенствовалась ( 14). Устройство обычной русской печи показано на  14, а. Топливо располагают в топливнике, вблизи устья, необходимый для горения воздух поступает через нижнюю часть устья, а продукты горения, отдав теплоту поду, стенкам и своду топливника, через отверстия в щитке, расположенном в верхней части печи, поступают в дымовую трубу. Горшки с пищей уста-.навливаются на под шестка или в передней части топливника. Если в печи нужно выпечь хлеб, то после выгребания золы в топливник сажают тесто и закрывают устье заслонкой. Для увеличения количества передаваемой помещению теплоты печь( устанавливается с отступом от стен помещения. Под подом делают песчаную прослойку для лучшего сохранения теплоты и выстилают его клинкерными плитами.

Накопившийся за долгие годы опыт использования большого числа русских печей выявил их характерные недостатки:

горение топлива в них (на глухом поду) недостаточно совершенно, так как отсутствуют приспособления для регулирования расхода воздуха, в результате чего передняя часть топочной камеры вентилируется большим избыточным количеством воздуха, что, снижает тепловой КПД печи;

отопительные качества печи в целом невысоки, причем более важная для создания комфортных гигиенических условий нижняя зона печи прогревается очень слабо;

приготовление пищи в летнее время связано с расходом большого количества топлива на прогрев всего массива кладки и к тому же вызывает вредный перегрев помещения;

из-за большой толщины стен (они выкладываются в целый кирпич) велики габариты печи;

печь непригодна для сжигания каменных углей. Недостатки русской печи побудили специалистов печного дела искать пути ее усовершенствования. Начиная со второй половины XIX в. появились различные проекты модернизации русской печи. Однако в дореволюционной России эти работы велись усилиями отдельных энтузиастов и без должной поддержки царского правительства не приводили к ощутимым результатам. После победы Великой Октябрьской социалистической революции партия и правительство уделяли большое внимание вопросам развития печного дела, чтобы улучшить условия, жизни огромных масс крестьянства, вставших на путь коллективизации. В 1920—1930 гг. по инициативе партийно-хозяйственных и государственных органов проводились многочисленные конкурсы, на которых рассматривались проекты новых печей. В довоенные годы также были предложены и апробированы многие усовершенствованные конструкции русской печи, но особенно широкий размах эти работы получили в послевоенный период восстановления народного хозяйства.

Эти годы/характеризуются дальнейшим качественным развитием печестроительной техники, которое продолжается и в настоящее время; несмотря на повсеместное распространение централизованного теплоснабжения.

Усовершенствование русской печи происходило/в следующих основных направлениях:

создание оптимальных условий горения топлива в топочной камере;

разделение отопительной и пищеварочной функций печи путем введения дополнительного пищеварочного очага;

повышение отопительных качеств печей за счет конструирования системы дымооборотов;

увеличение прогрева нижней части печи.

Рассмотрим примеры конструктивного оформления каждого из этих направлений.

1. Обычно более оптимальные условия горения получают за счет устройства на подовой части топочной камеры колосниковой решетки с подводом к ней воздуха снизу по воздушному каналу, имеющему поддувальную дверку. На колосниковой решетке с дутьем можно сжигать и каменный уголь. В качестве примера на рис; 14, б приведена конструкция, показавшая хорошие практические результаты. Здесь колосниковая решетка и воздушный канал расположены у задней стенки печи. Поддувало снабжается дверкой, имеющей устройство для регулирования потока воздуха. Передние дверки печи во время топки держат закрытыми и открывают их только на короткое время для того, чтобы установить горшки или поправить дрова.

Другим способом оптимизации процесса горения является отделение топливника от горнила. По такому принципу выполнена печь конструкции И. С. Подгородникова ( 14, в). В ней топливник также отделен от горнила и расположен сбоку и сзади печи. Дымовые газы из топливника через открытый свод поступают в левую часть топочной камеры, откуда они могут перемещаться двумя путями: по летнему дымоходу — через заслонку в дымовую трубу; по зимнему дымоходу — через левое отверстие в поду топочной камеры в нижнюю часть печи. Прогрев нижнюю часть печи, заполненную несколькими рядами опорных кирпичных столбиков, газы поступают в дымовую трубу. Для подогрева воды в нижнюю часть печи встроен металлический таган.

2.         В различных модернизациях печей ( 15) при разработке этого направления чаще всего встречается конструкция с размещением пищеварочной плиты в шестке.

На  15, а представлена печь, в которой под шестком устанавливается колосниковая решетка с подведенным к ней воздуховодом. Топливник перекрыт сверху чугунной плитой, на которой готовится пища. Горение в топливнике регулируется с помощью поддувальной дверки, так же как и в печи, но отопительные и варочные функции печи в этой конструкции разделены.

3.         Для повышения отопительных качеств печей  их снабжают (как это показано на " 15, б) системой дымооборотов. Здесь дымовые газы из топочной камеры поступают через отвод в верхний боковой дымоход. Отсюда газы могут   двигаться    двояко: или сразу в дымовую трубу   при открытой   заслонке — летний дымоход, или в верхний распределитель обогревателя, в котором сразу опускаются по четырем параллельным колодцам, отапливают помещение, а затем через нижний сборник уходят в дымовую трубу — зимний дымоход.

4. Увеличение прогрева нижней части печи было достигнуто в конструкции, разработанной Н. Мединским ( 15, б), в которой по сравнению с обычной печью введены следующие изменения:

на шестке устроена кухонная плита с топливником и боковой топочной дверкой, и от нее проведен обособленный дымооборот под камерой печи для обогрева ее пода;

в задней и боковой стенках устроены дымообороты зимнего дымохода, по которым пропускаются дымовые газы от основной топки;

над горнилом печи устроена дополнительная камера для прогрева свода.

Дымовые газы печи проходят либо по летнему дымоходу через отвод прямо в дымовую трубу, либо через топочную камеру и отводное отверстие — в сборник обогревателя, обрамляющего печь с двух сторон, и далее через нижний сборник уходят в дымовую трубу.

Дымовые газы плиты аналогично могут проходить непосредственно в дымоход по летнему дымоходу или по горизонтальному отводу, из которого в свою очередь могут идти в дымовую трубу или предварительно направляться в дымообороты   нагревателя.

На     16    показана    конструкция    печи,    разработанная И. Ф. Волковым. Она имеет   чугунную   плиту   размером   50Х Х50 см, водогрейную коробку и оборудована закрытой варочной камерой с вытяжной вентиляцией. Топку печи можно произво--дить в зимнем и летнем режимах.

Рассмотрев различные конструкции, печей, можно сделать вывод, что в результате большинства переработок конструкция русской печи существенно видоизменилась и по существу были созданы новые печи, причем в некоторых случаях вместе с новыми положительными качествами в конструкции привносились и отрицательные (ухудшение тяги, усложнение конструкций и т. д.).

Поэтому неоднократно возникал .вопрос о целесообразности существенных переделок обычной русской печи. В связи с этим определенный интерес представляют результаты сравнительных испытаний трех образцов русской печи: обычного и двух модернизированных (конструкции И. Ф. Волкова и И. С.1 Подгородникова), сведенные в табл. 4.

Результаты испытаний не соответствовали устоявшимся общепринятым представлениям о характеристиках обычной русской печи. В условиях испытаний наблюдалась известная саморегулировка подсоса воздуха в топливник, а величины коэффициента, избытка воздуха оказались существенно ниже ожидаемых (о = 2—гЗ), соответственно величина КПД обычной русской печи достигла 70%. Как пищеварочное устройство она оказалась более экономичной по сравнению с модернизированными конструкциями, причем это преимущество было особенно заметно при выпечке хлеба. Подтвердились известные и ранее высокие теплоаккумулирующие свойства обычной русской печи, температура внутри которой после прекращения работы снижается медленнее, чем в модернизированных образцах ( 17). В то же время испытания подтвердили невысокие отопительные качества обычной русской печи.

Все это показывает, что судьба русской печи не может быть решена однозначно.

Учитывая историческую популярность русской печи, можно утверждать, что ее будут использовать в настоящее время и в перспективе в сельской местности, особенно в районах, в которых пока нет централизованных хлебопоставок. Русская печь мало приспособлена к приготовлению разнообразных кулинарных изделий, для которых требуются такие способы тепловой обработки! продуктов, как жарение, пропарка и т. д., поэтому для приготовления разнообразных по; ассортименту блюд используют варочные и отопительно-варочные плиты.

В случае; массового приготовления пищи рациональнее каждый вид изделий готовить в отдельных специализированных приборах, а в небольших хозяйствах — использовать универсальные кухонные плиты, позволяющие одновременно жарить, печь и варить продукты. Кухонные варочные плиты ( 18). Наиболее удобными в эксплуатации и малогабаритными являются газовые и особенно электрические пищеварочные плиты, правда устанавливаемые преимущественно при городском строительстве.

Несмотря на то что кухонные плиты сконструированы гораздо позже отопительных печей, удалось довольно быстро определить их конструктивные формы, в основе своей сохранившие первоначальный вид до сего времени.

Использование теплоты продуктов сгорания в них производится ступенчато в соответствии с необходимым температурным уровнем процесса. Наиболее горячие газы, после топливника направляются к жарочной плите, для которой требуется самая высокая температура, газы средней температуры нагревают духовой шкаф, и, наконец, остывшие газы могут использоваться для нагрева воды в котле. Обычная кирпичная кухонная плита изображена на  18, а. Топливо сжигается на колосниковой решетке топливника, раскаленные продукты сгорания сразу же направляются к чугунной плите 2 и обогревают ее, а затем духовой шкаф 3. Далее в зависимости от положения переключающих заслонок они направляются либо к водогрейному котлу 4, либо сразу в дымовую трубу. Важным элементом такого очага является секционная чугунная плита, часто имеющая с нижней стороны ребра для увеличения тепловоспринимающей поверхности. Кухонная плита комплектуется конфорками. Духовой шкаф обычно изготовляют из листовой стали, внутри него устанавливаются противни.

Кухонная плита может быть дополнена сушильным шкафом, размещаемым над водогрейным котлом ( 18,6). При частом пользовании горячей водой под котлом устраивают отдельную топку. В заграничных моделях применяют индивидуальные топки для плиты и духового шкафа ( 18,«). В этом случае топливник плиты загружается углем сверху через конфорки, что позволяет отказаться от топочной дверки. Модификация двух-конфорочного очага с теплоаккумулирующим шкафом показана на  18, г. Его особенностью является расположение внутри газохода специального шкафа, обладающего хорошими тепло-аккумулирующими свойствами (в шкафу могут длительное время сохраняться в горячем виде готовые изделия). Над чугунной плитой располагается сушильный шкаф, в верхней части которого устраивают сеточные перегородки для установки посуды  при сушке

Отопительно-варочные плиты. По сравнению с пищеварочными плитами устройства, позволяющие совмещать отопительные и пищеприготовительные функции, более универсальны. Их развитие шло в двух направлениях: оснащение кухонного очага водонагревателями для квартирного водяного отопления и для горячего водоснабжения (комбинированные кухонные плиты); дополнение кухонной плиты отопительным щитком, имеющим газообороты (отопительно-варочная печь).

В ранних модификациях комбинированных кухонных плит водонагреватель встраивался непосредственно в топливник плиты, Однако такое решение приводило к ухудшению работы устройства в целом: в летнее время при топке плиты происходит ненужный обогрев системы отопления, в зимний период большую часть времени, когда пища не готовится, топка работает со сниженной нагрузкой в неэкономичном режиме горения. Поэтому в дальнейшем в комбинированных плитах стали устраивать индивидуальные топливники для плиты и водонагревателя. Примеры таких плит показаны на  1,8, в, д.

В обеих конструкциях чугунная плита и духовой шкаф нагреваются одним топливником, а водогрейный котел — другим. Топливник плиты работает только в процессе приготовления пищи. В зимнее время газы после обогрева духового шкафа направляются в водогрейный котел, в котором вместе с газами топливника котла нагревают воду системы отопления. В летнее время ' газы после нагрева чугунной плиты сразу отводятся в дымовую трубу.

В переходный (весенний или осенний) период с помощью перекидной заслонки газы после нагрева чугунной плиты частично отводятся в дымовую трубу, а частично — на подогрев водогрейного котла.

Существуют конструкции плит, в которых топливник котла размещен под топливником плиты так, что тепловоспринимаю-щие поверхности нагрева котла образуют колосниковую решетку топливника плиты.

При топке плиты горение в топливнике котла ослабевает, а после прекращения топки режим горения восстанавливается. Когда плита не работает, газы по кратчайшему пути направляются сразу в дымовую трубу.

Отопительно-варочные печи. По сравнению с комбинированными плитами более распространены отопительно-варочные печи, не требующие применения приборов центрального водяного отопления.

Наиболее простые модели таких печей показаны на  19, 2.0. Такие печи нижнего прогрева типа Браббе, Барлаха выполняют в основном отопительную функцию и снабжены, только духовыми шкафами в верхней своей части. В конструкции усовершенствованной печи-плиты предусмотрен духовой шкаф, дно которого перекрыто чугунной, плитой для приготовления пищи.

Печи малой теплоемкости, как указывалось, были популярны в западноевропейских странах

В нашей стране получили развитие теплоемкие отопительно-варочные печи, характерная конструкция которых представляет собой встроенную в печной массив кухонную плиту с топливником, оборудованную духовым шкафом.

Конструкции отопительно-варочных печей показаны на  21. Комбинированная отопительно-варочная печь конструкции Л. А. Коробанова и Н. И. Самарина теплопроизводительностью 3700 Вт представлена на  21, а. Печь может работать на всех видах твердого топлива и отапливать одну-две комнаты. Наружные стенки печи выкладывают толщиной в V2 кирпича. Печь имеет чугунную плиту с двумя конфорками и духовой шкаф. Топливник перекрывает плита, над которой в нише размещена пищеварочная камера с металлическими дверками. Слева от топливника размещен духовой шкаф. Топку печи можно производить в зимнем и летнем режимах. При работе в зимнем режиме дымовые газы, выходя из топливника, омывают чугунную плиту.и духовой шкаф, прогревая весь печной массив, и отапливают помещение.

 Если печь топится летом, то заслонка зимнего дымохода закрыта. Газы, попадая после духового шкафа в нишу у задней стенки, сразу по каналу поднимаются вверх и уходят .в дымовую трубу. Пищеварочная камера снабжена вентиляционным каналом, соединенным с дымовой трубой, служащим для удаления испарений от приготовляемой пищи. При неработающей плите вентиляционную заслонку закрывают, чтобы избежать ненужного охлаждения настила и камеры. Перекрытие камеры над плитой смонтировано на опорах из стальных полос. Между плитой (по всему контуру) и кладкой необходимо предусмотреть зазор около 1,5 см, чтобы предотвратить растрескивание кладки от температурного расширения металлических частей плиты при быстром ее разогреве.

Материалы и приборы для выкладки отопительно-варочной печи конструкции Л. А. Коробанова и Н. И. Самарина приведены в табл. 5.

На  21,6 показана отопительно-варочная печь конструкции И. И. Ковалевского, предназначенная для отопления помещения площадью 40—50 м2 и приготовления пищи на семью из 5—10 чел.

Центральный топливник печи находится в подподовом пространстве. Через дымоходы,; устроенные в задних углах варочной камеры, проходят дымовые газы. В летнем режиме топка печи происходит так же, как обычной русской печи, т. е. дым через чело сразу отводится в дымовую трубу. Зимой дымовые газы через жаровые окна в своде печи попадают в верхние каналы, затем проходят по опускным каналам, боковым дымооборотам и передним подъемным дымооборотам, попадают в трубу, проходят по ней и выбрасываются в атмосферу. На практике установлено, что лучшим режимом является топка печи со всеми открытыми заслонками, причем когда открыта заслонка варочной камеры, то, можно наблюдать за приготовлением пищи.

Пищеварочные котлы. Их применяют для приготовления жид-УОЙ пищи: стационарные — на предприятиях общественного питания или    передвижные — в сельской    местности    (в   открытом поле).

В зависимости от вида теплоносителя применяют три типа пищеварочных котлов: с огневым, паровым и водяным обогревом. Наиболее универсальным является огневой обогрев, так как в этом случае не требуется постоянного теплоисточника в виде водогрейного или парового котла. Пищеварочные котлы показаны на  22. Первоначальная принципиальная схема пищева-рочного котла показана на  22, а. Продукты горения из топливника проходят под дном котла, затем поднимаются вверх, проходят по винтовому дымообороту и омывают среднюю часть котла, после чего удаляются в дымовую трубу. Ввиду неполного использования площади поверхности нагрева котла данная конструкция была изменена. В новой конструкции между водогрейным котлом и кладкой был предусмотрен сплошной кольцевой зазор, проходя по которому газы омывали всю поверхность котла. Но и в этой конструкции был существенный недостаток: ввиду небольшого сечения кольцевого газового зазора требовалась очень точная фиксация положения котла. Кроме того, выходной газовый патрубок необходимо было располагать строго напротив топливника, иначе получался так называемый газовый перекос и вследствие этого неравномерный обогрев котла по периметру. Чтобы устранить этот недостаток, А. П. Тухачев разработал пи-щеварочный колпаковый котел с равномерным распределением газов по периметру ( 22,6), которое обеспечивалось тем, что посадочное гнездо котла имело прямоугольную форму. Движение газов, омывающих поверхность котла данной конструкции, происходит под действием свободного напора, что исключает газовые перекосы и обеспечивает равномерный прогрев котла по окружности. Под действием тяги происходит только вытяжка газов в дымовую трубу из нижнего сборника. В связи с этим вытяжной патрубок можно присоединить к любому месту нижнего сборника без опасения перекоса газового потока. Но следует заметить, что кладка усовершенствованного котла получается несколько усложненной.

Кроме того, при непосредственном огневом обогреве котлов отмечены следующие недостатки: располагаясь в непосредственной близости от топливника, холодные поверхности котла слишком сильно охлаждают зону горения, а при соприкосновении пламени с холодными стенками горение вообще прерывается, в результате чего образуются продукты неполного сгорания, которые в виде сажи откладываются на поверхности котла; ввиду высокой температуры газов возможно пригорание пищи, к стенкам котла. Между тем при приготовлении многих продуктов не требуется высокая температура: гречневая каша, например, варится при температуре 95 °С, картофель и мясо — при 80 °С, рыба— при 70 °С и .т. д. Поэтому более рационально применение котлов с водяным или паровым обогревом, при котором исключается перегрев котла. При водяном обогреве котел помещается в кожух ( 22,8). В пространстве между котлом и кожухом находится вода, воспринимающая теплоту от омывающих котел газов и передающая ее котлу. В верхней части водяного пространства устанавливается пароотводящая трубка. Котел имеет предохранительный паровой клапан.

В тех случаях, когда имеется источник пара, применяется паровой обогрев котла, при котором отпадает необходимость в топке котла. По конструкции котлы с водяным и паровым обогревом весьма сходны. Котлы с паровым обогревом выпускаются поворотными, что облегчает их чистку. Для изготовления котлов применяют медь (причем внутреннюю поверхность котла лудят), а также точеный и полированный чугун.

Заключая краткий обзор истории развития отопительной и пищеварочной техники, необходимо отметить, что ее развитие во многом определялось видом используемого топлива и, главное, возможными методами его сжигания. Поэтому в целях наиболее полного освещения особенностей печной техники далее будут рассмотрены процессы горения твердого, жидкого и газообразного топлива в печах и влияние этих процессов на работу печей.