О тепловой эффективности печи

Металлические печи могут иметь совершенно различные формы топливников: фигурные, круглые (цилиндрические), в том числе горизонтальные (модные, но неудобные, сложные для изготовления и ремонта), прямоугольные (наиболее практичные). Последние хороши тем, что угловые зоны топливника никогда не нагреваются докрасна, а потому всегда держат форму печи. Хотя и углы желательно усиливать рёбрами жёсткости (например, в виде приваренных уголков).

Форма топливника определяет, какие его элементы будут нагреваться больше, а какие — меньше. Разогрев какого-либо элемента (например, низа стенки топливника) приводит, с одной стороны, к уменьшению степени отбора тепла стенкой от зоны горения, с другой — к увеличению степени отдачи тепла внутрь помещения. В результате наступает баланс тепловых потоков, который и будет определять температуру этого элемента печи. От распределения же температур всех элементов будет зависеть коэффициент полезного действия печи.

Вместе с тем разогрев элементов корпуса печи влияет и на механическую устойчивость конструкции. Так, разогрев одних элементов опасен, а других — менее опасен для печи. Трудно, например, рассчитывать на механическую устойчивость конструкции при разогреве цилиндрического корпуса металлической печи. Поэтому вертикальную, а особенно горизонтально расположенную круглую печь усиливают толстыми стенками-трубами (канадский вариант) или рёбрами жёсткости.

Прямоугольная конструкция более устойчива даже в случае очень тонких стенок, потому что имеет холодные рёбра, определяющие форму конструкции, Хотя и здесь имеет место коробление стенок,  которое менее опасно, чем, например, неожиданное сплющивание печи при перегреве, но и ум коробление способно привести  к образованию трещин в складках — они, впоследствии расширяясь при эксплуатации, могут  представлять пожарную угрозу.

Механизм коробления прост: горячие листы металла расширяются (увеличиваются в линейных размерах), вспучиваются, гнут соседние холодные части печи, которые при остывании уже не принимают прежнюю форму. Таким образом, конструкция печи должна обеспечивать возможности осмотра стенок топливника на предмет трещин и прогаров. Если же такой осмотр затруднён, видимо, следует повременить с покупкой.

Конечно, любая металлическая печь, в том числе любой конструкции, даже с толщиной стенок в 1 мм, может годами без ремонтов подтапливать вашу летнюю баню в режиме тления или мягкого пламенного горения с небольшой подачей дров (но с большой подачей воздуха). Однако стоит посмотреть, с какой безудержной мощью горит вся докрасна раскалённая зимняя банная печь при подаче строго дозированного стехиометрического количества воздуха (соответствующего коэффициенту избытка воздуха на уровне единицы), как сразу становится ясно, что вопросы механической прочности корпуса при перегреве должны быть всегда на первом месте.

Рис. 1. Качественный характер зависимости коэффициента полезного действия (тепловой эффективности) печи от конструктивных и режимных параметров: 1 — металлическая печь; 2 — кирпичная печь; η — коэффициент полезного действия печи; α — коэффициент избытка воздуха; s — площадь стенок топливника; λ — коэффициент теплопроводности стенок топливника; δ — толщина стенок топливника; Q — скорость тепловыделения в топливнике; V—объём топливника (Q/V—удельное тепловое напряжение топочного объёма); τ — время протопки.

Коэффициент полезного действия (тепловая эффективность, экономичность) печи определяется режимом сгорания дров, а ещё больше — конструкцией печи. Посмотрим, например, как изменяется эффективность печи в зависимости от коэффициента избытка воздуха а, представляющего собой отношение расхода воздуха, поступающего в печь, к тому расходу воздуха, который действительно необходим для горения дров в данный момент. При малых значениях а воздуха не хватает, дрова в печи практически не горят, тлеют, температура дров в топливнике мала, и образуется много дыма (что является первым следствием недожога). В этом случае эффективность печи мала как ввиду недожога, так и попричине низкой температуры дров и малой радиационной составляющей теплопереноса. Всё тепло из топливника при таком режиме выносится дымовыми газами (рис. 1а).

При α равном 1, достигается оптимум: весь воздух, поступающий в печь, идёт на горение дров, причём воздуха хватает. Дрова раскалены, излучается много тепловой энергии, стенки печи хорошо разогреты, а эффективность отопительного устройства — максимальна. Дальнейшее увеличение скорости подачи воздуха, казалось бы, должно привести к ещё большему разгоранию дров. Однако если этот воздух поступает не через дрова, а мимо них, причём так, что охлаждает стенки печи и дымовые газы, то дрова не разгораются, а излишки воздуха становятся паразитными.

Безусловно, понятие коэффициента избытка воздуха α в случае сжигания дров не столь уж однозначное, как в случае, например, сжигания газа. В газовой горелке недостаток воздуха является вполне понятным фактором, приводящим к дымлению пламени. В дровяной же печи какой-нибудь уголёк в куче дров может задыхаться от недостатка воздуха (то есть α  для него много меньше единицы). В то же время рядом с дровами, но никак не реагируя с ними, может нестись поток холодного воздуха из дверцы прямо в дымоход. При этом для печи в целом величина α может быть много больше единицы. Более того, при значительных объёмах избыточного воздуха уголёк может погаснуть вообще, так как сильный поток воздуха его застудит, попросту задует как свечу.

Ясно одно: если в печь поступает излишний воздух, не способствующий горению, то его приходится греть, а это — плохо. И так вместо кислорода мы подаём азотно-кислородную смесь, называемую воздухом и содержащую около 80% азота и всего лишь 20% кислорода, Если бы азота в воздухе не было, и нам бы не приходилось его без пользы греть, то металлические печи нагревались бы не докрасна, а добела, полностью бы теряли форму, плавились и даже сгорали в воздухе как бенгальский огонь (поскольку железо сгорает в чистом кислороде как спичка).

Многочисленными исследованиями установлено, что коэффициент полезного действия печи при постоянстве топочного объёма растёт с увеличением площади теплоотдающей наружной поверхности печи S в зоне топливника и дымооборотов, с увеличением коэффициента теплопроводности материала стенок печи λ и уменьшением толщины стенок топливника δ (рис. 16). Причём для металлических печей отношение S×λ/δ в сотни раз больше, чем для кирпичных.

Действительно, в кирпичных печах огонь заключён фактически в утеплённый корпус и отгорожен от потребителя, так что ожидать высокой эффективности кирпичных отопительных устройств не приходится. С другой стороны, рассматривая печь со стороны топливника, мы видим, что если внутренние стенки нагреваются докрасна, то они уже больше не в состоянии потреблять энергию от раскалённых углей, и дальнейшая протопка фактически бесполезна. Этот режим характерен для кирпичных печей, поэтому в них изготавливают дополнительные дымообороты, чтобы можно было подольше топить печь и запасти побольше теплоты за счёт выхода горячих газов из раскалённого топливника.

Но рано или поздно и дымообороты перегреваются (хотя внешние стенки и топливника, и дымооборотов ещё не прогреты). Всё это иллюстрируется зависимостью коэффициента полезного действия от удельного теплового напряжения топочного объёма, представляющего собой отношение мощности тепловыделения в топливнике Q к его объёму V (рис. 1в). При малых значениях Q/V, то есть при больших размерах топливника и малых количествах горящих дров, стенки топливника прогреты слабо (стенки попросту очень далеки от огня). Они хорошо забирают лучистое тепло от горящих дров, но само топливо горит плохо из-за больших потерь на излучение. Отсюда и низкая эффективность топливника при малых Q/V.

Приближая стенки топливника к огню (уменьшая тем самым объём топливника), можно увеличить эффективность передачи тепла от огня к стенкам — отсюда и повышение коэффициента полезного действия до некоторого максимума. Затем, ввиду рассмотренного выше перегрева стенок топливника, коэффициент полезного действия начинает падать с ростом Q/V. Оперируя понятием перегрева, мы фактически оперируем временными параметрами, поскольку перегрев может возникнуть лишь по истечении определённого времени протопки, и чем меньше объём топливника, тем быстрее он прогреется.

На рис. 1г показано, как изменяется коэффициент полезного действия от времени протопки τ. В ходе раз-горания печи коэффициент полезного действия печи растёт, но потом, по мере разогрева топливника, начинает падать. Причём в случае металлических печей показатель эффективности устанавливается рано или поздно на каком-то определённом уровне, отвечающем стационарным параметрам постоянно работающей печи.

Таким образом, обеспечение оптимальных условий для экономичной работы печи во всём временном интервале протопки представляет собой сложную многофакторную задачу. Но главное условие высокоэффективной работы печи — не допускать такого режима, когда стенки топливника будут раскалены настолько, что уже не в состоянии отбирать тепло от дров. В этом случае стенки своим излучением так сильно прогревают дрова, что те горят ещё более интенсивно. То есть печь идёт в разгон с вылетом тепла в дымовую трубу, которая, разогреваясь, даёт всё большую тягу, что ещё более интенсифицирует процесс безудержного горения.

Однако о трубе — в другой раз.