Печи Кузнецова. Система свободного движения газа. Новые пути печного отопления

Ещё раз о системе "свободного движения газов" или предложение…

Из разных стран мира мне пишут люди, интересующиеся нашими печами. Они задают много разных вопросов, одни дилетантские, другие высоко профессиональные. Многие вопросы касаются сравнения систем печного отопления, применяемого в Западных странах, в России, а так же наших печей, построенных на "принципе свободного движения газов". Я не владею Английским языком, в общих чертах знаком с печным производством на Западе, материалами, печными приборами, требованиями стандартов (в том числе экологических), местными традициями. Поэтому мне порой трудно понять эти вопросы и правильно на них ответить. Я заинтересован в обмене опытом, применении в своих печах достижений западной технологии строительства и материалов. Познать и восполнить этот пробел в своих знаниях мне помогли многие люди. Особо я благодарен Норберту Сенфу, дипломированному печнику, члену Ассоциации печников Северной Америки (Norbert Senf Certified heater mason, Member, Masonry Heater Association), с которым мы вместе прошли не простой путь к взаимопониманию.

Ещё раз о системе "свободного движения газов"

Чтобы лучше понять суть и оценить достоинства Системы "свободного движения газов", рассмотрим следующее. Представим себе, что река впадает в горное озеро и вытекает из него, образуя водопад (схема С1). Вода заполняет весь объём впадины озера (до уровня верха водопада), какой бы формы впадина не была. Каждый знает, что вода на поверхности озера теплее, чем в глубине и поэтому в водопад сливается верхний слой тёплой воды. Холодная вода остаётся в озере. Весь описанный в этом случае процесс движения воды не требует внешней энергии и протекает за счёт естественных сил природы. Поэтому, этот процесс естественен, оптимален и целесообразен. Если в схеме С1, поставить вертикальную перегородку, не доходящую до дна, как это показано на схеме С5, то система так же будет работать за счёт естественных сил природы (по закону сообщающихся сосудов), но в водопад будут сливаться так же и холодная вода со дна впадины. Как известно, горячие газы легче воздуха и, в отличие от воды, заполняют любую ёмкость (объём), только перевёрнутую вверх дном, причём заполняют весь объём полностью. Если перевернуть схему С1 на 180 градусов и вместо воды заполнять объём (впадину озера) горячим газом, то получится решение, показанное на схеме С2. Назовём его колпаком. Движение горячих газов в этом случае (как и воды в предыдущем примере), происходит за счёт естественных сил природы и не требует внешней энергии. Движущийся газовый поток в печи с любой конвективной системой, переносит тепловую энергию (горячие газы) и продукты сгорания. Рассмотрим эти две составляющие газового потока. За счёт чего и как происходит движение горячих газов (перенос тепловой энергии), в этом решении С2 и какими свойствами обладает данная система. Пусть источником тепла является электрический обогреватель 1, тогда не требуется удалять продукты сгорания и канал 2 можно вверху закрыть. В этом случае движение горячих газов в колпаке происходит не под действием внешней энергии (тяги трубы), а под действием собственной силы тяжести газов. Самые горячие газы, как наиболее лёгкие поднимаются под перекрытие колпака, самые холодные, как наиболее тяжёлые, собираются внизу колпака и переливаются в канал 2.

Что же произойдет, если над первым колпаком или сбоку от первого колпака поместить второй колпак с закрытым каналом 3 (схема С3 и С7)? В каждом из этих случаев второй колпак будет заполняться наиболее холодными газами, поступающими из нижней зоны первого колпака. Следовательно, первый колпак (нижний в C3 и левый в C7) всегда будет воспринимать больше энергии, чем последующий. При этом, однако, обнаруживается очень важное отличие этих двух вариантов системы: в системе С3, где колпаки размещены один над другим, каждое горизонтальное сечение будет иметь равномерный прогрев, тогда как в С7 прогрев в любом из горизонтальных сечений будет неравномерным.

Рассмотрим, что изменится, если электрический обогреватель отделить от колпака перегородкой (рассечкой) или каналом (назовём его огневым каналом), как показано на схеме С4. В этом случае, конвективного движения газового потока в колпаке не будет. Система не будет работать без приложения внешней энергии, то есть тяги трубы. Если в схеме С2 поставить вертикальную перегородку, не доходящую до перекрытия колпака, то получится система, показанная на схеме С6. Она так же не будет работать без приложения внешней энергии. Перенос тепловой энергии самими газами будет происходить в половине колпака до перегородки и не будет, после перегородки. В печах, источником внешней энергии, является тяга трубы. Работа системы будет зависеть от величины этой энергии, (то есть, от параметров трубы) и сопротивления газовому потоку (то есть, от конвективной системы печи). Если в огневом канале (на схеме С4), выполнить вертикальную щель (назовём её - сухой шов), то работа системы восстановится, и она будет работать по схеме С3. При этом через нижнюю часть щели будут проходить газы наиболее холодные.

При получении тепла от реакции горения топлива, требуется удаление продуктов сгорания, которые удаляются через трубу. На схеме С2 трубой является канал 2, на схемах С3 и С4, канал 3. В этом случае на движение газового потока будет влиять также тяга трубы, и действовать она будет на холодную газовую составляющую, то есть в трубу будут удаляться наиболее холодные газы из нижней зоны колпака. По аналогии, как и в примере с озером, из которого сливается в водопад верхний, тёплый слой воды. Здесь можно говорить о разделении газового потока на холодные и горячие газы. Если в огневом канале не выполнить вертикальную щель (сухой шов), то воздействовать тяга трубы будет на весь газовый поток и, тяга будет вымывать также и его горячую составляющую, как по аналогии в примере показанном на схеме С5, когда в водопад сливается так же холодная вода со дна озера. То же можно сказать и о работе системы, показанной на схеме С6.

Обобщая все сказанное выше, мы можем перечислить все свойства системы "свободного движения газов":

1. Колпак может иметь любую форму и объём;
2. Тепловая энергия переносится за счёт естественных сил природы;
3. Внутри колпака происходит турбулентное движение газов;
4. В верхней зоне колпака, собираются самые горячие газы;
5. В канал 2 переливаются наиболее холодные, тяжелые газы;
6. Внутри колпака, с повышением температуры возникает избыточное (повышенное) давление;
7. Нагрев стенок колпака в каждом горизонтальном сечении одинаков и возрастает в каждом, выше лежащем сечении;
8. Источник тепловой энергии может размещаться в любом месте нижней зоны колпака, при этом характер нагрева сохраняется;
9. Может быть несколько источников тепла;
10. Размещение последовательных колпаков один над другим обеспечивает равномерный прогрев в каждом горизонтальном сечении системы, а так же, нижний колпак воспринимает больше энергии горячих газов, чем верхний;
11. При горизонтальном размещении последовательных колпаков прогрев в каждом горизонтальном сечении системы неравномерен, а так же, левый, первый колпак воспринимает больше энергии горячих газов, чем последующий.

Знание свойств системы "свободного движения газов" необходимо для правильного понимания статьи "Основы конструирования печей" на сайте http://www.stove.ru.

Все другие системы движения газов (конвективные системы с принудительным движением газов), могут работать только за счёт внешней энергии и не обладают выше перечисленными замечательными свойствами. То есть в системах с принудительным движением газов, весь газовый поток (обе его составляющие), протаскиваются за счёт силы тяги трубы. К системам с принудительным движением газов относятся: Последовательные конвективные системы; Параллельные конвективные системы (к ним относится также "система противотока"); Комбинированные конвективные системы. Все эти системы имеют большой ряд модификаций.

В Советском Союзе разработкой Системы "свободного движения газов" в пламенных печах занимались до 1958 года. Основу теории заложил профессор Грум-Гржимайло В.Е. В дальнейшем, работу по совершенствованию системы печей на принципе "свободного движения газов" проводил ученик и последователь Грум-Гржимайло, кандидат технических наук Подгородников И.С. После его смерти в 1958 г, серьёзной работы в этом направлении проведено не было.

На основе теории " свободного движения газов", Подгородников И.С. разработал ряд русских печей "Теплушка", ряд отопительных и отопительно-варочных печей "Двухъярусный колпак". Его печи нашли широкое применение в России и получили очень хорошие отзывы людей. Русская "Теплушка", до настоящего времени является лучшей отопительно-варочной печью, даже с учётом того, что в ней применяется несовершенная, не герметичная дверка варочной камеры.

После смерти Грум-Гржимайло, Подгородников И.С. подготовил несколько книг (на первом этапе он издавался под псевдонимом Подгородник И.С.). Одна из его книг, "Бытовые печи" (Теплушка, типа "голландки", "шведки", кухонный очаг), переиздавалась много раз и переиздаётся до настоящего времени его дочерью под разными названиями. Эта книга имеет большой спрос в России.

В работах этих учёных, не рассматривались некоторые основополагающие вопросы, которые удалось решить мне. В частности, созданы "основы конструирования печей, работающих на принципе свободного движения газов". Используя эти материалы вместе с теорией конструирования печей, разработанной И. С. Подгородниковым, можно выполнить анализ работы любых очагов. Эти материалы позволили мне упростить и усовершенствовать русские теплушки и отопительно-варочные печи Подгородникова И. С., что подтверждено патентом России. На основе этих материалов мною созданы сотни печей с новыми свойствами и качествами, не имеющие аналогов в мире.

В чём преимущества системы "свободного движения газов", перспективность развития этого направления?

Одно из главных достоинств нашей Системы, это невероятная гибкость, позволяющая проектировать и строить многофункциональные печи любого размера и формы, печи с новыми свойствами и функциями. В колпак легко могут быть установлены электрические нагреватели, котёл для нагревания воды, плита или духовой шкаф для приготовления пищи, духовка для агревания камней, значительный теплоаккумулирующий массив, парогенератор, тепловая вставка для калориферного отопления и т.п. Нами разработаны и построены десятки печей с использованием подобных функциональных вставок. У нас есть опыт строительства печи с объёмом одного колпака около 5 м. куб.

Наша система даёт возможность применения высоких технологий в печах, автоматизировать загрузку топлива, процессы сгорания топлива и регулирования теплоотдачи. Используя современные системы рециркуляции воздуха, возможно применение таких многофункциональных печей для зданий с любым объёмно планировочным решением.

Мы делаем многоэтажные печи различного функционального назначения, в том числе с каминами. Все эти печи могут эффективно работать (и работают) на электричестве, причём в экономном режиме, накапливая энергию в ночное время. В печи мы устанавливаем котлы водяного отопления и горячего водоснабжения, при этом реакция горения происходит при высоких температурах, что позволяет использовать в максимальной мере энергию, содержащуюся в топливе. Кроме этого, мы подогреваем не теплоноситель (воду), а теплоаккумулятор, который можно нагреть в 4,5-6 раз сильнее, что значительно увеличивает аккумулирующую способность системы.

Печи для бань, отапливают все три помещения бани (парилку, мойку, комнату отдыха), обеспечивают горячей водой, вентилируют помещение, приготавливают пар различного качества, в том числе сухой, перегретый пар, полученный при температуре близкой к критической (374 Со). Имеется возможность генерировать собственное милливольтовое электричество. Мы научились делать печи для бань, которые обеспечивают регулирование температурно-влажностного режима в помещении. Имеется возможность создания печей, которые могут быстро нагревать помещение, аккумулировать тепло и отапливать помещение, выдерживая необходимую, заданную температуру в автоматическом режиме.

Нами был проведен простой опыт по сравнению нашей системы с системой, наиболее распространенной на Западе - системой противотока: Для испытания была построена печь, из талькомагнезита, на принципе "противотока". В качестве перекрытия печи, использовалась чугунная плита. Плиту при испытаниях утепляли минеральным материалом. Это решение было принято из условия возможности быстрой трансформации печи на работу по "принципу свободного движения газов".

Испытания проводились в одинаковых режимах до, и после перестройки печи. В первом случае печь работала на принципе "противотока", во втором случае, после небольшой переделки топливника, на "принципе свободного движения газов". Характерно, что температура нагрева печи, при одинаковых условиях испытания и одинаковом объёме печи оказалась очень высокой. Через 1 час, стенки "противоточной печи", нагрелись до 155 градусов, а печи нашей конструкции до 180 градусов. Этот факт говорит, что реакция горения в печах построенных на принципе "противотока" проходит при меньших температурах и не происходит разделения потоков холодных и горячих газов. Такой опыт можно легко повторить.

О высокой температуре в топке колпаковых печей также говорят испытания, проведённые И.С.Подгородниковым. Этот график составлялся И.С. Подгородниковым и помещён в его книге "Бытовые печи", Москва 1960 г. на странице 23. Резкое понижение температуры на графике, связано с открытием дверки. Из этого графика так же видно, что реакция горения в колпаковых печах происходит при большей температуре, чем в системах с принудительным движением газов.

Мной также была сконструирована печь подобная печи-камину фирмы Тиилери" а так же хлебной печи-камину фирмы Туликиви. В отличие от Финских печей, которые являются печами противотока, наша печь была построена по принципу свободного движения газов. Печь получила очень высокую оценку клиентов.

Привожу схему работы этих печей. Наша печь - многофункциональна, имеет нижний прогрев, причём характер нагрева одинаковый, как при топке дровами, так и электричеством. Печь прогревается в полном объёме. Может работать как открытый камин (при открытой дверке можно на углях жарить на сковородке блины не переворачивая и шашлыки), русская теплушка с возможностями приготовления пищи. Имеется режим копчения продуктов вторичными, отработанными газами в верхнем колпаке. Может эффективно работать на электричестве.

Также следует отметить важное свойство (и отличие) наших печей: В колпаковой печи, горячий воздух прижимается к перекрытию с силой равной разности веса холодного и горячего воздуха объёма колпака. Горячий воздух, заполняющий колпак, не допускает в колпак тяжелый холодный воздух и при несвоевременно закрытой задвижке остывание печи не значительно. То есть печь имеет как бы автоматическую газовую задвижку. Этим качеством не обладают печи с другими конвективными системами. Не своевременное закрытие задвижки в печах с принудительным движением газов, ведёт к значительной потере тепла. В наших печах в этом случае, потери тепла не значительны. Если умножить среднестатистический процент потери тепла от не своевременно закрытой задвижки на миллионы очагов, то получится значительная потеря энергоресурсов. Применение печей, построенных по нашей системе, привело бы к существенной экономии.

Следует отметить ещё одно замечательное свойство печей "двухъярусный колпак". Известно, что при увеличении времени топки печи, повышается температура стенок дымоходов, и они воспринимают меньше тепла от дымовых газов, из-за уменьшения разности температур дымовых газов и стенок дымоходов. В этом случае повышается температура выходящих газов, то есть понижается КПД печей. В практической эксплуатации, время протапливания печей не регламентируется, поэтому в печах с принудительным движением газов (в том числе, с системой противотока), неизбежно снижение КПД. В печах "двухъярусный колпак", при увеличении времени топки не происходит заметного снижения КПД, так как воспринимать избыток тепла будет верхний колпак.

У меня, за всё время работы, постоянно возникают новые идеи и новые конструкции печей. Из всего количества печей, выполняемых нами, примерно 70% имеют новые конструкции. Мы постоянно совершенствуемся и изобретаем что-то новое, хотя кажется, что уже всё изобретено. Я всё время удивлялся этому и благодарил Бога, что он подарил мне такую возможность. Сейчас я понял, что Бог подарил нам систему, возможности которой безграничны. Печи с системой "свободного движения газов", это новый этап, новый уровень в развитии печного отопления.

Сейчас в мире всё большее понимание находит вопрос об увеличении использования восполняемой энергии, в том числе биоэнергии, и уменьшения доли ископаемых видов топлива. В природе всё сбалансировано, само регулируемо и оптимально. Применение восполняемой энергии естественно, вписывается в кругооборот природы и не нарушает её законов. Программы по увеличению её использования имеют многие страны мира. В эти программы будут вложены громадные средства, и работать над ними будут миллионы людей. Потребуются новые системы отопления, использующие восполняемые виды топлива. Эти системы должны будут быть достаточно гибкими и легко модифицируемыми. Наша система конструирования печей полностью соответствует этим условиям. Я предлагаю принять нашу систему за основу для развития нового направления печного отопления, несущего многочисленные дополнительные возможности и удобства людям. Этот проект глобальный. Он требует объединить усилия специалистов разных стран мира, использовать весь накопленный опыт в данной области. Я предлагаю сотрудничество в разработке этого проекта.

У нас накоплен большой опыт по созданию печей сконструированных на принципе свободного движения газов, сформулированы основные принципы конструирования таких печей и их применения. Построены сотни различных конструкций печей и все они получили высокую оценку потребителей.

Я не утверждаю, что наши печи безупречны, но я вижу преимущества системы. Требуется проведение независимых лабораторных испытаний, анализ выходящих газов, настройка каждой модели, сертификация. Хорошо было бы выполнить теоретическое обоснование конструирования печей на "принципе свободного движения газов", описать движение газового потока в колпаках. Необходимо определить, как влияют на работу печи объём топливника и колпака, дымовой камеры, соотношения размеров топливника и отверстий для выпуска дымовых газов из него, переточных каналов, трубы, входного отверстия в дымовую камеру, т. е. взаимосвязь параметров газового потока от конструктивного решения печи. Привести эту работу к понятным графикам и формулам. Определить зависимость состояния газового потока от конструктивных размеров элементов печи методами элементарной физики мне не представляется возможным, так как там описываются свойства газов в состоянии равновесия. Следовательно, необходимы лабораторные испытания. Для проведения такой работы у нас нет необходимых приборов (типа Тесто 325), специалистов и средств. Я верю, что обмен опытом, использование разработок западных специалистов и применение лучших достижений западной технологии, в том числе в организации процесса горения, могли бы привести к повышению КПД в наших печах, могли бы помочь совершенствованию печей и Системы в целом.

Поэтому я призываю людей, работающих в направлении печного отопления, объединить свои усилия. Я верю, что вместе мы сможем найти возможность провести необходимые исследования и создать общую Систему для конструирования печей, лучше которых ещё ничего не создавалось во всем мире.

Я открыт для обмена опытом и приветствую любые предложения к сотрудничеству.

При наличии интереса, нами может быть проведено обучение печников нашей системе печей. Такое обучение можно провести в России или другой стране.

P.S.

Фактически в природе всё значительно сложнее, многое не изучено и не объяснимо. Сколько будет жизнь, столько будет идти совершенствование знаний. В этой статье много условностей. Практически в печи на движение газового потока и характер теплопередачи будут влиять много факторов. Эти условности приняты для того, что бы можно было лучше понять суть Системы. На работу печи будут влиять соотношения параметров газового потока и конструктивного её решения, теплопроводность, конвекция, лучепоглощение и лучеиспускание, а так же другие процессы, при которых происходит перераспределение тепла от горячего к холодному. Размеры (длина и объём) колпака определяется различными факторами. Кроме величины сопротивления газовому потоку и других факторов, большое значение имеет теплопроводность материала печи. Характер работы металлического колпака будет различаться от работы кирпичного таких же размеров. Точно просчитать это, мне не представляется возможным. Или, по крайней мере, такой расчёт тянет на академика. Теоретически нагрев стенок колпака не может быть одинаков, даже в симметричном классическом колпаке Грум-Гржимайло. На равномерность нагрева влияет много факторов, в том числе лучепоглощение и лучеиспускание, а так же тяга трубы. За углом здания (перегородкой) не будет чувствоваться тепло костра (лучеиспускания). В язычке пламени температура различна как по сечению, так и по высоте и не починяется закону "чем выше, тем горячее или наоборот". Порыв ветра изменяет распределение тепла вокруг костра. Все эти явления воздействуют так же на движение газового потока и распределение тепла в печах. Конечно, я в меру моей подготовленности, учитываю при конструировании печей оба эти фактора (в патенте один из факторов отражен). Трудно определить, какие факторы и в какой степени влияют на неравномерность нагрева, и какие надо учитывать на уровне инженерных расчетов, и какие не надо. Кроме того, как определить количественно, степень их воздействия на неравномерность нагрева, при конструктивных различных решениях. В решении Грум-Гржимайло так же надо учитывать влияние тяги трубы, так как выпуск газов из колпака не симметричен.

Практически, исходя из многолетнего опыта, вопреки всякой логике, колпак прогревается равномерно (на ощупь) в случае если выпуск газов выполнен вблизи переточного канала или вдали от него. Я всегда этому удивлялся. Поэтому в статье имеется фраза "колпаковую печь трудно испортить, но можно". Слово "можно" относится к последовательному размещению колпаков в одном уровне.

В статье принято условное разделение газового потока на две составляющие. Перенос тепловой энергии и удаление продуктов сгорания. Все рассуждения в статье касаются в большей мере к переносу тепловой энергии за счёт естественных сил природы, то есть практически переносу в статическом состоянии.

В статье "Основы конструирования печей" отражено, что "параллельные конвективные системы" имеют значительные преимущества по сравнению с "последовательными системами". Они приближаются по характеристикам к одноколпаковой печи с бесканальной конвективной системой. Однако у этих систем есть серьёзные недостатки. В них не происходит свободного движения газов (разделения потоков холодных и горячих газов), нет «газовой вьюшки». Кроме того, верх этих печей прогревается лучше нижней (одноколпаковой печи тоже), что отрицательно влияет на тепловой режим помещения, в котором образуется «яма» холодного воздуха. В этих системах, нельзя использовать электроэнергию в качестве резервного топлива.