Общее описание отопительных печей

Печи предназначаются для различных целей: для отопления (отопительные печи), нагревания воды (печи-каменки), приготовления пищи (варочные печи), сушки продуктов, одежды, материалов (сушильные печи). Эти функции могут выполняться отдельно и могут быть совмещены в одной конструкции печи. Рассмотрим одноцелевые отопительные печи.

К конструкции отопительной печи предъявляются следующие требования:

- обеспечение достаточно равномерной температуры воздуха в обогреваемом помещении в течение суток (допустимое отклонение ±3 °С);

- экономичное сжигание топлива (с возможно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД));

- безопасность при эксплуатации;

- ограничение температуры поверхности: 90 °С в помещениях детских дошкольных и лечебно-профилактических учреждений; в других помещениях 110 °С на площади не более 15 % (120 °С — не более 5 %) общей площади поверхности печи; в помещении с временным пребыванием людей допустимо применение печи при температуре ее поверхности выше 120 °С.

Печь состоит из трех основных элементов: топливника (топки), газоходов (дымооборотов) и дымовой трубы. В топливнике может сжигаться твердое (как правило, на колосниковой решетке), жидкое и газообразное топливо. В зависимости от вида топлива изменяются размер и форма топливника. Под топливником устраивают поддувало (зольник при твердом топливе), через которое воздух из помещения поступает к горящему топливу. Регулирование количества поступающего воздуха осуществляется поддувальной дверкой.

Массивные печи возводят на собственном фундаменте, не связанном с фундаментом стен, отделяя фундамент от кладки печи слоем гидроизоляции. Облегченные печи могут устанавливаться без фундамента — непосредственно на полу помещения. В этих случаях под поддувалом устраивают шанцы — небольшие сквозные каналы, предотвращающие перегрев пола вследствие циркуляции через них воздуха помещения.

Горячие дымовые газы под влиянием естественной тяги перемещаются из топливника по газоходам печи. Газоходы могут состоять из одного или нескольких дымооборотов, по которым дымовые газы движутся и снизу вверх, и сверху вниз. Над верхним перевалом дымовых газов устраивают перекрытие — перекрышу печи. В нижних точках дымооборотов (в подвертке, где газы совершают поворот снизу вверх) помещают небольшие прочистные дверцы (чистки) для удаления сажи и летучей золы. В последнем газоходе перед дымовой трубой помещают задвижки для регулирования скорости движения дымовых газов и полного прекращения их движения после окончания топки печи.

Для ускоренного нагревания помещений в начальный период отопления в массе печей иногда устраивают тепловоздушные камеры, представляющие собой открытые в помещения полости, не сообщающиеся с дымооборотами. Для лучшего обогревания нижней зоны отапливаемых помещений печи (особенно расположенные у внутренних стен) часто делают с подтопочным дымооборотом, что обеспечивает усиленный прогрев нижней их части.

Классификация отопительных печей

Конструктивное исполнение печей чрезвычайно разнообразно. На конструкцию оказывают влияние вид используемого топлива и технология возведения печей. Отличаются основные материалы массива, толщина его стенок, форма печей в плане и их высота. Различны могут быть схемы движения дымовых газов внутри печей и способы их отвода в атмосферу. Здесь будут рассмотрены печи сжигающие твердое топливо.

Печи рассчитывают на определенную периодичность использования их в течение суток. Периодичность использования печи зависит от ее теплоемкости, т.е. от того количества теплоты, которое накапливается (аккумулируется) в массиве печи во время топки и передается затем в помещение вплоть до начала следующей топки. Принято считать, что новую топку печи необходимо начинать, когда средняя температура ее внешней поверхности понизится до температуры, превышающей на 10 °С температуру воздуха в помещении. Период времени от конца одной топки до начала другой называется сроком остывания печи.

По теплоемкости печи делят на теплоемкие и не теплоемкие. Понятие о сроке остывания относится к теплоемким печам, так как не теплоемкие печи теплоту не аккумулируют и требуют постоянной топки.

Теплоемкие печи в зависимости от срока их остывания подразделяют на печи большой теплоемкости (со сроком остывания до 12 ч), средней (8 ч) и малой (3…4 ч) теплоемкости. Таким образом, печи большой теплоемкости потребуется протапливать при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления 2 раза в сутки, печи средней теплоемкости — 3 раза, печи малой теплоемкости — топить с незначительными перерывами.

Более точно теплоемкость печей характеризует их активный объем, от которого зависит и коэффициент неравномерности теплопередачи печей. Активным объемом называют объем нагревающегося массива печи (включая пустоты), определяемый произведением площади печи на уровне низа топки на активную (расчетную) высоту. Активная высота печи принимается от низа топки или дна нижележащего подтопочного канала до верхней (при толщине перекрыши до 140 мм) или нижней (>140 мм) плоскости перекрыши. Печи, имеющие активный объем 0,2 м³ и более, относят к теплоемким. При активном объеме менее 0,2 м³ печи считают не теплоемкими. Теплоемкие печи применяют для отопления жилых и общественных зданий, не теплоемкие — для отопления зданий с кратковременным пребыванием людей.

По температуре теплоотдающей поверхности в соответствии с предъявляемыми требованиями различают печи умеренного прогрева (толстостенные печи с толщиной стенок 120 мм и более, нагревающиеся в отдельных местах до температуры 90 °С), повышенного прогрева (тонкостенные печи с толщиной стенок газохода до 70 мм, температура поверхности которых в отдельных точках доходит до 110… 120 °С) и высокого прогрева (печи, температура поверхности которых не ограничена).

Рисунок 4. Схемы движения дымовых газов в отопительных печах: 1 — топливник; 2 — тепловоздушная камера.

По схеме движения дымовых газов печи устраивают (рисунке 4): — с движением газов по каналам, соединенным последовательно: однооборотные (рисунке 4, а) с одним подъемным каналом, двухоборотные (рисунок 4, б) с двумя подъемными каналами и многооборотные с восходящим движением газов (рисунок 4, в) по нескольким подъемным каналам; — с движением газов по каналам, соединенным параллельно: однооборотные (рисунок 4, г) и двухоборотные (рисунок 4, д); — со свободным движением газов: бесканальные (колпаковые) (рисунок 4, е, ж); — с движением газов по комбинированной системе каналов с нижним прогревом (с подтопочным дымооборотом): последовательных (рисунок 4, з, и), параллель­ных (рисунок 4, к, л) и с бесканальной надтопочной частью (рисунок 4, м) — с движением газов по каналам, соединенным последовательно вокруг тепловоздушных камер (рисунок 4, и).

По материалу массива и отделке внешней поверхности печи бывают (в порядке убывания теплоемкости):

- кирпичные изразцовые;

- кирпичные оштукатуренные;

- бетонные из жаростойких блоков;

- кирпичные в металлических футлярах;

- стальные с внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича;

- чугунные без футеровки.

По форме в плане печи выполняют прямоугольными, квадратными, круглыми, угловыми (треугольными).

По способу отвода дымовых газов различают печи с удалением газов через внутристенные каналы, через насадные и коренные дымовые трубы. Внутристенные домовые каналы устраивают в кирпичной кладке стен зданий. Печи соединяют с каналами горизонтальными металлическими патрубками длиной не более 400 мм. Насадные трубы возводят непосредственно над печами. Коренные трубы сооружают относительно редко на самостоятельных фундаментах.

При массовом строительстве обычно используют типовые печи, заранее разработанные для сжигания определенного вида топлива, причем печи могут быть рассчитаны на периодическую топку, на непрерывное или затяжное горение топлива. Конструкции таких печей имеют теплотехнические характеристики, полученные на основе лабораторных испытаний.

Естественная тяга возникает вследствие различия в плотности относительно холодного наружного воздуха и горячих дымовых газов по высоте печи и дымовой трубы. Чем больше разность температуры газов и воздуха, а, следовательно, и их плотности и удельного веса, тем больше естественная тяга как разность аэростатического давления.

Дальнейшие расчеты заключаются в проверке соответствия располагаемой разности давления суммарным потерям давления при входе воздуха под колосниковую решетку, в слое топлива, при движении дымовых газов в газоходах печи и по дымовой трубе вплоть до их выхода в атмосферу. Расчет потерь давления в воздушно-газовом тракте выполняют так же, как они рассчитываются в газоходах котельных установок.

Соответствие суммарных потерь давления в печи и дымовой трубе располагаемой разности давления в большинстве случаев обеспечивается при соблюдении правил конструирования дымовых труб, а также скоростей движения дымовых газов.