Сопоставительный анализ эффективности некоторых типов отопительных печей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Каменщик Е.С.

Институт Энергетики АНМ Аннотация. В работе рассмотрены варианты конструктивного исполнения различных типов печей. Представлены основы расчета расчет расхода топлива, размеров топливника, конвективной системы, аккумулирования, тепловосприятия и теплоотдачи печи.

Ключевые слова: печь, отопление, методика расчета.

ANALIZA COMPARATIVA A EFICIENJEI UNOR CUPTOARE DE INCALZIRE

Camen^cic E.S.

Institutul de Energetica al A§M Rezumat. in lucrare sunt analizate diverse construct a sobelor §i cuptoarelor de incalzire prin ardere. Sunt prezentate calculele debitului de combustibil, dimensiuni focarului, sistemelor convective, acumularii caldurii, receptivitatii caldurii §i transfer de caldura a cuptorului.

Cuvinte-cheie: cuptor, incalzire, metoda de calcul.

COMPARATIVE ANALISYS OF THE EFFICIENCY OF SOME TYPES OF STOVES

Kamenschic E.S.

Institute of Power Engineering of the ASM Abstract. The paper analyzes construction of various stoves and ovens. There are prezented calculations of fuel consumption, firebox dimensions, convective system, heat accumulation, heat exchange and heat transfer of stoves.

Keywords: stove, heating, method of calculation.

Введение

В Республике Молдова согласно предварительным данным Национального бюро статистики на 1 января 2011 года, проживает 3560,4 тысячи человек. Согласно источнику, население городов и муниципиев республики составляет 1482,3 тысячи человек, сельское - 2078,1 тысячи. Если предположить, что 30 % сельского населения используют местное отопление (хотя эта цифра может быть и больше, и учитывая, что в городах тоже используют местное отопление), то можно оценить общее количество печей, используемых населением для отопления. Если в среднем семья состоит из 5 человек, то получается примерно 125 тысяч печей (2078100 • 0,3/5=124686 шт.). Понятно, что при нынешней цене на энергоресурсы, энергетические показатели печи должны соответствовать нормам и удовлетворять потребностям семьи, что в свою речь благоприятно скажется как на экономической, так и на экологической обстановке в стране.

1. Общие ведения об отопительных печах

Печное отопление - вид местной системы отопления, так как генератор теплоты, теплопроводы и поверхности, отдающие теплоту, размещены в одном устройстве - в печи, расположенной в отапливаемом помещении. Печи благодаря периодической топке и колебаниям теплоотдачи обеспечивают нестационарный тепловой режим в помещении. Основными элементами любой печи являются топливник, газоходы и дымовая труба [1]. Топливник (топочное пространство печей) представляет собой камеру, в которой горит топливо, с устройством дверец для подвода топлива и воздуха, а также отвода нагретых продуктов сгорания в газоходы. Нижняя часть топливника называется подом, он может быть перекрыт колосниковой решеткой, и тогда под

топливником устраивают поддувало (зольник при твердом топливе), через которое из помещения поступает воздух для горения топлива. В некоторых печах делают глухой под, и тогда в нижней части печи для съема теплоты устраивают сквозные каналы -шанцы.

Дымовые газы, образующиеся в результате сгорания топлива, из топливника отводятся через газоходы (дымообороты) в дымовую трубу.

Отопительные печи рассчитывают на различную периодичность топок в течение суток, которая зависит от теплоемкости печи. Под теплоемкостью понимают то количество теплоты, которое накапливается в массиве печи во время топки и передается в помещение печью до начала следующей топки. По теплоемкости печи могут быть теплоемкие и нетеплоемкие.

Нетеплоемкие печи - это печи, которые не аккумулируют теплоту и требуют непрерывной топки или топки с небольшими перерывами. Время от конца одной топки до начала следующей топки называется сроком остывания печи, у нетеплоемких печей срок остывания печей (1ост) лежит в пределах от нескольких минут до одного-двух часов, т. е. 1;ост < 2 ч. Нетеплоемкие печи имеют активный объем менее 0,2 м, а толщину стенок топливника — менее 0,04 м. Коэффициент полезного действия таких печей невысок щ= 0,4 - 0,5, что является следствием уноса теплоты с отходящими газами.

Теплоемкие печи в зависимости от срока их остывания делят на печи большой теплоемкости (1ост = 8-12 ч), требующие 1-2 топок в сутки, средней теплоемкости (^ст = 3-8 ч), требующие до 3 топок в сутки, и малой теплоемкости ^сст = 3-4 ч), требующие более 3 топок в сутки. Количество топок определяется допустимым колебанием температуры воздуха в помещении в течение суток (допустимое отклонение ±3°С). Все теплоемкие печи должны иметь объем нагреваемого массива, называемый активным объемом, не менее 0,2 м , а стенки топливника печи — толщину не менее 0,06 м.

Нетеплоемкие печи очень быстро нагревают помещение, но поддерживать необходимую температуру воздуха способны только во время топки.

Нетеплоемкие печи применяют, как правило, для отопления временных зданий и сооружений, а также зданий с кратковременным пребыванием людей. Теплоемкие печи используют для отопления помещений жилых и общественных зданий, тепловая аккумуляция таких печей должна компенсировать теплопотери помещений в интервале времени остывания печи. Считается, что новая топка печи должна быть начата в тот момент, когда средняя температура внешней поверхности печи будет на 10°С выше температуры воздуха в помещении.

По движению дымовых газов печи могут быть однооборотные, двух- и многооборотные с последовательным и параллельным движением газов в каналах, с бесканальным движением газов (колпаковые), с движением газов по комбинированной системе каналов, с устройством обтекания тепловоздушных камер, с усиленным прогревом нижней зоны печи.

2. Выбор отопительных печей и методика их расчета

Отопительные печи желательно выбирать из перечня типовых конструкций печей, основываясь на тепловой мощности печи, которая в пределах ±15% должна соответствовать рассчетным теплопотерям отапливаемых помещений [1]. При выборе типа печи определенной конструкции необходимо исходить из:

1) вида предполагаемого основного вид топлива и его расхода;

2) размеров основных элементов печи;

3) показателей тепловосприятие печи;

4) скорости движения газов в каналах печи;

5) показателя, характеризующего свойства аккумулирования тепла печью;

6) показателей теплоотдачи;

7) влияние неравномерности теплопередачи печи на изменение температуры воздуха отапливаемых помещений по амплитуде колебаний температуры воздуха (А!), которая для печного отопления не должна превышать 3°С.

Если показатель Л( < 3 °С, то выбранная печь удовлетворяет данному помещению, если Л( > 3°С, то необходимо повторить процедуру оценки показателей для нового варианта конструктивного исполнения печи. Новую печь надо подбирать более массивной и с меньшим значением коэффициента неравномерности теплопередачи, который приводится в перечне рекомендуемых отопительных печей или в паспорте на печь. Затем вновь рассчитывают и проверяют выбранную печь в той же последовательности, что и при первом варианте.

3. Расчет расхода топлива на отопление

В отопительных печах используют твердое, жидкое и газообразное топлива. К твердому топливу относятся дрова, каменный уголь, антрацит, торфяные брикеты, сланцы и т. д., к жидкому топливу - мазуты, а к газообразному топливу -природный смешанный газ, содержащий предельные углеводороды.

Расход топлива От (кг) за время одной топки определяют по формуле (см. [1]):

От = 3,6(т + п)-°- (1)

0.1 П

где: т - продолжительность топки печи, часы;

п - продолжительность остывания печи, часы;

0п - расчетная тепловая мощность печи (расчетные теплопотери отапливаемых помещений), Вт;

0 р Ы

ОН - низшая удельная теплота сгорания топлива, —3;

т

П - КПД печи.

Продолжительность топки печи определяется тепловой мощностью печи, видом и теплотой сгорания топлива. Для основных видов твердых топлив продолжительность топки теплоемких печей умеренного прогрева может быть определена по Таблице 1, (см. [1]).

Таблица 1. Средняя продолжительность топки теплоемких печей умеренного прогрева.

Топливо Значение т при тепловой мощности печи Qп ,Вт

<1750 1750-3500 3500-6000 >6000

Дрова 1 1,25 1,6 2

Каменный 1,5 1,9 2,4 3

уголь Антрацит 2 2,5 3,2 4

Коэффициент полезного действия печи п представляет собой отношение полезной теплоты, которая пошла на нагрев кладки, ко всему располагаемому количеству теплоты (см. [1]):

Опао_ 100%,

О

расп

Ф располагаемое количество теплоты определяют из уравнения теплового баланса печи, приведенного в [1]:

О = О + О + О + О ;

^расп х-'пол ^у.г н.с ^о.с ’

кДж

где О г - потери теплоты с уходящими газами, ——;

. м

п ~ кДж

Онс - потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, ——;

. . м

кДж

Оос - потери теплоты в окружающую среду, —— .

. . м

Для расчетов часто используют экспериментально установленные значения КПД: для печей с колосниковой решеткой при сжигании антрацита - п=0,75, а при сжигании других видов топлива - п = 0,7; для печей с глухим подом - п = 0,35 (см. [2]).

4. Определение размеров топливника

Установив расход топлива, можно определить объем топливника печи. Объем топливника можно найти, установив площадь его пода ¥под и высоту топливника Ътп. Площадь пода определяют по допустимой толщине слоя топлива Ъсл и плотности топливарт, приведенным в [2], по формуле:

Род =-^- (2)

р ■ Ъ

г т сл

Используя допустимое значение удельного напряжения колосниковой решетки Вр, приведенное также в [2], и продолжительность топки т, определяют площадь колосниковой решетки по формуле:

^ =_^ (3)

реш п ^ ’

т • В

Высоту топливника определяют по сумме допустимых толщин слоя топлива Ъсл и наименьшей высоте под этим слоем ксл, приведенных в [2], или по формуле (см. [2]):

^ = а, ■ <2Г„ п (4)

3,6 ■ т-Го, ■(О-)

*ТП

где щтп - КПД топливника, учитывающий неполное сгорание и провал в зольник части топлива (при глухом поде щтп = 0,7; с колосниковой решеткой щтп ~ 0,9).

От_

Кп

- фактическое удельное тепловое напряжение топливника;

Высоту топливника, размеры пода и колосниковой решетки устанавливают в зависимости от размеров и блоков топливника, т. е. полученные значения могут быть округлены в сторону увеличения, но так, чтобы фактическое удельное тепловое напряжение топливника 0Т/Утп отличалось от принятого не более чем на 15 %. Площадь поддувального отверстия определяют по формуле, приведенной в [2]:

¥ =■ 1 П.О

От ■ Ь0(1 + —) т 04 273

3600-т-у

(5)

где , Ь0 — объем воздуха, необходимый для горения 1 кг топлива,

м

кг

(в — температура воздуха в помещении, °С;

V — скорость движения воздуха в живом сечении поддувального отверстия (у = 1 -

2 М).

с

Воздух через поддувало снизу довольно равномерно пронизывает весь слой горизонтально уложенных поленьев. При этом избыток воздуха уменьшается, повышается температура горения, в результате увеличивается КПД топливника. Топливник делают сравнительно высоким для дожигания летучих веществ топлива.

Топливники старой конструкции для сжигания дров делали с глухим подом (Рис.1). Дрова, лежащие на поде, плохо омывались воздухом, поступавшим только через открытую дверцу, поэтому значительная часть воздуха не участвовала в процессе горения топлива и охлаждала топочное пространство. Избыток воздуха достигал большого значения и КПД топливника с глухим подом не превышал 35% (см. [2]).

У//АУ//Л /////, У//Л///Л //////А//

1 ШИ к // /// 1 ■ш т

Рис. 1. Топливники для сжигания дров с глухим подом. 1-топочная дверца; 2-под топки; 3-шанцы.

На рис. 2 представлен топливник для сжигания дров с колосниковой решеткой. Воздух через поддувало снизу довольно равномерно пронизывает весь слой горизонтально уложенных поленьев. Избыток воздуха уменьшается, повышается температура горения, в результате увеличивается КПД топливника. Топливник делают сравнительно высоким для дожигания летучих веществ топлива. На рисунке изображен топливник печи с нижним прогревом: продукты горения из топки сначала опускаются в подтопочный канал и только затем поднимаются в надтопочную часть печи.

5

7

Рис. 2. Топливник для сжигания дров с колосниковой решеткой.

4-поддувальная дверца; 5- проем для отвода продуктов сгорания топлива; 6-колосниковая решетка; 7-подтопочный канал для нижнего прогрева печи

И РТП //

г

Ш^7? /Л КА*

о •2

'%///////////■

Рис. 3. Топливник для сжигания каменного угля.

8-поддувало и зольник; 9-гидроизоляция

Топливник для сжигания каменного угля (рис.3) оборудуют колосниковой решеткой с увеличенной площадью живого сечения (для горения требуется большее количество воздуха, чем для дров). Толщина слоя угля доходит до 200 мм, поэтому колосниковую решетку несколько опускают по отношению к низу загрузочной дверцы. Выход летучих веществ при горении угля небольшой, и высоту топливника делают несколько меньшей, чем при сжигании дров. При сжигании бурого угля, топлива, имеющего высокую зольность (12 % и более), необходимо увеличивать размеры зольника. Топливник для сжигания антрацита (Рис. 4) устраивают с неглубокой шахтой, в основании которой помещают колосниковую решетку с увеличенной площадью. Это способствует образованию слоя топлива, в котором развивается высокая температура. Антрацит горит с малым выходом летучих веществ, поэтому объем топливника значительно сокращается в сравнении с используемым объемом при сжигании дров. Для сжигания кизяка (рис.5) применяют полушахтный топливник, имеющий наклонную и горизонтальную колосниковые решетки. В передней стенке топливника помещают третью дверцу шуровочную. На наклонной решетке кизяк подсушивается. Выделяющийся в процессе сушки водяной пар отводится через паровыпускную щель в верхней части топки. Сгорание высушенного сползающего кизяка происходит на горизонтальной решетке.

Топливник для сжигания соломы, опилок, подсолнечной лузги (рис. 6) дополняется наружным бункером для топлива. Под бункером помещается стальной конус с отверстиями диаметром 6 мм для подвода воздуха к топливу, поступающему в топку. Частички топлива подхватываются струями воздуха и сгорают налету. Дополнительный воздух может подаваться через щели в поде с регулированием при помощи поддувальной дверцы.

Рис. 4. Топливник для сжигания бурого угля.

1-топочная дверца; 4-поддувальная дверца; 5-проем для отвода продуктов сгорания; 7-подтопочный канал для нижнего прогрева печи; 9-гидроизоляция

Рис. 5. Топливник для сжигания кизяка.

1-топочная дверца; 4-поддувальная дверца; 10-шуровочная дверца; 11-футеровка

5

7

Рис.6. Топливник с бункером для сжигания местных горючих веществ. 4-поддувальная дверца; 5-проем для отвода продуктов сгорания; 7-подтопочный канал для нижнего прогрева печи

5. Типы газоходов теплоемких печей

Горячие дымовые газы поступают под действием естественной тяги из топливника в газоходы печи. Газоходы, как видно из классификации печей, представляют собой разветвленную систему дымооборотов, внутренние поверхности которых, непосредственно омываемые дымовыми газами, являются

тепловоспринимающими. Газоходы конструируют таким образом, чтобы за счет

теплообмена на тепловоспринимающих поверхностях температура дымовых газов понижалась до 110... 130°С, т.е. до уровня, ниже которого возможны недопустимые явления: конденсация водяного пара и интенсивное выпадение сажи (см. [2,3]). В помещение теплота передается при теплообмене на наружных теплоотдающих поверхностях печи. Теплоотдающими называют наружные поверхности газоходов, омываемые с внутренней стороны дымовыми газами, а с наружной воздухом помещения. Наружную поверхность перекрыши считают теплоотдающей, если ее толщина меньше 210 мм, а высота печи не превышает 2100 мм.

Теплоотдающие поверхности печи могут быть открытыми, обращенными в отступку (полость между стеной помещения и поверхностью печи) или в тепловоздушную камеру. Теплоотдача в открытую с двух сторон широкую (шириной 130 мм и более) отступку отличается незначительно от теплоотдачи с открытой поверхности печи. При закрытой по бокам отступке теплоотдача с поверхности выходящей. В отступке, стенки печи заметно уменьшается (на 25...50 %). При конструировании теплоемких печей придерживаются следующих общих правил [2, 3]:

• площадь теплоотдающих поверхностей должна соответствовать площади тепловоспринимающих;

• скорость движения дымовых газов должна быть, с одной стороны, возможно большей для увеличения плотности теплового потока на тепловоспринимающей поверхности, с другой стороны, ограничена для того, чтобы потери давления при движении газов соответствовали возникающему естественному циркуляционному давлению (тяге);

• объем массива должен быть достаточен для поддержания заданного теплового режима помещений.

При конструировании печей с последовательными дымооборотами (рис.7) число оборотов ограничивают. В старых многооборотных печах наблюдался неравномерный прогрев газоходов, вызывавший появление трещин в кладке. Вследствие повышения потерь давления в печах приходилось увеличивать высоту дымовых труб. Также увеличенным было число мест, где скапливалась сажа.

> Г —►—

А к к ' г

1—►—

► —►—

|||р щ 111Р

ш '//У/У/Й'

Рис. 7. Печи с последовательными дымооборотами

Последовательные дымообороты делают преимущественно вертикальными, а не горизонтальными, избегая явления подогрева нижних стенок горизонтальных каналов, что приводит к понижению КПД печей. Печи с параллельными дымооборотами (Рис.8) введены в практику русским архитектором И. И. Свиязевым. При их конструировании подъемный канал предусматривают одиночным, опускных каналов устраивают несколько. Кроме того, каналы прокладывают в направлении попутного движения дымовых газов, в результате чего обеспечиваются равномерность распределения газов по спускным каналам (и их прогревания), а также саморегулирование этого

распределения. Напротив, равномерность прогревания нарушается, если параллельные каналы сделать подъемными или с тупиковым движением газов в них.

Рис. 8. Печи с параллельными дымооборотами

Преимуществами печей с параллельными дымооборотами являются уменьшение потерь давления в газоходах, увеличение теплоаккумулирующего массива. Для устранения недостатка таких печей перегревания их верхней зоны предусматривают направление наиболее горячих газов из топливника в подтопочный канал, т.е. печи устраивают с нижним прогревом.

Бесканальные (колпаковые) печи, описанные в [3], разработаны русским инженером В.Е. Грум-Гржимайло (Рис.9). В надтопочной части такой печи газоходы отсутствуют. Горячие газы из топливника поднимаются в виде активной центральной струи. Дойдя до перекрыши печи и далее, соприкасаясь с тепловоспринимающей поверхностью стенок, газы охлаждаются и, утяжеляясь, опускаются вниз. При этом газы частично подмешиваются к восходящей струе, частично внизу удаляются из печи в дымовой канал. Для увеличения массива внутрь печи вводят контрфорсы устраивают колодцевую кладку. Основными достоинствами бесканальных печей являются простота конструкции, высокая теплоотдача вследствие повышения КПД (КПД конвективных систем 93,7%), незначительные потери давления. К их недостаткам (помимо общих) относится перегрев верхней части, а следовательно, верхней зоны помещений. Для уменьшения перегрева устраивают комбинированные газоходы перед колпаками и газы пропускают через подтопочный канал.

Рис. 9. Бесканальные (колпаковые) печи

Существуют также печи, описанные в [4,5], конструкция которых представлена на рис.10.

8

Рис. 10. Схема печи типа Rocket stove

1- топливо подается вертикально; 2- вертикальная камера сгорания. Топливо сгорает снизу, и под собственной силой тяжести опускается в камеру; 3 - камера догорания, в которой газы поднимаются и способствуют тяге воздуха через 1; 4 - изолированная труба; 5 - место для приготовления пищи; 6-изоляция для поддержания высокой температуры в камере догорания, что способствует полному догоранию топлива; 7-материал для аккумулирования тепла (обычно глина); 8- отверстие для удаления сажи; 9-горизонтальные дымообороты;

Такие печи могут иметь различную конструкцию, в зависимости от пожеланий хозяина. В качестве иллюстрации на рис.11 приведится вид такой печи.

Рис. 11. Конструктивное исполнение печи типа Rocket stove

Положительной стороной данной печи является то, что есть возможность задавать аккумулирующей части печи различные формы, исходя из архитектуры помещения. И так как этот тип печей конструируется в основном у пола помещения, то нет эффекта холодных потоков воздуха внизу помещения. Кроме того КПД данной печи достаточно высок.

6. Расчет тепловосприятия печи

За период времени от начала одной топки до начала другой, то есть с учетом срока остывания, от печи в помещение должно быть передано общее количество теплоты, равное теплопотерям помещения за этот промежуток времени, [3]:

0общ = 3,6 • О • (т + п)

Х-'тр ’ V /

где Оп - теплопотери помещения, Вт.

(6)

Тепло должно быть воспринято внутренними поверхностями топливника и газоходов за период времени от начала и до конца одной топки печи (за т часов), [3]:

°общ = т • 0

(7)

где Qв - действительное восприятие стенками топливника и газоходов печи,

кДж

0воспр 3 6 (Чт У т + Ч1^1 + Чк Ук + Чпр Упр + Чпосл Упосл)

(8)

где Чт, Ц1, Чк - плотность воспринимаемого теплового потока, ——. Значение плотности

м

восприятия теплового потока определяется по таблице 2, (см. [3]).

/т - площадь поверхности конвективной системы пучка.

Таблица 2. Показатели для расчета газоходов отопительных печей

антрацит 5200 2900 3700 500 2300 320 2300 1 20 110

скорость газов, Уг, м/с, движения газов.

Вид топлива топли вник кол- пак первый газоход V = 1,5 - 4 промежу- точные газоходы, V = 0,5 - 2 последний газоход, V = 1,5 - 2 Дымо- вая труба, V < 2

Ч— Чк Яг Чпр 1пр Чпосл Іпосл їдт

Дрова влажностью 25% 7000 3500 5200 700 2670 500 2670 160 130

Торф: кусковой брикетный 6400 7000 3250 3250 4650 4850 550 600 2300 2550 350 400 2300 2550 150 160 130 130

Уголь: подмосковный бурый каменный 5800 5800 6400 2900 2900 3250 4050 4050 4650 500 550 480 2300 2300 2300 320 360 300 2300 2300 2300 140 140 120 120 120 110

ч

Площадь поверхности конвективной системы можно определить по формуле:

р = /т + /1 + /к +... + /п (9)

Среднюю плотность воспринимаемого теплового потока можно найти как среднюю величину:

Чс = дт + Ъ + * + ... + ^п (10)

ср п

где п- количество каналов.

Теперь можно найти площадь, которую должна иметь конвективная система:

р = _0об^_ (11)

3,6-т-Ъср

Объем топочных газов в газоходах определяют исходя из объема воздуха,

расходуемого на 1 кг сжигаемого воздуха, и теплового расширения его при

температуре в канале:

I = 1о-оТ-(1+2^) (12)

м

кг

где Ь0 - объем продуктов горения при 0°С,

кг

Gт- расход топлива, —;

ч

tг -температура газов в канале, °С.

Имея объем газов, можно определить сечение соответствующего канала:

/ = 1 , (13)

3600-V

а принимая скорость в пределах, указанных в Таблице 2 для соответствующего канала, находим площадь поперечного сечения /.

При расчете конвективной системы печи следует добиваться того, чтобы длина и сечения каналов обеспечивали восприятие полного количества теплоты,

необходимого для отопления помещения. Температура отходящих газов на выходе в дымовую трубу - один из показателей экономичного процесса горения и достаточности площади поверхности тепловосприятия дымооборотов. Высокая температура

отходящих газов (250-300°С) свидетельствует о заниженных размерах конвективной системы; слишком низкая температура (до 100°С) указывает на излишне большую площадь поверхности тепловосприятия. Следствием этого может быть

неблагоприятный тепловой режим дымовой трубы: выпадение конденсата и смолистых веществ, которые поступают через кладку и разрушают оголовок трубы. Поэтому оптимальная температура отходящих газов на выходе в дымовую трубы 120-140°С([3]).

7. Расчет теплоаккумуляции отопительных печей

За время топки отопительной печи (т) количество теплоты, которое была воспринято внутренними поверхностями печи, должно быть аккумулировано активной массой печи и за период между топками (п) передано в помещение для восполнения теплопотерь данного помещения. Активной массой печи Мак (кг) называется масса активного объема печи Уак (объема печи, аккумулирующего тепловую энергию)[1]:

М = и -V ■ р (14)

ак п ак к

Где, и — коэффициент, учитывающий наличие пустот и полостей в активном объеме, для толстостенных круглых печей и = 0,75, для толстостенных прямоугольных

и = 0,7, для тонкостенных бескаркасных печей /лп = 0,65, для тонкостенных каркасных цп = 0,62;

кг

рк — плотность кирпичной кладки, рк = 1650 -1700—-

м

Vак — активный объем печи, м3.

Количество теплоты (к1), аккумулированной активной массой печи, определяют по формуле [1]:

О = М -с-Дt (15)

*~-ак ак V /

Где, с — теплоемкость материала активного объема, т. е. кладки печи, для глиняного кДж

кирпича с = 0,88-------;

кг - °С

М — среднее изменение температуры активного объема печи в промежутке времени от начала топки до наивысшего разогрева печи, для толстостенных печей Дt = 80 °С, для тонкостенных Мак > 1000 кг Дt = 120 °С, для тонкостенных печей с Мак < 1000 кг Дt = 160 °С.

8. Расчет теплоотдачи печи

Считается, что теплоемкая печь рассчитана и сконструирована правильно, когда тепловосприятие печи (7), ее аккумуляция (14) и теплопотери помещения за время топки и остывания печи равны между собой, т. е.:

3,6 •(т + п)- <2п = дтсп = <2ак = дтреб (16)

Теплоотдача печи складывается из произведений средних теплоотдач с поверхностей открыто расположенных стенок ч1, стенок, обращенных в отступки д2, а также поверхностей воздушных камер (внутреннего прогретого воздушного пространства печи, не сообщающегося с дымовыми газами) д3, на площади соответствующих поверхностей ¥], ¥2, ¥з, то есть:

0>п = Ч1 - ¥ + Я-2 - ¥2 + Чз- ¥з (17)

Таблица 3. Средние значения теплоотдачи открытых поверхностей печей

Тип печи Вт Ч1, —— при топке в сутки м

два раза один раз

Отштукатуренные, в металлическом

футляре, массой 1000 кг 580 410

Изразцовые и другие массой 1000 кг 640 465

Средние значения теплоотдачи открыто расположенных поверхностей теплоемких печей приведены в Таблице 3; значения ^2 и д3 определяют

приближенным расчетом к значениям дх, используя поправочный коэффициент к (Таблица 4).

При определении площади поверхности оребренных печей площади ребер не учитывают.

Таблица 4. Поправочный коэффициент к значениям д1

Поверхность печи Размеры и конструкция отступок, камер и перекрытий к

Обращенная в отступки, в воздушные камеры То же покрытия, перекрыша, своды Ширина 130 тт и более; открытые с обеих сторон, а также закрытые с боков и открытые снизу и сверху 1,0

Шириной от 70 до 130 тт, открытые с обеих сторон 0,75

Закрытые (вверху и внизу) решетки: 0,5

При толщине 140 тт и менее 0,75

от 140 до 210 тт 0,5

9. Проверка теплоотдачи печи

Проверяется соответствие действительной теплоотдачи печи необходимой средней (заранее установленной) теплоотдаче. Для проверки определяют плотность теплового потока на теплоотдающей поверхности сконструированной печи или печи выбранной типовой конструкции (с учетом изменений, внесенных в нее при уточнении высоты топливника). Плотность теплового потока на теплоотдающей поверхности печи Вт

Чотд,—г, вычисляют по формуле [2]:

м

9отд = О (17)

п

где, Оп - тепловая мощность печи, Вт;

Ап - суммарная расчетная площадь теплоотдающей поверхности печи, т2; при

расчете учитывают не только площадь открытой поверхности печи, но и боковой поверхности, обращенной в отступку (с коэффициентом 0,75 при узкой - шириной

0,07...0,13 м - или закрытой с боков отступке, с коэффициентом 0,5 при полностью закрытой отступке с решетками), а также перекрыши (с коэффициентом 0,75 при ее толщине 0,14 м). Полученное значение плотности теплового потока сопоставляют со средними значениями плотности, указанными в специальной литературе. К примеру, плотность теплового потока толстостенной печи при двукратной в сутки топке дровами

должна находиться в пределах 460...640 —— для тонкостенной печи эти значения

м

увеличиваются на 20 %, [2]. Одновременно удовлетворить трем уравнениям (7), (14) и (16), выражающим требования по тепловосприятию, теплоаккумуляции и теплоотдаче печи, затруднительно. Поэтому при тепловых расчетах по указанным уравнениям допускаются отклонения до ± 15 % [2].

10. Технические решения

Для увеличения поверхности теплоаккумулирования, можно в колпаке печи (колпаковые печи) или ее газоходах устроить конвективную часть, которая, например, будет подключена к системе теплых полов помещении. Полы можно соорудить из бетонной стяжки толщиной 10-15 см (см.[6]), которая будет аккумулировать тепло. Выгода от этого технического решения двойная - кроме того что увеличивается площадь аккумуляции, решается такой недостаток при печном отоплении, как холодные потоки воздуха в нижней части помещения. Кроме этого, конвективную часть можно подключить к баку аккумулятору, который будет аккумулировать горячую воду для хозяйственных нужд.

Выводы

1. При сравнении разных типов печей самой эффективной печью является колпаковая, обладающая наивысшим КПД.

2. Перегрев верхней части колпаковой печи является ее недостатком, поскольку перегреваются верхние зоны помещений. Данный недостаток приводит к нежелательной циркуляции потоков воздуха у пола.

3. При конструировании любой печи большое внимание необходимо уделить топке печи, так как неправильно сконструированная топка способствует неполному догоранию топлива, а, следовательно, уносу горючих веществ в трубу.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Свистунов В.М., Пушняков Н.К., Отопление вентиляция кондиционирование объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: учебник для вузов.-

2-е изд. - СПБ.: Политехника, 2007. - 423 с.

[2] Школьник А.Е. Печное отопление малоэтажных зданий: Практ. пособие.-2-е изд., перераб.-М.: Высш. шк., 1991.— 160 с.

[3] В.М Свистунов, Н.К. Пушняков, Отопление вентиляция кондиционирование объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: учебник для вузов.-2-е изд. - СПБ.: Политехника, 2007. - 423 с.

[4] http://123-realty.ru/articles.php?id=2426, последнее посещение 23.03.2011

[5] Ianto Evans, Leslie Jackson, Rocket Mass Heaters.: A Cob Cottage Company Publication,2006,2007.

[6] http://www.rocketstoves.com/, последнее посещение 11.05.2011

Сведения об авторе:

Каменщик Евгений. В 2011 закончил Энергетический факультет Технического Университета Молдовы. Специальность: инженер теплотехник. Область научных интересов: разработка теплотехнических устройств.