CC BY
55
ИНЖЕНЕРНЫЕ СИСТЕМЫ. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ. ПРОБЛЕМЫ ЖКК.
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ.БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ.ЭКОЛОГИЯ
УДК 697.243.56 DOI: 10.22227/2305-5502.2018.4.5
Выбор рациональной схемы движения газов в бытовой печи
В.В. Шевяков
независимый исследователь
АННОТАЦИЯ
Введение. Представлен подход к правильному выбору системы движения газов в печи, дозированной подачи воздуха в печь, выбору размеров газоходов печи, длины их каналов и их количества. Согласование печи с печной трубой позволяет получить наиболее рациональную конструкцию печи.
Явление, которое возникает в любом нагретом вертикальном канале по отношению к температуре наружного воздуха, называют «тяга» для печной трубы и «самотяга» для участков печи. Тяга или самотяга (разряжение или напор) выражается в единицах давления в Па. В зависимости от того, какой конец канала связан с атмосферой, этот канал может создавать или разряжение, или напор.
Суммируя величины самотяги на всех участках печи, можно получить суммарное значение самотяги для всей печи. Все канальные печи по схеме движения горячих газов делят на две характерные группы: прямоточки и противоточки. Такое различие в движении горячих газов сильно влияет на суммарную величину самотяги печи. Поскольку на процесс горения дров влияет общая тяга печной системы, т.е. тяга трубы и самотяга самой печи, то исследование различных схем движения газов в печи, позволило предложить наиболее рациональную схему движения газов в печи, на которую получен патент на полезную модель, что позволяет получить более равномерный процесс горения дров в бытовой печи и в итоге повышает КПД печи.
Целью исследования является анализ различных схем движения горячих газов в печи и выбор наиболее рациональной схемы.
Материалы и методы. Проведен подробный анализ и исследование влияния различных схем движения газов в бытовой печи на характеристики печи.
Результаты. Результаты исследования и анализа использованы для выработки рекомендаций по выбору наиболее рациональной схемы движения газов в печи и выбору ее конструктивных параметров. Выводы. Результаты работы можно рекомендовать при разработке бытовых печей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: бытовые печи, канальные и колпаковые, прямоточки и противоточки, тяга и самотяга в печной системе
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Шевяков В.В. Выбор рациональной схемы движения газов в бытовой печи // Строительство: наука и образование. 2018. Т. 8. Вып. 4. Ст. 5. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2018.4.5
The choice of the rational scheme of gas flow in residential furnace
Vladimir V. Shevyakov
independent researcher
gg ABSTRACT
Introduction. The study presents an approach to the correct selection of the gas flow system in the furnace, the dosed air supply to the furnace, the choice of the sizes of the furnace flues, the length of their channels and their number. Coordination of the furnace with the chimney provides the most efficient design of the furnace.
The phenomenon that occurs in any heated vertical channel with respect to the ambient air temperature is called "draft" for the chimney and "flue effect" for the sections of the furnace. The draft or flue effect (vacuum or pressure) is expressed in units of pressure (Pa). This channel can create either a vacuum or a head depending on which end of the channel is con-^ nected to the atmosphere.
Summarizing the values of flue effect on all areas of the furnace, the total value of flue effect for the entire furnace can be obtained. All channel furnaces according to the hot gas flow scheme are divided into two characteristic groups: direct flows and counter flows. Such a difference in the flow of hot gases has a great influence on the total value of the flue effect of the furnace. Since the total draft of the furnace system affects the process of wood combustion, i.e. the chimney draft and the flue effect of the furnace itself, the study of various schemes of the flow of gases in the furnace, has provided the most rational scheme of the flow of gases in the furnace, which got a patent on a utility model, which provides a more uniform process of wood combustion in the residential furnace and thus increases furnace efficiency.
The study is aimed to analyze the various schemes of the flow of hot gases in the furnace and the choice of the most rational scheme.
Materials and methods. A detailed examination and study of the effect of various gas flow schemes in a residential furnace on the characteristics of the furnace has been carried out.
Results. The results of the study and examination have been used to develop recommendations on the choice of the most rational scheme of gas flow in the furnace and the choice of its design values.
и a л es es s n
56
© В.В. Шевяков, 2018
Conclusions. The results of the work can be recommended in the development of residential furnaces.
KEYWORDS: residential furnaces, channel and bell-type furnaces, direct flows and counter flows, draft and flue effect in the furnace system
FOR CITATION: Shevyakov V.V. The choice of the rational scheme of gas flow in residential furnace. Construction: Science and Education. 2018; 8(4):5. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2018.4.5 (rus.).
ВВЕДЕНИЕ
Существует большое разнообразие конструкций печей, отличающихся как по габаритам и, следовательно, по массе, скорости нагрева и охлаждения, так и по внутреннему устройству топливника и схемы расположения газоходов печи. В ГОСТе 2127-471 приведена подробная классификация отопительных печей по движению газов внутри печи, по толщине ее стенок и по другим параметрам. Конструктивно все печи можно разделить на канальные и колпаковые. Встречаются и смешанные конструкции.
Наиболее подходящими для создания малогабаритных печей являются канальные печи. Их мы и рассмотрим. Канальные печи по схеме движения газов можно разделить на две характерные группы: прямоточки, в которых горячие газы двигаются преимущественно вверх, и противоточки, в которых горячие газы из топки сначала опускаются вниз печи, а потом поднимаются вверх. Это печи с нижним прогревом.
Некоторые их особенности, связанные с величиной суммарной самотяги печи, значительно влияющие на процесс горения дров, недостаточно изучены.
Каждый нагретый вертикальный участок газохода печи обладает самотягой и так же, как и тяга трубы, зависит от длины участка и его температуры. Суммарная величина самотяги для некоторых типов печей значительно отличается.
Правильный выбор схемы движения горячих газов в печи позволяет более рационально спроектировать печь и всю печную систему.
Цель данной работы — анализ и исследование различных схем движения газов в печи и их влияние на характеристики печи, выработка рекомендаций по созданию наиболее рациональной схемы движения газов.
В работах [1, 11] подробно описаны и разобраны основы построения печей, а также приведены различные конструкции печей, разработанных и применявшихся в начале и середине XX в. Проведен подробный разбор различных конструкций то-
1 ГОСТ 2127-47. Печи отопительные, теплоемкие. Нор-
мы проектирования.
пливников и анализ особенностей их работы и применения.
Другими специалистами [4-6] исследованы вопросы расчета и конструирования промышленных печей и котельных установок. Многие идеи, изложенные в этих книгах, могут быть перенесены на бытовые печи.
В труде [10] дан краткий обзор работ авторов, заложивших основы конструирования печей и печного отопления в XIX — начале XX в. Приведены конкретные примеры по выбору печных конструкций и расчету печей. Рассмотрены примеры печей различной мощности, рекомендованных для изготовления.
Улучшенная конструкция русской печи и печи «Двухъярусный колпак» предложена в книге [12].
В 1939-1950 гг. были разработаны, исследованы и рекомендованы для массового строительства печи заводского изготовления в стальном каркасе, облицованные теплостойкими декоративными материалами, что значительно упрощало изготовление таких печей [13, 14].
Вопросы перевода бытовых печей на жидкое топливо и газ подробно разобраны в издании [15]. Показано, что в большинстве случаев при газификации сельской местности выгоднее не ломать печи, а переводить их на газ. Приводятся примеры переделки различных печей.
В работе [16] описаны процессы и явления, происходящие в дровяных печах, изучены вопросы сгорания дровяного топлива, движение горячих газов в топочных устройствах и в конвективных системах печей. ?
В публикациях [17-19] описаны различные = конструкции бытовых печей и примеры их изготовления. Е|
"И
Развитие печного строительства за границей = =
происходит в направлении создания печей из боль- о0, шого ассортимента готовых шамотных блоков, что
позволяет значительно упростить саму постройку о
печи. Причем это в основном подовые печи ЭКО+ 8
с малыми выбросами угарного газа [20-22]. За счет I
боковой равномерной подачи воздуха к закладке 1
дров удается снизить количество угарного газа на е
выходе печи. Однако стоимость готовых шамотных ^
блоков весьма высокая, а их теплоемкость для на- 3 ших условий эксплуатации недостаточная.
Одним из новых направлений стала разработка и строительство так называемых ракетных печей [23-25]. Они, по словам авторов, обладают рядом положительных качеств, например, сгорание почти любого твердого топлива при малых выбросах угарного газа на выходе печи. Однако эти печи еще недостаточно исследованы. Нет и окончательно отработанных конструкций пригодных для наших условий.
Методики теплотехнических расчетов для различных видов топлива, в том числе и для дров, применительно к бытовым печам изложены в книге [26].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Учитывая, что процесс горения дров в печи нестабилен во времени, для получения максимального количества тепла на всем участке горения дров необходимо регулировать приток воздуха в топку: ... для полного горения топлива нужен приток воздуха в определенном количестве: не слишком малом, не чрезмерно большим... [1]. Излишний воздух, поступающий в печь, только охлаждает топку и снижает количество получаемого тепла.
На рис. 1 показаны графики температур продуктов сгорания дров в топке в зависимости от коэффициента избытка воздуха [2].
Для комнатных печей оптимальный коэффициент избытка воздуха равен примерно 2 [1], что подтверждается многочисленными испытаниями печей [3].
Применить автоматическую систему регулирования входного воздуха — задача вряд ли выполнимая для условий бытовых печей.
Однако анализ различных схем движения газов в печи позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, который дает возможность осуществлять более дозированную подачу воздуха в печь без применения систем автоматики.
Исследовались и сравнивались различные схемы движения газов в печах и их влияние на характеристики печей: прямоточки и противоточки. Для проведения различных замеров использовались: газовый анализатор, анемометр, дифференциальный манометр.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Особенности канальных печей. Прямоточки и противоточки
В ГОСТе 2127-47 приведены различные схемы движения горячих газов по газоходам печи и дана подробная классификация бытовых канальных печей. Все канальные печи по схеме движения горячих газов можно разделить на две характерные группы: прямоточки, в которых горячие газы двигаются преимущественно вверх; и противоточки, в которых горячие газы из топки сначала опускаются вниз печи, а потом поднимаются вверх. Это печи с нижним прогревом. Некоторые особенности печей с нижним прогревом связаны с величиной самотяги, которая возникает в печи во время горения дров и нагрева печи. Каждый участок газохода нагревается горячими газами из топки. По пути прохождения газов по газоходам, газы охлаждаются и их температура снижается до температуры выхода в трубу. Каждый нагретый вертикальный участок газохода печи обладает самотягой [4, 5]. Величина самотяги печи, так же
п
°С 2500
2000
1500
1000
500
и я •В ш
с ®
03 п
\
V
1 К к
т * »
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 а
21 14 10,5 8,4 7 6 5,25 4,7 4,2 3,8 3,5 СО.
0 7 10,5 12,6 14 15 15,75 16,3 16,8 17,2 17,5 о2
ж= 0°/
ж= 10
ж= 20
ж= 30
ж= 40
ж= 50
Рис. 1. Температура продуктов сгорания дров
как и тяга дымовой трубы, зависит от температуры на данном участке газохода и от его длины и выражается в единицах давления в Па. Вектор самотяги и тяги всегда направлен вверх. На тех участках, где движение горячих газов направлено вниз навстречу вектору самотяги, величина самотяги будет отрицательной. Там, где горячие газы двигаются вверх, самотяга печи способствует движению горячих газов, величина самотяги будет положительной.
Суммируя величины самотяги на всех участках печи, можно получить суммарное значение самотяги для всей печи. Эта величина для некоторых типов печей значительно отличается.
На процесс горения дров влияет общая тяга печной системы, т.е. тяга трубы и самотяга самой печи, поэтому выбор схемы движения горячих газов в печи позволяет более рационально спроектировать всю печную систему.
Для этих целей наиболее подходят печи нижнего прогрева (противоточки), в которых дымовые газы проходят под зольной камерой и нагревают низ печи. А сама печь установлена на ножках или на шанцах. Это приводит к более равномерному нагреву помещения. При этом для аккумуляции тепла используется вся масса печи, что в итоге и позволяет снизить массу печи и устанавливать ее без фундамента, т.е. полностью используется весь объем печи. У печей с нижним прогревом (противоточки) меньшая величина самотяги по сравнению с други-
ми печами за счет наличия вертикальных каналов со встречной самотягой.
При разогреве печи и трубы, в процессе сгорания дров, суммарная тяга печи и трубы увеличивается и увеличивается интенсивность сгорания дров. Однако при этом возрастает и внутреннее сопротивление печи. И это ограничивает увеличение расхода воздуха через печь, т.е. в печи проявляется эффект саморегулирования процесса сгорания дров. Именно суммарная тяга трубы и печи и внутреннее сопротивление печи определяют расход воздуха через печь, определяющий режим сгорания дров в печи, и все энергетические процессы [6]. Для получения стабильного режима горения дров, и, следовательно, получения более высоких энергетических показателей печи, желательно суммарную тягу печи и трубы поддерживать таким образом, чтобы расход входного воздуха через печь соответствовал количеству сгораемых дров. Для этого суммарная тяга трубы и печи должна снижаться в процессе сгорания дров.
На рис. 2 приведены две характерные схемы движения дымовых газов в печи прямоточка и в печи противоточка с нижним прогревом (ГОСТ 2127-47). Пунктирными стрелками показаны направления самотяги в каналах печи.
Из рис. 2 видно, что практически на всех участках печи прямоточки векторы самотяги направлены по ходу движения газов и эти самотяги положитель-
и и
Рис. 2. Самотяги в канальных печах
Рис. 3. Печь ПТО-2300 (прямоточка)
ны, а в противоточке в опускном канале вектор самотяги направлен против движения газов, там самотяга отрицательна. Это приводит к уменьшению общей самотяги печи.
На рис. 3 представлена в разрезе печь ПТО-2300, стрелками показаны направления самотяг в каналах печи [7].
В такой печи (рис. 3) направление самотяг вертикальных каналов полностью совпадает с направлением движения газов.
Величина самотяг каналов, так же как и тяга трубы, определяется по известному выражению:
»
----, Па,
где £п — величина самотяги вертикального участка печи, Па; С = 0,0342; ро — атмосферное давление, ро = 100 000 Па; Ип — высота вертикального участка печи, м; Т — температура наружного воздуха, К; Г — средняя температура газов в канале, К.
В табл. 1 приведен расчет самотяг отдельных участков печи ПТО-2300 и суммарная самотяга печи и трубы высотой 3,5 м. Температуры в каналах печи выбираются по результатам испытания печи и с уче-
том равномерного падения температуры по длине каналов.
Как видно из табл. 1 суммарная величина самотяги печи прямоточки ПТО-2300 примерно равна 17,0 Па и составляет около 74 % от тяги трубы, что соизмеримо с тягой трубы высотой 3,5 м в 23,0 Па [7].
На рис. 4 приведены графики испытаний печи прямоточки ПТ0-2300.
Из графиков на рис. 4 видно, что к концу горения дров количество тепла от сгорания дров в топке снижается, что приводит к уменьшению температуры на входе в печную трубу и, соответственно, к снижению тяги трубы. Но расход воздуха через печь продолжает увеличиваться из-за разогрева самой печи и увеличения общей самотяги печи, что приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха и, соответственно, к снижению температуры продуктов сгорания и снижению температуры на выходе печи. При этом расход воздуха через печь увеличивается примерно на 38 %. Поэтому такая конструкция печи и такая схема движения газов непригодна для повышения КПД печи.
На рис. 5 представлена в разрезе печь противо-точка ПДКШ-2,0, стрелками показаны направления самотяг в каналах печи [7].
Как видно из рис. 5, в опускном канале вектор самотяги направлен встречно движению газов и самотяга отрицательна.
В табл. 2 приведен расчет самотяг отдельных участков печи ПДКШ-2,0 и суммарная самотяга печи и трубы высотой 3,0 м. Температуры в каналах печи выбирались по результатам испытания печи и с учетом равномерного падения температуры по длине каналов.
Как видно из табл. 2, суммарная величина самотяги печи противоточки ПДКШ-2,0 равна примерно 6,5 Па и составляет около 37 % от тяги трубы.
Величины тяги трубы и суммарной самотяги печи были измерены на работающей печи с помощью цифрового дифференциального манометра Про-ма 0,25 на минимальном диапазоне измерения 60 Па. Тяга трубы измерялась над выходной задвижкой перед трубой, при кратковременном закрытии задвижки. Суммарная самотяга печи измерялась под выходной задвижкой при ее кратковременном закрытии.
Табл. 1. Тяга и самотяга печной системы ПТ0-2300
Номер участка
Высота участка, м
Средняя температура, °С
Величина тяги (самотяги), Па
0,63
875
6,1
0,49
675
4,3
«Sc«
'я
яЛ
3
0,84
425
6,3
Суммарная самотяга печи
16,7
Труба
3,5
300
23
Суммарная тяга и самотяга печной системы
~40
1
2
3
ГГГО-2300. Дрова 7,5 кг. IV =20 % (топка из холодного состояния)
'С
О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68
Время горения дров, мин
Рис. 4. Печь ПТО-2300 прямоточка
Рис. 5. Печь ПДКШ-2,0 противоточка
Табл. 2. Тяга и самотяга печной системы ПДКШ-2,0
Номер участка Высота участка, м Средняя температура, °С Величина тяги (самотяги) (расчет), Па Величина тяги (самотяги) (измерение), Па
1 0,52 900 5,0 —
2 0,78 600 -6,9 —
3 1,17 350 8,4 —
Суммарная самотяга печи 6,5 6,0
Труба 3,0 230 17,4 16,5
Суммарная тяга и самотяга печной системы ~24 22,5
и и
На рис. 6 приведены характеристики печи ПДКШ-2,0.
Как видно из рис. 6, расход воздуха в печах с такой схемой движения газов (печь противоточ-ка) увеличивается на 18 %, при этом коэффициент избытка воздуха увеличивается в 15-20 раз. Печи с такой схемой движения газов позволяют получить более стабильный процесс горения дров и более высокий КПД печи.
В работе [8] показано, что по величине СО2 на выходе печи можно примерно определить температуру продуктов сгорания по выражению:
Т ~ 103 • СО, °С.
п.сг. 2У
Из графиков (рис. 6) видно, что с 52-56 мин температура продуктов сгорания начинает снижаться, что ухудшает процесс горения дров.
Можно примерно подсчитать, как должен меняться расход воздуха через печь, чтобы происходило горение дров на участке догорания летучих при коэффициенте избытка воздуха равным примерно двум (рис. 6).
Из рис. 6 видно, что снижение расхода воздуха через печь приводит к снижению потерь с уходящими газами и повышает КПД печи.
Такую зависимость на рисунке за счет конструкции печи получить весьма сложно, но снизить расход воздуха за счет применения другой схемы движения газов в печи вполне возможно.
Выбор рациональной схемы движения газов
Несмотря на меньшее значение самотяги печей с нижним нагревом (противоточка), в них не удается в процессе сгорания дров в необходимой мере ограничить увеличение самотяги и, соответственно, суммарной тяги. Это позволило бы получить еще более равномерное горение дров и даже
снижать количество поступающего воздуха в печь в процессе сгорания дров и получить большие значения КПД. На рис. 7 представлена схема движения горячих газов в печи с нижним прогревом, предложенная автором, в которой конвективная система с дымооборотами, в отличие от рис. 2, расположена под топливником между боковыми каналами [9].
Размещение конвективной системы с дымообо-ротами под топливником между боковыми каналами приводит к увеличению длины боковых каналов и к большему снижению температуры горячих газов в подъемном канале по сравнению с опускным каналом.
Поскольку воздушную камеру можно рассматривать как конвективную систему, то тот же эффект будет, если под топливником разместить воздушную камеру, а горячие газы будут проходить под ней. Это также приводит к увеличению длины боковых каналов и к снижению температуры горячих газов в подъемном канале, что позволяет получить более высокие энергетические показатели печи. Кроме того, в печах такой конструкции сильнее прогревается нижняя часть печи, что улучшает теплообмен в помещении. Именно такая схема движения горячих газов была принята, как наиболее рациональная при разработке и создании перспективной конструкции малогабаритной печи.
Конвективная система печи может быть выполнена по различной схеме [10]. Наиболее рациональной надо признать конвективную систему с вертикальными параллельными опускными каналами. В такой системе каналов происходит самовыравнивание температур каналов за счет того, что горячие газы направляются в наиболее холодный канал. Это приводит к равномерному прогреву всех каналов и всей конвективной системы. К конвективной си-
п
Рис. 6. Печь ПДКШ-2,0 противоточка
Рис. 7. Печи противоточки
стеме печи (рис. 7) необходимо отнести опускной и подъемный каналы.
Положительным свойством такой конвективной системы является то, что горячие газы, проходя через конвективную систему, внизу замедляют свою скорость. Сильнее всего скорость снижается около внутренней нижней поверхности печи, что приводит к тому, что там выпадают несгоревшие частицы сажи. Подбирая высоту нижнего канала, можно снизить скорость движения газов и снизить количество сажи попадающей через трубу в атмосферу. Именно такая схема движения горячих газов была принята, как наиболее рациональная при разработке и создании новых перспективных печных конструкций.
ВЫВОДЫ
1. В канальных печах противоточках суммарная самотяга печи значительно меньше, чем в печах прямоточках.
2. Снижение величины самотяги в печах позволяет улучшить процесс горения дров.
3. Предложенная схема движения газов в печи позволяет в наибольшей степени снижать расход воздуха через печь на этапе догорания летучих и тем самым повысить КПД печи.
4. Предложенная схема движения газов в печи может быть рекомендована при проектировании и изготовлении бытовых печей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Протопопов В.П. Печное дело. М. ; Л. : ОНТИ; Госстройиздат, 1934. 280 с.
2. Шевяков В.В. Сгорание дров в топке бытовой печи // Universum: Технические науки. 2015. № 4-5 (17). URL: http://7universum.com/ru/tech/ar-chive/item/2161 (дата обращения: 20.06.2018).
3. Шевяков В.В. Испытание печи-трансформер. Сравнение колосникового и подового сжигания дров // Форум печников и строителей. URL: http:// www.stroiteli.info/showthread.php/4207-Испытание-печи-трансформер-Сравнение-колосникового-и-подового-сжигания-дров (дата обращения: 13.06.2018).
4. Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. М. : Гос. изд-во лит. по стр-ву и архитектуре, 1953. 248 с.
5. Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. Л. : Энергоатомиздат, 1985. 400 с.
6. Нагорский Д.В. Общая методика расчета печей. М. ; Л. : АН СССР, 1941. 317 с.
7. Шевяков В.В. Газодинамика бытовой печи. Разработка метода расчета // Universum: Технические науки. 2015. № 11 (22). URL: http://7universum.com/ru/ tech/archive/item/2771 (дата обращения: 23.06.2018).
8. Шевяков В.В. Определение температур в топке бытовой печи // Universum: Технические науки.
м ta
2016. № 7 (28). URL: http://7universum.com/ru/tech/ archive/item/3402 (дата обращения: 23.07.2018).
9. Пат. РФ 165250, МПК F24B 1/02. Отопительная печь с нижним нагревом / Шевяков В.В. ; заявитель и патентообл. Шевяков В.В. ; заявл. № 2016109618/03 17.03.2016; опубл. 10.10.2016. Бюл. № 28.
10. Школьник А.Е. Печное отопление малоэтажных зданий. М. : Высшая школа, 1991. 161 с.
11. Полтавцев А.Н. Печи и кирпичные калориферы. Основы устройства, расчет, топка и уход. М., 1926. 60 с.
12. Подгородников И.С. Бытовые печи. Двух-колпаковые. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Колос, 1992. 159 с.
13. Семенов Л.А. Теплоустойчивость и печное отопление жилых и общественных зданий. М. : Машстройиздат, 1950. 264 с.
14. Семенов Л.А. Теплоотдача отопительных печей и расчет печного отопления. М. : Стройиздат НарКомСтроя, 1943. 80 с.
15. Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Бытовые печи, камины и водонагреватели. М. : Стройиздат, 1985. 368 с.
16. Хошев Ю.М. Дровяные печи. Процессы и явления. М., 2015. 392 с.
17. Рязанкин А.И. Секреты печного мастерства : практ. пос. М. : Народное творчество, 2004. 360 с.
18. Колеватов В.М. Печи и камины. СПб. : Диамант, 1996. 384 с.
19. Ковалевский И.И. Печные работы. М. : Высшая школа, 1983. 208 с.
20. Хазельбёк Р. Топки ЭК0+. URL: http://doc-player.ru/53409540-Der-umweltplusbrennraum-topki-eko-rudolf-hazelbyok-mitgliedbei.html (дата обращения: 25.07.2018).
21. Austrian Eco Firebox Testing. URL: http:// www.heatkit.com/research/lopez-2014-03-01.html (дата обращения: 20.07.2018).
22. Подовые топки ЭКО. URL: MB_10_eco-friendly combustion chamber_20120424Version2.pdf (дата обращения: 21.06.2018).
23. Янто Эванс, Лесли Джексон. Ракетные печи. Сверхэффективные печи своими руками: пер. с англ. Cob Cottage Compani, 2006-2014.
24. Печь-ракета. Уникальная конструкция. URL: https://fermer.ru/forum/samodelkin-racional-izator-obshchie-voprosy/215438 (дата обращения: 22.06.2018).
25. Реактивные печи. URL: http://donkey32. proboards.com/thread/2180/another-attempt-apply-rocket-technology (дата обращения: 23.06.2018).
26. РавичМ.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. 5-е изд., доп. М. : Наука, 1966. 415 с.
Поступила в редакцию 24 сентября 2018 г. Принята в доработанном виде 25 октября 2018 г. Одобрена для публикации 30 ноября 2018 г.
Об авторе: Шевяков Владимир Викторович — кандидат технических наук, независимый исследователь, shevvladimir@gmail.com, orcid.org/0000-0001-5946-2742.
INTRODUCTION
There is a wide variety of furnace designs, differ-^ ing both in size and, therefore, in mass, in heating and M cooling rates, and in the internal structure of the firebox « and the layout of the furnace flues. GOST 2127-472 pro-c vides a detailed classification of heating furnaces ac-¿5 cording to the flow of gases inside the furnace, according to the thickness of its walls and other parameters. ■g Structurally, all furnaces can be divided into channel ® and bell-type ones. There are also mixed designs.
Channel furnaces are most suitable for creating "1 small furnaces. It is those that we will consider here.
U (B
c H According to the gas flow scheme, channel furnaces can sb be divided into two characteristic groups: direct flows,
BO i- sb
C -
g 2 GOST 2127-47. Heating stoves, heat capacity. Planning Sb Standards.
in which hot gases flow mainly upwards, and counter flows, in which hot gases from the combustor first descend in the bottom of the furnace, and then rise upwards. These are bottom-heated furnaces.
Some characteristics related to the value of the total flue effect of the furnace, significantly affecting the process of wood combustion, are not sufficiently studied.
Each heated vertical run of the furnace flue has a flue effect and, like a chimney draft, depends on the length of the run and its temperature. The total value of the flue effect is significantly different for some types of furnaces.
The correct choice of the scheme of the flow of hot gases in the furnace allows for more suitable design the furnace and the entire furnace system.
The work is aimed at analyzing and studying various gas flow schemes in a furnace and their influence on
the characteristics of the furnace, making recommendations for creating the most rational gas flow scheme.
The works [1, 11] describes and reviews the foundations for the construction of furnace in detail, and shows various furnace designs developed and applied in the early and mid-twentieth century. A detailed analysis of various designs of the fireboxes and an analysis of the characteristics of their work and use has been carried out.
Other experts [4-6] investigated the problems of calculating and designing industrial furnaces and boiler plants.
Many of the ideas in these books can be converted to residential furnaces.
The work [10] gives a brief review of the works of the authors who laid the foundation for the design of furnaces and furnace heating in the 19th — early 20th centuries. Concrete examples are given on the choice of furnace structures and the calculation of furnaces. Examples of furnaces of various capacities recommended for manufacture are considered.
An improved structure of the Russian furnace and the "Two-tier bell" furnace was proposed in the book [12].
In 1939-1950, steel-framed prefabricated furnaces were developed, investigated and recommended for mass construction of a steel-framed prefabricated furnace, lined with heat-resistant decorative materials, which greatly simplified the manufacture of such furnaces [13, 14].
The issues of converting residential furnaces to liquid fuel and gas are discussed in detail in the edition [15]. It shows that in most cases it is more profitable not to break the furnaces, but to convert them to gas during the gasification of rural areas. Examples of redesigning various furnaces are given.
The work [16] describes processes and phenomena occurring in wood-burning furnaces, studies the issues of fuel wood combustion, the flow of hot gases in burning installations and convection heating systems.
Publications [17-19] describe various designs of residential furnaces and examples of manufacture.
The development of furnace construction abroad is in the direction of the creation of furnaces from a large assortment of ready fireclay blocks, which makes it possible to significantly simplify the construction of the furnace itself. Moreover, these are mainly hearth furnaces of ECO+ with low carbon monoxide emissions [20-22].
It is possible to reduce the amount of carbon monoxide at the furnace outlet through the lateral uniform air supply to the laying of firewood. However, the cost of finished fireclay blocks is very high, and their heat capacity is insufficient for our operating conditions.
One new development has been the development and construction of so-called rocket furnaces [23-25]. According to the authors, they have a number of positive qualities, for example, the combustion of almost
any solid fuel with low carbon monoxide emissions at the furnace outlet. However, these furnaces have been insufficiently explored. There are no finalized designs suitable for our conditions.
The methods of thermotechnical calculations for various types of fuel, including for wood, in relation to residential furnaces are described in the book [26].
MATERIALS AND METHODS
Considering that the process of wood combustion in the furnace is not stable over time, in order to obtain the maximum amount of heat throughout the area of wood combustion, it is necessary to regulate the flow of air into the furnace: ... a flow of air shall be ensured in a certain amount to provide the complete burning of fuel: not too small, nor excessively large ... [1]. Excess air entering the furnace only cools the furnace and reduces the amount of heat produced.
Fig. 1 shows the graphs of the temperature of wood combustion products in the furnace, depending on the air-fuel ratio [2].
For room furnaces, the optimum excess air-fuel ratio is about 2 [1], as confirmed by numerous furnace control tests [3].
It is hardly possible to apply an automatic system for regulating the intake air in the context of the conditions of residential furnaces.
However, the analysis of various gas flow schemes in the furnace allows choosing the most rational option, which makes it possible to carry out a more dosed air supply to the furnace without the use of automation systems.
Various schemes of gas flow in furnaces and their influence on the characteristics of furnaces were studied and compared: direct flows and counter flows. Gas analyzer, anemometer, differential manometer were used for various measurements.
FINDINGS OF INVESTIGATION
Features of channel furnaces. Direct flows and counter flows GOST 2127-47 show various schemes of
hot gas flow along furnace flues and a detailed classifi- i
cation of residential channel furnaces. According to the =
hot gas flow scheme, all channel furnaces can be divid- n „
ed into two characteristic groups: direct flows, in which E |
hot gases flow mainly upwards, and counter flows, in = C
which hot gases from the combustor first descend in =§'
the bottom of the furnace, and then rise upwards. These = "
are furnaces with lower heating. Some characteristics e
of furnaces with lower heating are associated with the 8
value of flue effect, which occurs in the furnace dur- I
ing the combustion of wood and heating of the furnace. s
Each run of the flue is heated by hot gases from the e
furnace. In flue gas paths, the gases are cooled and their ^
temperature drops to the temperature at the chimney 3
outlet. Each heated vertical run of the furnace flue has )
°C 2500
2000
1500
1000
500
\
A ^ V
\ ■V 1
W= 0°À W= 10' W= 20 ' W= 30' W= 40 ' W= 50'
1 1,5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 a
21 14 10.5 8.4 7 6 5.25 4.7 4.2 3.8 3.5 CO, 0 7 10.5 12.6 14 15 15.75 16.3 16.8 17.2 17.5 0„
Fig. 1. Temperature of wood combustion products
a flue effect [4, 5]. The value of the furnace flue, as well as the chimney draft, depends on the temperature in a given run of the flue and on its length and is expressed in units of pressure (Pa). Flue effect and draft vector is always directed upward. In those areas where the flow of hot gases is directed down towards the flue effect vector, the value of flue effect will be negative. Where hot gases are moving upwards, the furnace flue effect contributes to the flow of hot gases.
Summarizing the values of flue effect on all areas of the furnace, the total value of flue effect for the entire furnace can be obtained. This value is different for some types of furnaces.
The process of wood combustion is affected by the total draft of the furnace system, i.e. the chimney draft and the flue effect of the furnace itself, thus, the choice eg of the scheme of flow of hot in the furnace provides ^ a more rational design of the entire furnace system.
For these purposes, the most suitable are furnaces g of lower heating (counter flows), in which the flue gas-c es pass under the ash chamber and heat the bottom of ¿5 the furnace. And the furnace itself is installed on legs or on sconces. This leads to more uniform heating of ■g the room. In this case, the entire mass of the furnace ® is used for heat accumulation, which ultimately allows „ „ reducing the mass of the furnace and installing it with-"1 out a foundation, i.e. the entire volume of the furnace
U (B
is fully used. In furnaces with lower heating (counter sb S flows), the value of flue effect is lower than of other fur-J| H naces through vertical channels with a back flue effect. H When the furnace and chimney are heated, during Sb the wood combustion, the total draft of the furnace and
chimney increases and the intensity of wood combustion increases. However, this increases the internal resistance of the furnace. And this limits the increase in air flow through the furnace, i.e. the effect of self-regulation of the wood combustion is found in the furnace. It is the total draft of the chimney and the furnace and the internal resistance of the furnace determine the air flow through the furnace, which determines the mode of wood combustion in the furnace, and all the energy processes [6]. To obtain a stable mode of wood combustion, and, consequently, to obtain higher energy indicators of the furnace, it is desirable to maintain the total furnace and chimney draft in such a way that the flow of inlet air through the furnace corresponds to the amount of combustible wood. To do this, the total draft of the chimney and the furnace shall be reduced in the process of wood combustion.
Fig. 2 shows two typical flow schemes of flue gases in a direct-flow furnace and a counter-flow furnace with lower heating (GOST 2127-47). The dotted arrows indicate the direction of flue effect in the channels of the furnace.
As figure 2 shows, in almost all runs of the direct-flow furnace the flue effect vectors are directed along the flow of gases and these flue effects are positive, and in the counter flow, in the drainage channel the flue effect vector is directed against the gas flow, the flue effect there is negative. This leads to a decrease in the total furnace flue effect.
Figure 3 shows a run of the PTO-2300 furnace, the arrows indicate the directions of the flue effect in the furnace channels [7].
Fig. 2. Flue effects in channel furnaces
In such a furnace (Fig. 3), the direction of flue effects of the vertical channels fully coincides with the direction of the flow of gases.
The value of the flue effects of channels, like the chimney draft, is determined by the well-known expression:
where Sf—value of the flue effect of the furnace vertical run, Pa; С = 0.0342; pa — atmospheric pressure, pa = 100 000 Pa; hf — height of the vertical run of the
furnace, m; T — ambient air temperature, K; T — av' ' a r ' ' g
erage channel gas temperature, K.
Table 1 shows the calculation of the flue effect of some sections of the PT0-2300 furnace and the total flue effects of the furnace and chimneys with a height of 3.5 m. The temperatures in the furnace channels are selected through the furnace control tests and taking into account the regular drop in the temperature along the channels.
As Table 1 shows, the total value of flue effect of the PT0-2300 direct flow is approximately equal to 17.0 Pa and is about 74 % of the chimney draft that is commensurate with the draft of the chimney 3.5 m high and 23.0 Pa [7].
Figure 4 shows the test graphs of the PT0-2300 furnace direct flow.
As the graphs in Fig. 4 show, the amount of heat from wood-burning in the firebox decreases by the end
of wood-burning, which leads to a decrease in the temperature at the entrance of the chimney and, accordingly, to a decrease in the draft of the chimney. But the air flow through the furnace continues to increase due to the heating of the furnace itself and an increase in the total flue effect of the furnace, which leads to an increase in the excess air ratio and, accordingly, to a decrease in the temperature of the combustion products and a decrease in the temperature at the furnace outlet.
Fig. 3. The PTO-2300 furnace (direct flow)
Table 1. Draft and flue effect of the PT0-2300 furnace system
Run number Run Height, m Average temperature, °C Value of draft (flue effect), Pa
1 0.63 875 6.1
2 0.49 675 4.3
3 0.84 425 6.3
Total flue effect 16.7
Chimney 3.5 300 23
Total draft and flue effect of the furnace system ~40
°C 600
500
400
300
200
100
PTO-2300. Wood 7.5 kg W= 20 % (firebox in cold condition)
60
m _ -- -
mm « 1» —
/
/
••••• ••••• .....
m3/hr Pa
50 40 30 20 10
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 Time of wood combustion, min
Outlet temperature, °C V, m3/hr
Furnace discharge, Pa
Fig. 4. The PTO-2300 furnace, direct flow
n
At the same time, the air flow through the furnace increases by approximately 38 %. Therefore, such a furnace design and such a gas flow scheme are not suitable for increasing the efficiency of the furnace.
Figure 5 shows the PDKSh-2.0 counter-flow furnace in section; the arrows indicate the directions of the flue effects in the furnace channels [7].
As figure 5 shows, the flue effect vector is directed opposite to the flow of gases and the flue effect is negative in the drainage channel.
Table 2 shows the calculation of some of sections of the PDKSh-2.0 furnace and the total flue effect of the furnace and chimney with a height of 3.0 m. The temperatures in the furnace channels were selected through the furnace control tests and taking into account the regular temperature drop along the length of the channels.
As table 2 shows, the total value of the flue effect of the PDKSh-2.0 counter-flow furnace is about 6.5 Pa and is about 37 % of the chimney draft.
The value of the chimney draft and the total flue effect of the furnace were measured at a working furnace using Proma digital pressure differential gauge of 0.25 at a minimum measurement range of 60 Pa. The chimney draft was measured above the outlet valve in
Fig. 5. The PDKSh-2.0 furnace, counter flow
Table 2. Draft and flue effect of the PDKSh-2.0 furnace
Run number Run Height, m Average temperature, °С Value of draft (flue effect) (calculation), Pa Value of draft (flue effect) (measure), Pa
1 0.52 900 5.0 -
2 0.78 600 -6.9 -
3 1.17 350 8.4 -
Total flue effect 6.5 6.0
Chimney 3.0 230 17.4 16.5
Total draft and flue effect of the furnace system ~24 22.5
front of the chimney during a short-term closure of the valve. The total flue effect of the furnace was measured under the outlet valve during its short-term closure.
Figure 6 shows the characteristics of the PD-KSh-2.0 furnace.
As figure 6 shows, the air flow rate in furnaces with such a gas flow scheme (counter-flow furnace) increases by 18 %, while the excess air ratio increases by 15-20 times. Furnaces with such a gas flow scheme allow obtaining a more stable process of wood-burning and a higher efficiency of the furnace.
The work [8] shows that it is possible to approximately determine the temperature of the combustion products by the value of CO2 at the furnace outlet, by the expression:
Comb.temp. ~ 103 • C02, °C.
The graphs (Fig. 6) show that the temperature of the combustion products starts to decrease from 52-56 minutes, which worsens the process of wood-burning.
It can be roughly calculated how the air flow through the furnace shall change in order for the wood to burn in the area of final combustion of volatiles with an excess air ratio of about two (Fig. 6).
Figure 6 shows that the reduction of air flow through the furnace leads to a reduction in losses with stack gases and increases the efficiency of the furnace.
Such a dependence in the figure due to the furnace design is very difficult to obtain, but it is quite possible to reduce air flow by using a different gas flow scheme in the furnace.
The choice of the rational gas flow scheme Despite the lower value of the flue effect of furnaces with lower heating (counter flow), it is not possible to limit the increase the flue effect and, accordingly, the total draft there during the process of wood-burning. This would allow even more uniform wood-burning and even reduce the amount of air entering the furnace during the wood combustion and obtain large efficiency values. Figure 7 shows the flow scheme of hot gases in a furnace with lower heating proposed by the author, in which the convective system with smoke turns, in contrast to figure 2, located under the firebox between the side channels [9].
The placement of a convective system with smoke turns under the firebox between the side channels leads to an increase in the length of the side channels and to a greater decrease in the temperature of hot gases in the lifting channel compared to the drainage channel.
V»
u
CD 3
Fig. 6. The PDKSh-2.0 counter-flow furnace
Air chamber
Fig. 7. Counter-flow furnaces
n
Since the air chamber can be considered as a con-vective system, the same effect will occur if an air chamber is placed under the firebox, and hot gases pass through it. It also leads to an increase in the length of the side channels and to a decrease in the temperature of hot gases in the lifting channel, which allows to obtain higher energy indices of the furnace. addition, in the furnaces of this design, the lower part of the furnace gets warmer, which improves the heat transfer in the room. Such a scheme of hot gas flow was adopted as the most rational one when developing and creating a promising design of a small-sized furnace.
The convective furnace system can be performed according to a different scheme [10]. The most rational is to recognize the convective system with vertical parallel lowering channels. In such a system of channels, the temperatures of the channels are naturally regulated due to the fact that hot gases are directed to the coldest channel.
This leads to uniform heating of all channels and the entire convective system. The convection system of the furnace (fig. 7) shall include the lowering and lifting channels. A positive characteristic of such a convective system is that hot gases, running through the convective system, slow down their speed at the bottom. Most of
all, the speed is reduced near the inner bottom surface of the furnace, which causes unburned soot particulates to fall there. By selecting the height of the lower channel, it is possible to reduce the speed of flow of gases and reduce the amount of soot entering the atmosphere through a chimney. Such a scheme of hot gas flow was adopted as the most rational when developing and creating new promising furnace structures.
CONCLUSIONS
1. In channel counter-flow furnaces, the total flue effect of the furnace is significantly less than in direct-flow furnaces.
2. The reduction of the value of the flue effect in furnaces can improve the process of wood-burning.
3. The proposed scheme of the flow of gases in the furnace allows reducing the air flow through the furnace at the stage of the final combustion of volatiles to the utmost and thereby increasing the efficiency of the furnace.
4. The proposed scheme of the flow of gases in the furnace can be recommended in the design and manufacture of residential furnaces.
REFERENCES
1. Protopopov V.P. Stove business. Moscow; Leningrad, ONTI; Gosstrojizdat Publ., 1934; 280. (rus.).
2. Shevyakov V.V. Burning of firewood in the furnace of a household furnace. Universum: Technical Sciences. 2015; 4-5(17). URL: http://7universum.com/
ru/tech/archive/item/2161 (date of appeal: 20.06.2018). (rus.)
3. Shevyakov V.V. Test furnace-transformer. Comparison of grate and bottom firewood burning. Forum of stove workers and builders. URL: http://www.stroiteli.
info/showthread.php/4207-Ispytanie-pechi-transformer-Sravnenie-kolosnikovogo-i-podovogo-szhiganiya-drov (date of appeal: 13.06.2018). (rus.).
4. Shchegolev M.M. Fuel, furnaces and boiler plants. Moscow, Gosudarstvennoe izdatel'stvo literatury po stroitel'stvu i arkhitekture Publ., 1953; 248. (rus.).
5. Esterkin R.I. Industrial boilers. Leningrad, En-ergoatomizdat Publ., 1985; 400. (rus.).
6. Nagorskiy D.V. General procedure for calculating ovens. Moscow; Leningrad, AN SSSR Publ., 1941; 317. (rus.).
7. Shevyakov V.V. Gasdynamics of the household oven. Development of the calculation method. Universum: Technical Sciences. 2015; 11(22). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2771 (date of appeal: 23.06.2018). (rus.).
8. Shevyakov V.V. Temperature determination in furnace of the household oven. Universum: Technical Sciences. 2016; 7(28). URL: http://7universum.com/ru/ tech/archive/item/3402 (data of appeal: 23.07.2018).
9. Pat. Russian Federation 165250 IPC F24B 1/02. [Heating furnace with lower heating] / Shevyakov V.V.; applicant and patentee Shevyakov V.V. No. 2016109618/03; appl. 17.03.2016; publ. 10.10.2016. Bul. No. 28.
10. Shkol'nik A.E. Furnace heating of low-rise buildings. Moscow, Higher school Publ., 1991; 161. (rus.).
11. Poltavtsev A.N. [Furnaces and masonry heaters. The basics of the device, calculation, furnace and care]. Moscow, 1926; 60. (rus.).
12. Podgorodnikov I.S. Domestic furnaces. Two-scoop. 4th ed. Moscow, Kolos Publ., 1992; 159. (rus.).
13. Semenov L.A. Thermal stability and furnace heating of residential and public buildings. Moscow, Mashstroyizdat Publ., 1950; 264. (rus.).
14. Semenov L.A. [Heat transfer heating furnace, and the calculation of the heating furnace]. Moscow, Stroyizdat NarKomStroya Publ., 1943; 80. (rus.).
15. Sosnin Yu.P., Bukharkin E.N. [Domestic stoves, fireplaces and water heaters]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1985; 368. (rus.).
16. Khoshev Yu.M. Wood stoves. Processes and phenomena. Moscow, 2015; 392. (rus.).
17. Ryazankin A.I. [Secrets of furnace skill. Practical guide]. Moscow, Narodnoe tvorchestvo Publ., 2004; 360. (rus.).
18. Kolevatov V.M. [Stoves andfireplaces]. Saint-Petersburg, Diamant Publ., 1996; 384. (rus.).
19. Kovalevskiy I.I. [Furnace work]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1983; 208. (rus.).
20. Haselbeck R. ECO+furnaces. URL: http://doc-player.ru/53409540-Der-umweltplus-brennraum-topki-eko-rudolf-hazelbyok-mitgliedbei.html (data of appeal: 25.07.2018). (rus.).
21. Austrian Eco Firebox Testing. URL: http:// www.heatkit.com/research/lopez-2014-03-01.html (data of appeal: 20.07.2018).
22. Eco hearth furnaces. URL: MB_10_eco-friend-ly combustion chamber_20120424Version2.pdf (data of appeal: 21.06.2018). (rus.).
23. Evans I., Jackson L. Rocket mass heaters. Publisher Cob Cottage Compani, 2014; 120.
24. [Rocket oven. Unique construction]. URL: https://fermer.ru/forum/samodelkin-racionalizator-obsh-chie-voprosy/215438 (data of appeal: 22.06.2018). (rus.).
25. [Jet furnaces]. URL: http://donkey32. proboards.com/thread/2180/another-attempt-apply-rocket-technology (data of appeal: 23.06.2018). (rus.).
26. Ravich M.B. [Simplified method of heat engineering calculations]. 5th ed. Moscow, Nauka Publ., 1966; 415. (rus.).
Received September 24, 2018
Adopted in a modified form on October 25, 2018
Approved for publication November 30, 2018
About the author: Vladimir V. Shevyakov — Candidate of Technical Sciences, independent researcher, shev-vladimir@gmail.com; ORCID 0000-0001-5946-2742.
и и
