П.Н. Смухнин, инженер-полковник, кандидат технических наук.
ПРОСТЕЙШИЕ ОБОГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Стройиздат 1946 г.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОБОСНОВАНИЯ И СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПОДБОРА И КОНСТРУИРОВАНИЯ ПРОСТЕЙШИХ ОБОГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
ОГЛАВЛЕНИЕ
I
II
Оценка топлива с точки зрения сжигания их в простейших обогревательных установках расход топлива для нужд отопления и приготовления пищи во всех государствах обычно превышает расходы на прочие нужды, в том числе и нужды промышленности, причем число местных обогревательных установок огромно.
По состоянию на 1943 г. годовая потребность дров (1) для отопления только городов РСФСР исчислялась в 43,25 млн. причем в Москве около 67%, а в Ленинграде -'83% жилой площади отапливалось печами.
По данным на 1942 г. 68% общего числа жилых зданий США (2) имели печное отопление.
С точки зрения наибольшей простоты сжигания в любых топливниках наилучшим видом топлива является дерево (дрова, доски, щепа), теплотворная способность которого 2 760— 3 300кг. Каменные угли (теплотворная способность 4 000— 7 000 ккал/кг) требуют для своего розжига древесины. Сжигание углей сопровождается загрязнением помещений пылью. Кроме того, большинство углей содержит серу, соединение которой с кислородом заметно загрязняет воздух тех помещений, где угли сжигаются. С этой точки зрения каменный уголь неохотно применяется для сжигания в отопительных печах.
Кокс и антрацит (с теплотворной способностью 6 600—7 800 ккал/кг) не имеют перечисленных недостатков каменных углей, но весьма трудно зажигаются (при 700—800°) и являются дорогим видом топлива. Для их сжигания требуется хорошая тяга, что также ограничивает их использование в отопительных печах.
Кусковой торф воздушной сушки с моховых болот по теплотворной способности конкурирует с древесным топливом (3000 ккал/кг). Однако, малая пламенность его при горении, высокая вольность, мусор и неприятные запахи значительно уменьшают достоинства даже лучших сортов торфа. Особенно низкими показателем отличаются разновидности среднеазиатского торфа. При сжигании торфа в местных обогревательных установках предпочитают измерять его в брикетах, 1 mот которых заменяет 3,5 m куб хороших дров.
Бурые угли (теплотворная способность 3 ООО—5 ООО ккал/кг) отличаются, как и торф, большим разнообразием в отношении зольности. Подобно торфу многие из бурых углей отличаются гигроскопичностью, при хранении на складах рассыпаются и могут сами загораться. В местных обогревательных установках бурые угли применяются, главным образом, в брикетах, и во многих районах Европы буроугольные брикеты почти полностью вытеснили все другие виды топлива, применяемого для бытовых нужд.
Все перечисленные сорта топлива требуют для сжигания колосниковых решеток.
Древесное топливо может гореть, хотя и с меньшим успехом, на глухом поду.
Из суррогатных видов топлива прежде всего необходимо отметить кизяк, который по своим свойствам больше всего приближается к хорошим сортам торфа и теплотворная способность которого колеблется около 2 500 шал/кг.
В южных районах СССР широко используется в качестве топлива солома хлебных злаков. Теплотворная способность соломы достигает 3 700 ккал/кг.. В сухом состоянии солома горит вполне удовлетворительно даже в топливниках с глухим подом.
Особого внимания заслуживают древесные опилки, которые прекрасно горят в местных печах специальной конструкции, сохраняя все достоинства древесного топлива. К опилкам по теплотворной способности (порядка 3 300 ккал/кг)и по способу сжигания приближается льняная костра.
Рисовую шелуху (теплотворная способность около 3100 ккал/кг) | гречневую лузгу можно сжигать в любых топливнпках при наличии весьма простых в изготовлении форсунок. Таким же способом или в брикетах сжигается подсолнечная лузга (теплотворная способность около 3 600 ккал/кг).
В различных типах топливников могут сжигаться суррогатные продукты сельского хозяйства, как кукурузные кочны, чинголак (коробки хлопчатника), стебли кукурузы и хлопчатника; теплотворная способность их колеблется в пределах 3 400— 2 000 ккал/кг.
Из жидких сортов топлива наибольшим распространением пользуется керосин, который для своего сжигания требует специальных приборов.
Значение избыточного воздуха при горении топлива
Практически расход воздуха, поступающего в топливник печей, выше теоритического иногда в несколько раз учитывается коэффициентом избытка воздуха (а). При периодической топке печей процессы горения происходят неравномерно, что иллюстрируется графиком на рис. 1.
На графике изображено изменение содержания углекислоты (СО2) в дымовых газах в зависимости от изменения избытка воздуха по временя вида сжигаемого топлива (дрова, каменный уголь, торф) в печи конструкции автора (5). Эта печь была установлена в верхнем этаже многоэтажного здания, т. е. испытывалась при весьма ограниченном разрежении в дымовой трубе.
На графике видно, что процессы горения происходят весьма неустойчиво, как следствие неравномерного поступления воздуха с большим избытком последнего при образовании прогаров в слое топлива.
Американских металлических печей длительного действия с наполнительной шахтой. В печи сжигался кокс, горение которого происходит равномерно, независимо от конструктивных особенностей топливников. Горение кокса в наполнительной шахте с корзиночной решеткой протекало с незначительным избытком воздуха и высоким коэффициентом полезного действия печи, как это видно из графика.
Применение в печах наполнительных шахт пе всегда возможно: например, при сжигании спекающихся сортов каменного угля, при использовании печей не только для отопления, но и для приготовления пищи. Сжигание жирных углей в топливниках комнатных печей с наполнительными шахтами может повлечь при конструктивных недочетах печей скопление летучих углеводородов, могущих образовать с воздухом взрывчатые смеси (7).
В канальных печах поддержание равномерного сжигания топлива представляет значительные трудности, требуя внимательного обслуживания печи.
мерного горения топлива, является применение печей с загрузочными шахтами (ряд конструкция для сжигания каменных углей) или бункерами (печи для сжигания древесных онилок). Указанные печи могут работать длительное время без обслуживания.
На рис. 2 схематически изображена наполнительная шахта и корзиночная решетка отопительной металлической печи. Как видно из рисунка, сопротивление горящего в корзиночной решетке топлива приблизительно остается неизменным при наличии последнего (топлива) в наполнительной шахте, что и обеспечивает равномерность горения. Емкость наполнительной шахты выбирается с таким расчетом, чтобы загрузка в нее топлива при расчетных наружных температурах происходила раз в сутки.
Падение КПД отопительной печи с увеличением разряжения в трубе, влекущего за собой поступление в топку лишнего воздуха, видно из графика (рисунок 4), полученного при сравнительных испытаниях двух кафельных печей при сжигании в них брекетов бурого угля.
Сопоставление двух последних графиков выявляет значение избыточного (лишнего) воздуха при эксплуатации отопительных печей.
Вредность с экономической точки зрения форсировки сжигания топлива в отопительных печах давно доказана.
С этой точки зрения можно отметить недавние испытания отопительных печей на дровах: в США (8), которые показали, что КПД печей возрастает с уменьшением тепловыделения печей. Этот факт объясняется уменьшением теплопотерь с дымовыми газами за счет снижения их температуры.
В печах без наполнительных шахт следует сокращать притекание лишнего воздуха, например, применением герметичных топочных дверец, впервые испробованных в Петербурге около ста лет тому назад архитектором Свиязевым (9).
При наличии герметичных топочных дверец необходимый для горения топлива воздух поступает частично через неплотности печейчастью через дымовую трубу, хотя в этом случаи полнота горения топлива (до СО2) невозможна и будет иметь место потери за счет этого, но в конечном счете это выгоднее, чем согревать лишний воздух, уносимый в дымовую трубу. Однако неправильная эксплуатация печей с герметичными топочными дверцами может принести вред дымовым трубам вследствие конденсации в них продуктов разложения топлива, и особенности креозота, разрушающего кирпич. Арх. Свиязев отмечает случаи, когда развалилась дымовая труба вследствие неумения управлять новым прибором.
Во избежание этого при наличии герметичных топочных дверец и при сжигании обычных сортов топлива, содержащих летучие углеводороды, первоначальный процесс сжигания топлива необходимо осуществлять при достаточном и даже избыточном количестве воздуха, а после обугливания топлива дверь можно плотно прикрывать.
Благодаря авторитету проф. Лукашевича установилось мнение о безусловной необходимости применения колосниковых решеток при сжигании дров и обогревательных установках.
Дрова не могут быть уложены в топливниках плотно, подобно каменному углю, антрациту или коксу. Обуглившиеся дрова распадаются на легко сгораемые угли. В связи с этим создаются условия свободного доступа воздуха к горящим дровам, а через образовавшиеся прогары в топливе проникает лишний воздух.
На это обстоятельство весьма правильно обратил свое внимание Пересвет-Солтан (10) при экспериментальном исследовании отопительных печей в 1909 г.
При испытаниипечи № 1 конструкции автора (11) с преимущественным прогревом низа печи при сжигании в топливнике ее, снабженном решеткой, дров ему приходилось констатировать в некоторые моменты горения топлива (при образовании прогаров в слое топлива) большие избытки воздуха (z = 6—8), хотя эта печь располагалась в верхнем этаже двухэтажного каменного здания.
В ряде печей в Ленинграде, где обычным топливом являются дрова, приходилось наблюдать повышение эффективности печей в тех случаях, когда поддувальное отверстие заваливалось золой и доступ воздуха к топочным решеткам вследствие этого значительно затруднялся.
В кухонном очаге коммунальной квартиры в Ленинграде, где автору приходилось жить, для удобства удаления золы из зольника был устроен выдвижной металлический ящик в точности по размеру зольника. Количество поступающего под колосниковую решетку воздуха регулировалось путем вдвигания и выдвигания этого ищи ка. В топливнике очага сжигались только дрова. Неплотности соединений плит между собой и с кладкой очага ври избыточной тяге в трубе всегда гарантировали надлежащей подсос воздуха, необходимый для горения дров, обычно березовыхи сухих. Но опыту многих лет было установлено, что после розжига дров в топливнике наиболее экономичное сжигание их происходило при полном прикрытии поддуувального отверстия ящиком для сбора золы. Свиязев, описывая очаги своей конструкции, пишет: «Дверца его (зольника) открывается только для выгребания золы и еще, когда дрова не разгораются от сырости или от сопротивлений в трубе выходу дыма». Перечисленные факты заставляют снова пересмотреть вопрос о размерах топочных решеток обогревательных установок бытового назначения.
Заводы, изготовляющие колосниковые решетки, ограничиваются весьма скромным их ассортиментом, и размеры решеток получаются большими, чем требуется для экономного сжигания топлива. С точки зрения образования тепла в топливник печи процесс сжигания обуглившегося топлива является наиболее ответственным, так как при всех видах твердого топлива в этот период сгорает углерод — часть топлива с высокой теплотворной способностью (порядка 8 000 ккал/кг),и этот процесс совпадает с состоянием сильного прогрева стенок топливника и всех газоходов.
Наличие в слое горящих углей прогаров влечет за собой энергичное поступление лишнего воздуха в топливник и унос тепла в трубу с дымовыми газами.
С этой точки зрения топливники с узкими щелями для: подвода воздуха, предложенные в свое время Свиязевым и Лукашевичем, заслуживают внимания и в современных условиях, удовлетворяя одновременно теплотехническим п экономическим требованиям. В результате ряда опытов за границей размер колосниковых решеток резко уменьшен и округленно принимается в 1/150 (вместо ранее принимавшегося 1/150) от теплоотдающих поверхностей кафельных печей, причем ширина щелей в них для прохода воздуха установлена для каменного угля — 8 мм,а для бурого угля, брикетов, дров и торфа — 5 мм.
Следует также подчеркнуть, что опытами была подтверждена целесообразность призматического топливника Пересвет-Солтава (1909 г.), в котором топливо номере сгорания сползает на углубленную решетку и догорает на ней в слое угля без прогаров.Положительные результаты такого топливника с углублением колосниковой решетки на два ряда кладки против низа топочной дверки подтверждены при испытании отопительно-варочных печей конструкции арх. В. А. Потапова (12).
Сточки зрения избавления от лишнего воздуха при сжигании дров следует рассмотреть обогревательные приборы с подводом воздуха сверху т ограниченном до минимума количестве для дожигания продуктов сухой перегонки дерева.
Интересные факты в этом отношении проделал Свиязев (9). Для этой цели Свиязев сконструировал из кровельного железа цилиндрическую печь. С футеровкой из кирпича. Для закладывания в печь дров стоймя в верхней крышке цилиндра устроено топочное отверстие, прикрываемое вьюшкой.
Для отведения дымовых газов в боковой стенке цилиндра устроен дымовой патрубок, откуда выходящий дым попадал в изразцовую печь, как и экономайзер, прежде чем выйти в дымовую трубу. Такую печь-топливник Свиязев назвал «притопок».
Дрова зажигались сверху сухими растопками, на которые воздух для горения направлялся блинком вьюшки в ту или иную сторону по мере разгорани я топлива. После того как топливо разгоралось, а вместе с ним и разогревалась печь, отверстие во вьюшке'уменьшалось на столько, чтобы только поддержи вать горение дров. Вместо прикрывания отверстия вьюшкой уменьшению поступления воздуха осуществлялось также путем закрывания топочного отверстия медной сеткой с мелкими ячейками. После обгорания дров до состояния головешек Сввязев плотно прикрывал топочную вьюшку и засыпал ее по периметру мелким веском.
В результате получалось экономное сжигание дров аналогично печам с герметичными дверцами.
Жители Ленинграда (13) в условиях блокады города широко практиковали пристройку кухонных очагов-плит к обычным комнатным печам по примеру Свиязева, а в 20-х годах текущего столетия охотно эксплуатировали печи на дровах, аналогичные «притопку»Свиязева.
Попутно можно отметить, что Свиязев неоднократно указывал на возможность сжигания в топливниках с глухим подом каменного угля н даже антрацита, но непременно в смеси с дровами.
ОГЛАВЛЕНИЕ
I
II
О строительстве печей за чертой города
