Просмотров: 3 699
Настоящим постом я начинаю публикацию на страницах этого блога книги, которую Вы видите с правой стороны на экране своего монитора: «Азбука кладки и эксплуатации кирпичных печей Игоря Кузнецова для русской бани».
По сути, книга посвящена разбору конструкции широко известных банных печей И.В.Кузнецова БИК П1 и БИК П3.
Тем же, кому эта книга покажется интересной и достойной, чтобы находиться всегда «под рукой», а также захочет иметь ее версию в виде pdf-файла, необходимо будет проделать всего 3 простых действия
- Ввести в 1-е свободное поле, находящееся под изображением книги, свой e-mail;
- Ввести во 2-е свободное поле свое имя;
- Нажать кнопку «Получить книгу».
Вот и все.
Надеюсь, объяснил доходчиво. 🙂
Несколько вводных замечаний.
1) Книга написана и впервые опубликована в 2012 году. За прошедшее с тех пор время, на рынке появился целый ряд новых смесей, растворов, различных материалов и печной фурнитуры, используемых при кладке кирпичных печей, но которые не нашли своего отражения в книге. Поэтому это обстоятельство также следует учитывать приступая к кладке печи.
2) При перепечатке книги (или отдельных ее частей) с дальнейшим размещением ее содержания на других информационных площадках, прошу делать корректную ссылку на автора этой книги и ресурс, с которого была получена эта информация: http://inforusbani.com.
Считаю, так будет корректно и справедливо. Не так ли... 🙂
Итак, приступим.
Введение
Целью создания настоящей книги явилось желание автора этих строк поделиться с широким кругом тех истинных любителей русской бани, которые осознанно сделали свой выбор в пользу кладки в парной кирпичной печи конструкции Игоря Викторовича Кузнецова, но до сих пор не решились на этот шаг по тем или иным причинам.
Основным сдерживающим фактором, по моему мнению, выступает отсутствие в открытом доступе систематизировано изложенной информации по особенностям конструкции банных печей, разработанных этим человеком. Опубликованные для широкого доступа порядовки банных печей на сайте самого автора / 1 / у людей, приступивших к их изучению, вызывают ряд вопросов, ответы на которые приходится искать в других источниках. У И.В.Кузнецова, человека отдавшего не один десяток лет подвижнического труда на создание, строительство и популяризацию печей своей конструкции, объективно не хватает времени по доработке и внесению правок в созданные ранее свои материалы.
Но, благодаря огромному желанию разобраться в особенностях конструкции банных печей И.В.Кузнецова и построить подобное в своей бане, сложился круг людей, приложивших немало своих усилий, чтобы неясных вопросов осталось как можно меньше.
Я выражаю огромную благодарность Игорю Викторовичу Кузнецову за ту информацию о своих разработках, которой он поделился с широкой общественностью, и которая помогла мне в написании этой книги. Я также искренно признателен Vasya, Игорю Васильеву, Ramunas, Владимиру Францевичу, kasbor, Александру Шалагину, Andron, Doc, Валерию Орлову, Pioner, Петру С, Олегу Аргунову, TraL, Алексею Елисееву, Коллеге и многим другим участникам Форума «Русская баня. Строим сами » / 2 / за их активное участие в обсуждении данной и смежных тем. Благодаря активному участию этих людей на страницах Форума в Теме «Банные печи периодического действия Игоря Кузнецова БИК П1 — БИК П3», как мне кажется, практически не осталось «темных мест».
Мне пришлось только систематизировать свои знания по этому вопросу, а также разбросанные в разных местах сайта автора, форумов «Русская баня. Строим сами» и «Печных Дел Мастера» / 3 / отрывки информации, относящиеся к данной теме. Я попытался изложить эту информацию в виде, облегчающем, с моей точки зрения, ее понимание всем желающим попробовать свои силы в самостоятельной кладке у себя правильной кирпичной банной печи.
Но, хотелось бы отметить следующее...
На мой взгляд, данная электронная книга позволит практически любому человеку, умеющему держать мастерок в руках, руководствуясь изложенной здесь информацией самостоятельно сложить правильную банную печь.
Именно наличие в бане массивной кирпичной печи-каменки, способной, не перегревая парную, получить режимы, характерные для паровой бани, и делает баню Русской.
Если Вы давно задумывались над вопросом какую печь установить у себя в бане (а баню Вы хотите Русскую), не задумывайтесь больше об этом. Настоящую Русскую баню можно получить только с правильной кирпичной печью. И объем необходимых знаний, чтобы сложить своими руками такую печь, и дает эта книга.
Поверьте, сложить самому кирпичную печь – совсем не трудно!
Зато, КАКОЕ удовольствие «светит» в перспективе!.. и моральное, и физическое!..
Дерзайте! И Вас все получится!
И завершая это краткое введение, хотел бы попросить Уважаемого Читателя конструктивно и критически оценить изложенную в этой книге информацию и высказать автору свои советы по ее улучшению.
С уважением, Константин Колышкин.
Содержание
Введение
Глава 1. Кирпичные печи И.В.Кузнецова: базовые принципы построения
1.1. Особенности переноса тепла в кирпичных печах разных конструкций
1.2. Особенности конструкции печей И.В.Кузнецова
Глава 2. Материалы, используемые при кладке кирпичных печей
2.1. Кладочный кирпич
2.2. Кладочные смеси
2.3.Печные приборы
Глава 3. Камни для каменки
Глава 4. Конструктивные особенности банных печей периодического действия
И.В.Кузнецова БИК П1 и БИК П3
4.1. Основные особенности печей БИК П1 и БИК П3
4.2. Особенности конструкции и кладки внешнего контура печей БИК П1 и БИК П3
4.3. Особенности конструкции и кладки внутреннего контура печей БИК П1 и БИК П3
4.4. Организация подачи вторичного воздуха в банных печах БИК П1 и БИК П3
4.5. Организация каменки в банных печах БИК П1 и БИК П3
4.6. Организация нагрева воды в банных печах БИК П1 и БИК П3
4.7. Способы крепления печных приборов в банных печах БИК П1 и БИК П3
Глава 5. Особенности просушки и топки банных печей БИК П1 и БИК П3
Глава 6. Основные требования пожарной безопасности при кладке банных печей
Глава 7. Разбор порядовок банной печи БИК П1
Глава 8. Разбор порядовок банной печи БИК П3
Заключение
Глава 1. Кирпичные печи И.В.Кузнецова: базовые принципы построения.
1.1. Особенности переноса тепла в кирпичных печах разных конструкций.
В настоящей главе рассмотрены отличительные черты процессов теплопереноса в кирпичных печах с различными конвективными системами и основные конструктивные особенности кирпичных печей Игоря Викторовича Кузнецова.
Все созданные человеком кирпичные печи слагаются из топки, в которой происходит сжигание топлива, конвективной системы, призванной утилизировать выделившееся из топлива тепловую энергию, и трубы, служащей для удаления из печи продуктов горения.
В зависимости от принципов организации движения газов внутри печей все печи условно можно разделить на печи, работающие на принципе Принудительного Движения Газов (ПДГ), и печи, работающие на принципе Свободного Движения Газов (CДГ).
К последним, и относятся печи конструкции И.В.Кузнецова.
Кратко рассмотрим физику явлений, происходящих с газами, в этих печах.
На рисунках ниже показаны разрезы печей, функционирующих на принципах ПДГ (Рис.1.1) и CДГ (Рис.1.2.).
 |
 |
Рис.1.1. Канальная печь Рис.1.2. Колпаковая печь
На рисунках буквой Т обозначен топливник, стрелками показано направления движения печных газов.
Отметим, что печи, функционирующих на принципах ПДГ, по своему конструктивному исполнению делятся на печи с последовательным, параллельным и комбинированным исполнением конвективных каналов.
В качестве примера на левом рисунке показана печь с последовательной конвективной системой. По сути, помимо топливника, любая печь ПДГ содержит систему теплоаккумулирующих каналов, движение печных газов по которым осуществляется под действием тяги печной трубы. Причем это движение не может быть никаким другим, как только принудительным.
Печи, функционирующие на принципах СДГ, являются бесканальными. Конвективная система этих печей представляет собой ряд последовательно соединенных между собою пространств, напоминающих перевернутые вверх дном колпаки. Конструктивно теплоаккумулирующими поверхностями в данных печах являются стенки колпаков.
Отличительной особенностью бесканальных печей от канальных является особенность движения в них печных газов. Как следствие, данным печам присущ ряд характерных свойств, делающих их с потребительской точки зрения очень заманчивыми и привлекательными.
Но, прежде чем начать рассмотрение особенностей конструкции бесканальных печей и лучшего понимания происходящих в них явлений, рассмотрим основы процесса горения древесного топлива, который происходит в топливнике любой печи.
По своей сути процесс горения любого органического топлива СхНуОz, состоящего из молекул углерода, водорода и кислорода, является совокупностью реакций окисления кислородом воздуха твердой и газообразной составляющей самого топлива. Данные реакции сопровождаются как выделением, так и поглощением тепла.
Горение твердого топлива и его газообразных составляющих в общем случае можно представить уравнением:
aСхНуОz+bO2= dС(атомарный углерод, сажа)+kСО(угарный газ)+lCO2(углекислый газ)+ +mH2O (пар)+тепло (1)
Необходимо отметить, что непосредственно горят (окисляются кислородом воздуха) газы, которые начинают выделяться топливом при его нагреве до определенной температуры. Для дров (в зависимости от их вида, влажности, массы, формы укладки в топливнике) эта температура должна быть не менее 300ºC. При этом очевидно, что пока из дров не испарится вся влага, нельзя достигнуть их нагрева до температуры выше 100ºC.
Для поддержания реакции горения необходимо, чтобы выделяющегося из горящей порции дров тепла хватало как для завершения полноты сгорания выделяющихся из дерева газов, так и для нагрева до температуры выделения горючих газов из следующей закладки дров.
Как отмечено в статье / 4 /, в условиях каталитического действия оксидов алюминия, которые находятся в шамотной оболочке топливника колпаковой печи, и каталитического действия нагретого до температуры T>600ºС атомарного углерода идут реакции:
- расщепления молекул воды с поглощением тепла
Н2О = 2Н+О – тепло (2)
- и окисления углерода
С + О = СО +тепло (3)
Помимо этого идут реакции:
Н + Н = Н2 +тепло (4)
О + О = O2 +тепло (5)
В результате сгорания углерода (3) и выделившегося водорода (4)
получается синтез газ (смесь Н2 и СО), который, окисляясь кислородом воздуха, в свою очередь, дает:
2CO + O2 = 2CO2 + тепло (6)
2H2 + O2 = 2H2O + тепло (7)
Надо отметить, что скорость реакции (3) выше скорости реакции (5). А это приводит к избытку свободного водорода и недостатку кислорода для завершения процесса полного сгорания (окисления) всех образовавшихся при этом компонентов (в т.ч. и синтез газа).
Чтобы значительно увеличить скорость реакций (5), (6), (7) необходимо в зону горения подвести дополнительный объем кислорода воздуха. К тому же, очень желательно, чтобы этот дополнительный («вторичный») воздух был предварительно нагрет. В условиях нехватки кислорода протекание реакции (3) так же становится невозможной. Это влечет за собой образование частиц сажи (атомарного углерода), оседание их на внутренних поверхностях печи, снижение теплопроводности и теплоотдачи данных поверхностей и все остальное негативное, что из этого следует.
В идеале, через печную трубу в атмосферу должны выбрасываться только азот N2, как основная составляющая воздуха, углекислый газ СО2 и водяные пары Н2О.
Продуктами реакции сгорания дров являются углекислота СО2 от сгорания углерода и водяные пары Н2О от сгорания водорода.
В качестве балластных газов выступают водяные пары топлива, выделяемые им при нагреве, азот, а также избыточный воздух.
Продукты реакции горения и балластные газы участия в горении не принимают. Они только нагреваются за счет теплоты сгорания выделившихся из нагретых дров углерода и водорода.
Количество балластных газов непосредственно определяет теплосодержание продуктов сгорания топлива. Они понижают температуру газового потока, в котором ухудшаются условия сгорания топлива (замедляются или совсем прекращаются реакции окисления).
Таким образом, с целью улучшения процесса горения топлива, требуется достичь таких условий его горения, при которых обеспечивается полнота протекания всех перечисленных выше реакций и нейтрализация вредного воздействия балластных газов и продуктов горения.
А теперь рассмотрим, как справляются с этой задачей бесканальные (колпаковые) и канальные печи.
Схема печи двухъярусный колпак была впервые предложена советским инженером Иосифом Самуиловичем Подгородниковым, а развита и усовершенствована нашим соотечественником Игорем Викторовичем Кузнецовым.
В бесканальных или колпаковых печах конвективная система состоит из последовательно соединенных колпаков.
Схематически печь конструкции «двухъярусный колпак» можно изобразить следующим образом (Рис.1.3).
Рис.1.3. Печь конструкции «двухъярусный колпак».
Выделившиеся в процессе горения дров горячие газы в результате естественной конвекции поднимаются вверх колпака, и как более легкие вытесняют оттуда более холодные и тяжелые газы. Горячий воздух находиться вверху колпака до тех пор, пока не отдаст свое тепло стенам, не остынет и не опустится вниз. Теплопередача стенкам печи происходит за счёт конвекции.
В результате получается система, аккумулирующая тепло горячего воздуха в ограниченном объеме и благотворно влияющая на протекание процессов горения. Другими словами, под перекрытием колпака образуется объём горячих газов с высокой температурой, так необходимой для полноты протекания реакций горения топочных газов.
Стрелками на рисунках показано движение воздуха из подтопочного пространства, через топливник, нижний, а затем верхний колпак в трубу. Причем, на первом рисунке показана траектория движения горячих газов, а на втором рисунке – траектория движения более холодных газов. Пунктиром на втором рисунке изображен мешок горячих, более легких газов, собравшихся в купольной части колпаков.
Более холодные тяжелые газы, не имеющие возможности подняться вверх, низом колпака вместе с остывшими горячими газами через переточный канал переходят в следующий колпак или трубу (если печь одноколпаковая), не охлаждая внутренностей печи.
Газы с промежуточной температурой циркулируют между ними.
Движение нагретого воздуха в колпаке может проходить как при наличии, так и без присутствия внешней тяги, а только исключительно под действием естественных сил природы: конвекции и гравитации.
Так, если в качестве теплоизлучающего элемента, является вставленный в печь электронагреватель, движение нагретого воздуха может происходить без участия трубы. Перенос тепла внутри печи будет осуществляться только вследствие конвекции.
Нагреваемый воздух будет подниматься под перекрытие колпака, отдавать тепло окружающим его поверхностям, остывать, опускаться вниз и, при наличии какого-либо отверстия внизу колпака, покидать колпак через это отверстие.
Следует отметить, что горячий воздух будет находиться в колпаке до тех пор, пока стенки колпака, или помещенный внутрь колпака теплообменник, будут способны воспринимать (аккумулировать в себе) тепло этих газов. Только если генерируемого тепла будет больше теплоемкости воспринимаемых его поверхностей, излишнее тепло будет покидать колпак низом.
В случае использования для генерации тепла какого-либо топлива необходима печная труба для отвода из зоны горения продуктов реакции. В этом же случае в печи должно быть отверстие для подачи необходимого для горения воздуха.
Причем и в этом варианте движение газов будет аналогичным случаю, когда в печь вставлен электронагревательный элемент.
Горючие газы, выделяемые дровами, поднимаются под перекрытие колпака, остывают, передавая тепло стенам колпака и теплообменнику, опускаются вниз и через переточный канал отводятся либо во второй верхний колпак, либо в трубу (если печь одноколпаковая).
Влияние на процесс горения подаваемого в печь холодного наружного воздуха и балластных газов в колпаковых печах, в отличие от канальных печей, сведено к минимуму.
Это обусловлено тем, что нагретое нутро колпака не дает возможности холодному воздуху подняться вверх и охладить внутренние нагретые поверхности печи. Здесь мы наблюдаем наличие «теплового затвора». Более холодным тяжелым газам не остается ничего другого как пройти низом колпака в следующий колпак или трубу, не охлаждая внутренний объем печи. При этом ими оказывается минимальное влияние на процесс горения, и охлаждающее воздействие на размещенные в колпаке теплообменники.
Таким образом, количество используемого выделившегося при сгорании топлива тепла в колпаковой печи повышается за счет уменьшения влияния балластных газов на теплообмен.
Далее…
В колпаке, в отличие от канальных печей, происходит встречное движение струй горячих и остывающих газов.
За счет встречного перемещения горячих и охлажденных газов и их перемешивания в колпаке возникает турбулентное движение воздушных потоков. Турбулентное движение газов еще больше способствует полноте их сгорания и лучшему восприятию теплоты стенками колпака.
В колпаке имеется возможность поместить теплообменник так, чтобы он не мешал процессу горения и не снижал температуру в зоне реакции. Это достигается путем размещения теплообменника вне топочного пространства. В частности, в качестве теплообменника в банных печах выступает змеевик (П-образная металлическая труба системы горячего водоснабжения, внутри которой циркулирует нагреваемая вода), а также массив каменки, служащий для целей парообразования.
Характерной особенностью двухъярусных колпаковых печей является их более равномерный нагрев по высоте, в отличие от канальных печей. Это свойство двухъярусных колпаковых печей описал еще Подгородников И.С. в своей кандидатской диссертации / 5 /:
«…В печи «двухэтажный колпак» нижняя половина печи не только прогревается во время топки сильнее верхней, но тепло, аккумулированное в нижней половине печи, сохраняется внизу все время остывания печи. Перенос тепла снизу вверх путем внутренней циркуляции газов невозможно. Одновременно сохраняется «вольное» движение газов, «газовая вьюшка», отсутствует выпадение сажи…
…Вследствие высокой температуры и большого теплоизлучения пламени на стенки, нижний колпак 1 аккумулирует больше половины тепла топлива. Так как это тепло сосредоточено в колпаке, то оно сохраняется в нем во все время остывания печи. Тепло колпака 1 передается через стенки только в нижние части помещения. В верхний колпак или трубу тепло не переносится газами. Все тепло, впитанное верхним колпаком, остается в верхнем колпаке…»
И еще там же…
«…В результате при отоплении предлагаемой печью разница в температуре между полом и потолком, как показали опытные печи, устанавливается 2-4ºС, в то время как при печах с нижним обогревом разница температур между полом и потолком наблюдается в 10-12ºС, а в печах с верхним обогревом достигает 15ºС…»
Следующее…
Ввиду того, что горячие газы, расширяясь, заполняют полностью весь доступный им объем любой формы, поэтому в бесканальных печах колпак может иметь любую форму и (при соблюдении определенных условий) размер. При этом в любом горизонтальном сечении колпака температура будет одинаковой по всей площади сечения.
Поскольку перенос тепловой энергии печных газов и теплопередача в любом вертикальном сечении колпаковой печи осуществляются за счет естественных сил природы, поэтому движение газов во всех колпаках многоярусных бесканальных печей носит идентичный характер.
Подобных процессов движения газов и теплопередачи в печах с другими конвективными системами добиться нельзя.
Так в печах системы ПДГ движение газов возможно только под действием тяги трубы. При этом газы протаскиваются по вертикальным или горизонтальным каналам печи, постепенно отдают им свое тепло и выходят в трубу. При этом в данных печах нет возможности разделения газов, обладающих разной температурой, и организации для них индивидуальных маршрутов движения.
В печах системы ПДГ все продукты сгорания топлива проходят через топочную камеру и каналы конвективной системы, смешиваясь в единый поток. То есть, движение кислорода воздуха (окислителя) и горючих газов идет в попутном направлении.
По мере продвижения газового потока по конвективной системе печи концентрация балластных компонентов в нем увеличивается. В конечной зоне факела горения уменьшается концентрация топлива и окислителя. Исходные вещества разъединяются большим количеством продуктов сгорания. Возможность быстрого контактирования реагирующих молекул (СО, Н2) значительно затрудняется. Это уменьшает температуру потока и его полезную теплоотдачу. При этом возникает насущная потребность в его перемешивании.
Чтобы уменьшить влияние этого фактора и повысить количество извлекаемой из топлива энергии необходимо каким-либо образом уменьшить количество балластных газов и уменьшить их влияние на теплообмен.
Количество балластных газов уменьшают за счет сжигания более сухого топлива, а так же улучшения смесеобразования (уменьшая избыток подаваемого в топку воздуха и не допуская неполного его сгорания).
Однако достичь оптимального сжигания топлива в печах системы ПДГ не удается. В любом случае в топке присутствует излишний воздух, азот и водяные пары топлива, которые уменьшают температуру потока и ухудшают условия сгорания топлива.
Энергия, содержащаяся в топливе, не выделяется полностью в связи с уменьшением температуры горения в потоке. А выделившееся тепло используется не полностью, так как расходуется на нагревание балластных газов.
Из имеющей место быть ситуации напрашивается вывод, что для повышения изъятия энергии из топлива необходимо уменьшить влияние балластных газов на топочный процесс и повысить температуру горения.
Следующее…
В данных печах, в отличие от колпаковых, теплообменник может быть размещен только в топке, что является крайне не желательным. При размещении теплообменника в топке условия сгорания топлива входят в противоречие с условиями теплообмена. Теплообменник, аккумулируя в себе тепло печных газов, понижает температуру продуктов горения и препятствует полноте их сгорания. Тем самым он ухудшает условия сгорания топлива и снижает количество извлекаемой из топлива энергии.
Попытка размещения теплообменника в один из каналов конвективной системы ПДГ не спасает ситуацию. Размещение теплообменника в печном канале влечет за собой увеличение поперечного сечения канала. Плотность (энергия) газового потока распределяется по большей площади, а это в свою очередь приводит к уменьшению температуры в потоке и, как следствие, к снижению эффективности передачи тепла теплообменнику.
Печи с ПДГ имеют неравномерный нагрев в различных местах, тем самым более склонны к трещинообразованию в отличие от колпаковых печей.
Развивая идею «свободного движения газов» и досконально изучив работу печи И.С.Подгородникова «Двухэтажный колпак» И.В.Кузнецов пришел к заключению, что сжигая топливо в колпаке без топки, нельзя добиться хороших условий сгорания топлива: высокой температуры, оптимального обеспечения реакции горения воздухом, его перемешивания и предварительного нагрева. И, далее, И.В.Кузнецов делает вывод о том, что топливо необходимо сжигать в ограниченном объеме, где можно выдержать указанные требования.
И здесь мы перейдем к более пристальному рассмотрению конструктивных особенностей печей И.В. Кузнецова, делающие их наиболее передовыми среди печей других конструкций.
1.2. Особенности конструкции печей И.В.Кузнецова.
С целью улучшения условий сжигания топлива в колпаковых печах (достижения в топливнике высокой температуры, оптимального обеспечения реакции горения воздухом, предварительного нагрева подаваемого в топку воздуха и его перемешивания в зоне горения), а также уменьшения негативного воздействия балластных газов на процесс горения топлива, И.Кузнецов предложил свою конструкцию бесканальной печи.
Все печи И.В.Кузнецова строятся по формуле / 6 /:
«Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак».
Здесь речь идет о сжигании топлива в топливнике определенной конструкции, размещенном в колпаке и оптимальном использовании выделившейся при этом тепловой энергии.
Данная конструкция преследует решение следующей задачи:
«…Получить из топлива максимальное количество тепла при его сжигании; полученную теплоту использовать в максимальном объёме; конструкция теплогенератора (печи) должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать максимальную теплоотдачу…»
Решение этих задач стало возможным в печах, работающих на принципах «свободного движения газов», где топка теплогенератора устанавливается в колпак и объединяется с ним в единое пространство через так называемый «сухой шов» (СШ). СШ представляет собой вертикальную щель шириной в 2-3 см, размещенную в одной из стен топливника и соединяющего его с колпаком.
Рис.1.4. Печь «двухъярусный колпак».
На Рис.1.4. изображен разрез печи, выполненной по схеме «двухъярусный колпак», в которой топка — 1 объединена с нижним колпаком — 3 через «сухой шов» — 2 в единое пространство. Цифрами на данном рисунке обозначены: 4 – теплообменник, 5 – верхний колпак, 6 – канал отвода отработанных печных газов.
Предложенная конструкция нижнего яруса колпаковой печи позволило решить отмеченные выше задачи. Простое сжигание топлива в колпаке этого сделать не позволяло.
Именно сжигание топлива в ограниченном объеме топливника, конструктивно выполненного определенным образом, позволило добиться и максимального извлечения тепла из топлива, и его максимального использования по назначению (нагрева массива печи – для отопительных печей, водяного теплообменника – в отопительных котлах и банных печах, каменной засыпки – в банных печах и т.д.). Это стало возможным за счет уменьшения влияния балластных газов и продуктов реакции горения на процесс сжигания топлива, а также использования преимуществ конвективной системы колпака.
И.В.Кузнецов разработал печи с топливниками такой конструкции, которая позволила обеспечить подачу в них оптимального количества необходимого для сжигания топлива первичного и вторичного воздуха. Помимо этого, топливники его конструкции позволяют достичь хорошего перемешивания воздуха с топливом, разделить потоки холодных и горячих газов. Топливники конструкции И.Кузнецова не предусматривают размещения в них холодного ядра. Теплообменники размещаются в колпаке вне пределов топочного пространства, там, где они не снижают температуру топочных газов. Топливники конструкции И.В.Кузнецова содержат так называемый «катализатор» – элемент топки, позволяющий обеспечить ускорение протекания реакции горения топочных газов.
Совокупность всех этих конструктивных особенностей позволило добиться высокотемпературного процесса горения, который обеспечил прогрев и газификацию топлива при температуре около 1060ºС и позволил достичь чистого горения.
Полученное высокотемпературное тепло позволяет не только осуществить полноту сгорания топлива (см. п.1.1 настоящей Главы), но может быть по максимуму направлено на теплообменник или использовано по другому целевому назначению.
При этом достигнуто выполнение двух задач:
1. Из топлива извлекается максимальное количество энергии;
2. Извлеченная энергия по максимуму может быть передана соответствующей теплоаккумулирующей конструкции (массиву печи, водяному теплообменнику, массиву каменной засыпки и пр.).
Локализация процесса сгорания в топливнике и достижения в нем высокотемпературного горения позволило строить печи с колпаками любой конструкции, любыми геометрическими размерами и любого функционального назначения (отопительные многоярусные печи, отопительно-варочные печи, водогрейные котлы, банные печи, газогенераторные котлы и т.д.).
Итак, кратко рассмотрев основные особенности, присущие печам И.В.Кузнеуцова, перейдем к более подробному рассмотрению их конструкции.
На Рис.1.5 изображен поперечный разрез печи двухъярусный колпак конструкции И.Кузнецова / 7 /. Обозначения на схеме следующие: А — топливник, В — нижний колпак, С — верхний колпак. В нижний колпак могут быть вставлены теплообменники, например регистр системы горячего водоснабжения (ГВС). В случае банной печи таким теплообменником может выступать каменная засыпка (каменка).
Топливник состоит из поддувала с колосником над ним, топочного пространства (топки) — 1, шамотной решетки (по терминологии автора — «катализатора») — 2, пространства над «катализатором» — 3, в верхней части которого имеются выходные отверстия — 4 для отвода печных газов из топки в колпак. В банных печах в пространстве — 3 помещается каменка. В передней части топливника имеется щель — 5 для подачи «вторичного» воздуха (ВВ) из поддувала. В нижней части боковой стенки топливника может быть встроен регенератор 6 (специальная металлическая коробка для предварительного подогрева наружного воздуха перед подачей его в топку через щель 5, находящуюся в поде топливника перед топочной дверкой). Регенератор рекомендуется устанавливать, когда имеется только один шов подачи «вторичного» воздуха перед топочной дверкой. В задней части топливника в одной из его стен, либо в месте примыкания двух стен, имеется «сухой шов» — 7 (щель шириной 2-3 см).
Рис.1.5. Печь конструкции И.В.Кузнецова «Двухъярусный колпак».
Вообще то, следует отметить, что ширина СШ зависит от конструктивного исполнения топливника (его геометрических размеров) и для каждой печи определяется экспериментальным путем.
Боковые стенки топливника, в зависимости от его конструктивного исполнения, имеют внутри одну — две полости – 8. По этим полостям из поддувала через отверстия, организованные в стенах зольника, подается под катализатор или непосредственно в него подогретый «вторичный воздух». В задней части полостей 8 имеются щели — 9 шириной 0,5 см для подачи ВВ в «сухой шов» для дожигания горючих составляющих печных газов, не успевших полностью прореагировать в топливнике.
Как видно из рисунка топка ограничена со всех сторон стенками из шамотного кирпича, а сверху – «катализатором». Над «катализатором» находится камера дожигания летучих компонентов реакции горения. «Сухой шов» объединяет топку с колпаком. В стенках по периметру топливника организованы полости для подачи ВВ в верхнюю часть топки.
Организация системы подачи подогретого ВВ в верхнюю часть топливной камеры и в «сухой шов» служит для устранения дефицита количества воздуха, необходимого для полного завершения реакции горения летучих газового потока. Иными словами обеспечивается создание наиболее благоприятных условий для полного завершения указанных выше реакций (5), (6) и (7).
Для протекания реакций (6) и (7) требуется температура не ниже 600ºC. С целью обеспечения этих условий большая часть ВВ подогревается, проходя через полости в стенках топки, и подается в верхнюю зону факела горения, т.е. под катализатор.
Необходимый для горения воздух подается в топку не только через колосниковую решетку, расположенную над зольником, но и через щель шириной 2-2,5 см, находящуюся в поде топливника перед топочной дверцей. Подача воздуха в топливник через эту щель решает несколько задач: облегчает розжиг печи, подает в топку недостающий объем воздуха, защищает стекло топочной дверцы от перегрева.
В топливнике печи создаются «условия колпака», где каждая молекула (атом) составляющих газового потока имеет свою траекторию движения и место нахождения. Состояние каждой частицы определяется ее энергетическим состоянием. Более упрощенно можно сказать, что наиболее горячие частицы, обладающие большей кинетической энергией, будут находиться в верхней части топочного пространства. В то же время менее нагретые частицы, обладающие меньшей энергией, не могут подняться вверх и находятся в нижней части колпака.
«Вторичный воздух», поднявшись по полостям в стенках топливника вверх и предварительно подогревшись, выходит из отверстий в (либо под) катализатор. При этом он попадает в верхнюю зону горения и выталкивается как более тяжелый более горячими газовыми потоками пламени вниз, навстречу газовому потоку. Таким образом, происходит встречное движение горючих веществ, находящихся в пламени, и необходимого для их дожигания кислорода подогретого «вторичного» воздуха.
Катализатор создает турбулентность газового потока, тем самым, способствуя лучшему перемешиванию его с воздухом и завершению процессов горения газовых составляющих, а также повышает температуру в топке за счет отражения лучевого тепла.
«Сухой шов» в печах И.В.Кузнецова призван выполнять ряд функций. На этапе розжига печи, пока дрова и внутреннее пространство печи не прогреты, СШ при весьма незначительной тяге в системе позволяет протянуть необходимый для горения топлива воздух по кратчайшему пути из поддувала через топливник в трубу, тем самым облегчая розжиг.
При работе печи в установившемся рабочем режиме СШ служит для отвода из топливника балластных газов, а также охлажденных и отдавших свое тепло стенкам печи топочных газов. В случае организации подачи в СШ «вторичного» воздуха происходит полное дожигание не успевших до конца прореагировать горючих газов (синтез газа).
На завершающем этапе топки печи СШ позволяет проникающий в топку из поддувала холодный наружный воздух пропустить низом топки прямиком в трубу, не позволяя ему охлаждать внутреннее нагретое пространство печи.
К преимуществам двухъярусных колпаковых печей И.В.Кузнецова также относятся их следующие особенности.
В нижней части этих печей создаётся камера, в которой поддерживается высокая температура, необходимая для окончания реакции горения горючих газов, а также, происходит разделение потоков горячих газов с охлажденными и балластными газами.
Горячие газы аккумулируются в печи, «холодные» газы отводятся в трубу, не охлаждая печь.
Двухъярусным колпаковым печам И.В.Кузнецова присущ равномерный прогрев преимущественно нижней поверхности печи, начиная с первого ряда.
Равномерный прогрев обеспечивает высокую стойкость печи к образованию трещин и позволяет ликвидировать «яму» холодного воздуха в помещении.
При незакрытой дымовой задвижке на трубе остывание печи незначительно.
В колпаковой печи, горячий воздух прижимается к перекрытию с силой равной разности веса холодного и горячего воздуха объёма колпака. Горячий воздух, заполняющий колпак, не допускает в колпак тяжёлый холодный воздух и, в случае несвоевременного закрытия задвижки на трубе, остывание печи происходит незначительно. Печь, таким образом, имеет, как бы, автоматическую газовую задвижку. Этим качеством не обладают печи с другими конвективными системами.
Несвоевременное закрытие задвижки на трубе в печах с принудительным движением газов, ведёт к значительной потере тепла. В печах И.В.Кузнецова потери тепла — незначительны.
Следует отметить ещё одно замечательное свойство печей «двухъярусный колпак».
Известно, что, при увеличении времени топки печи, повышается температура стенок дымоходов, и они воспринимают меньше тепла от дымовых газов, из-за уменьшения разности температур дымовых газов и стенок дымоходов.
В этом случае, повышается температура выходящих газов, то есть, понижается эффективность использования выделившегося из топлива тепла.
В печах «двухъярусный колпак», при увеличении времени топки, не происходит заметного снижения эффективности использования выделившегося тепла, так как воспринимать избыток тепла будет верхний колпак.
Характерной особенностью кирпичных печей И.В.Кузнецова является то, что топливник в них выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича. Данная особенность обусловлена созданием внутри топки этих печей весьма высоких температур (до 1060ºС), которые не выдерживает обычный полнотелый керамический кирпич.
Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения керамического и шамотного кирпича различны, поэтому с целью не допущения повреждения расширяющейся в процессе горения внутренней шамотной кладкой топливника наружной кладки печи, между шамотным ядром по всему его контуру и внешними стенками печи оставляют воздушный зазор толщиной 5-10 мм. Воздушный зазор между шамотным перекрытием топливника и перекрытием колпака увеличивают до 2 см.
Итак, подводя черту под вышесказанным, сделаем краткие выводы относительно кирпичных печей И.В.Кузнецова.
1) Кирпичные печи И.В.Кузнецова, сконструированные на принципах свободного движения печных газов, обладают рядом положительных особенностей, выгодно отличающих их от печей с другими конвективными системами.
2) Кирпичные печи И.В.Кузнецова имеют ряд конструктивных особенностей, которые необходимо учитывать при кладке печи. Не знание этих особенностей, либо их игнорирование в процессе кладки, может нивелировать все преимущества, присущие данным печам.
Список использованных источников.
1. Кузнецов И.В. «Печи Кузнецова».
2. Форум «Русская баня. Строим сами».
3. Форум «Печных Дел Мастера».
4. «Распределение давления и газовых потоков в колпаковых печах».
5. Подгородников И.С. Диссертация на соискание степени
кандидата технических наук «Конструкции отопительных печей
и связанный с ними тепловой режим помещения», М. 1950.
6. Кузнецов И.В. «Новая система сжигания топлива и перспективы
7. Кузнецов И.В. «Презентация системы СДГ в Word».
