Глава 4. Газовые отопительно-варочные печи

21. Назначение и особенности работы

В большинстве случаев отопительно-варочные печи с кирпичным аккумулирующим массивом состоят из следующих элементов: топливника, чугунной плиты с конфорочными кольцами, духового шкафа и отопительного щитка. На рис. 69 изображена схема такой печи, на которой показано, что образующиеся в топливнике продукты сгорания проходят под чугунным настилом плиты, омывают духовой шкаф и по системе дымоходов отопительного щитка попадают в дымовую трубу.

Рис. 69. Схема отопительно-варочной печи: 1 - духовой шкаф; 2 - зольник; 3 - топливник; 4 - чугунная плита с конфорочными кольцами; 5 - направление движения продуктов сгорания по дымоходам

Главным элементом отопительно-варочной печи является топливник, который, как правило, расположен под чугунной плитой так, что продукты сгорания после выхода из него проходят сначала под большой конфоркой, а затем под малой.

Топливник должен обеспечить наиболее полное сгорание топлива при минимальном количестве избыточного воздуха в топочном пространстве.

Для полного сжигания топлива необходимо поддерживать высокую температуру в зоне горения (900 - 1000°С) и в течение всего времени топки обеспечивать качественное перемешивание горючих газов с кислородом воздуха в пределах топливника.

Для поддержания высокой температуры в зоне горения топку следует вести при минимальном коэффициенте избытка воздуха ат в топливнике. Если по тем или иным причинам α_т увеличится (например, вследствие подсоса воздуха через неплотности конфорочных колец и растрескавшуюся кладку или из-за отсутствия регулировки подачи воздуха), то температура в топочном пространстве снизится и сгорание топлива будет проходить с потерями теплоты от химического недожога. Влияние коэффициента избытка воздуха на температуру в топливнике показано на графике (рис. 70).

Рис. 70. Влияние коэффициента избытка воздуха на температуру продуктов сгорания при выходе из топливника отопительно-варочной печи

Объем, высота, форма и толщина стенок топливника при сжигании газа определяются высотой пламени горелки, тепловой нагрузкой газогорелочного устройства и аэродинамическими характеристиками потоков вторичного воздуха.

Вторым по важности элементом отопительно-варочных печей является чугунная плита с конфорочными кольцами, служащая для приготовления пищи. В зимнее время благодаря интенсивному нагреву плиты температура в отапливаемом помещении быстро поднимается до необходимого уровня.

В правильно устроенной плите отопительно-варочной печи должны разграничиваться зоны с различной степенью нагрева. Наиболее сильный нагрев от продуктов сгорания (за счет прямого излучения из зоны горения) наблюдается на поверхности, расположенной непосредственно над топливником (большая конфорка). Малая конфорка чугунной плиты соприкасается только с продуктами сгорания и не подвергается воздействию излучения, а поэтому нагревается слабее. Бортовые поверхности плиты, соприкасающиеся с кирпичной гладкой, нагреваются еще меньше и являются так называемой мармитной зоной.

Чугунная плита оказывает влияние на процессы горения и теплопередачи в топочном пространстве. Внутренняя поверхность чугунной плиты (верх топливника) постоянно имеет температуру ниже температуры воспламенения горючих газов, и это отрицательно влияет на полноту сжигания горючих газов.

При соприкосновении пламени с более холодной поверхностью плиты температура его снижается и окислительно-восстановительные реакции, происходящие во фронте горения, завершаются неполностью, а сжигание топлива сопровождается потерями теплоты от химического недожога. Кроме того, происходит охлаждение пламени от кухонной посуды, устанавливаемой на открытые конфорки,

Вследствие того что чугунная плита имеет высокий коэффициент теплопередачи, температура продуктов сгорания на выходе из топочного пространства у отопительно-варочных печей оказывается ниже, чем у отопительных (см. графики на рис. 71). Такая особенность работы чугунной плиты позволяет уменьшить число дымоходов печи, не уменьшая ее КПД.

Рис. 71. Характеристика работы печи: а - изменение температур продуктов сгорания на выходе из топливника: 1 - отопительная печь; 2 - отопительно-варочная печь; б - кривые прогрева боковых стенок топливников (толщиной 120 мм) в отопительной к отопительно-варочной печах в момент окончания топки: 1 - отопительная печь; 2 - отопительно-варочная печь

В связи с тем, что чугунная плита вместе с поставленной на ней посудой не является косвенным излучателем, как например, накаленный кирпичный свод, а наоборот, интенсивно отбирает теплоту из зоны горения, то наружная поверхность боковых стенок топливника отопительно-варочной печи нагревается меньше, чем наружная поверхность стенки топливника той же толщины в отопительной печи. Из рис. 71, б видно, что при одинаковых условиях стенка топочной камеры отопительно-варочной печи нагревается слабее, чем отопительной. Благодаря этой особенности чугунной плиты увеличивается срок службы кирпичной кладки в топлиннике.

Третьим элементом отопительно-варочной печи является духовой шкаф.

Духовой шкаф отопительно-варочной печи обычно изготовляется из листовой стали толщиной 0,75 - 2 мм. Шкафы изготовляются большей частью клепаными и в редких случаях - сварными. Размеры шкафов (длина, ширина, высота) зависят от габаритов печи и количества устанавливаемых в них противней. Дверцы у шкафов могут быть двух типов: створчатые (двойные или одинарные) или отодвижные (на особых направляющих).

Для уменьшения тепловых потерь из духовых шкафов в окружающую среду дверцы их иногда делают двойными с воздушной прослойкой. Обычно шкафы располагаются под чугунной плитой. Однако встречаются конструкции малогабаритных печей, у которых духовой шкаф расположен выше плиты (в дымоходах отопительного щитка). Расположение шкафов относительно топливника и чугунной плиты обусловливают эффективность их работы.

При равномерном нагреве шкафа со всех сторон кулинарные изделия пропекаются одинаково по всему объему и не подгорают. Если же одна из сторон будет нагреваться интенсивнее других, например верхняя крышка, то кулинарные изделия будут пригорать сверху и не пропекаться снизу.

Четвертым элементом отопительно-варочной печи является отопительный щиток (их схемы показаны на рис. 72).

Рис. 72. Отопительные щитки: а - трех оборотный отопительный щиток с летним дымоходом и вентиляционным каналом: 1 - летний дымоход; 2 - вентиляционный канал; 3 - зимний дымоход; б - пятиоборотный отопительный щиток с переключением дымовых каналов: 1 - летний дымоход; 2 - вентиляционный канал; 3 - зимний дымоход

Наиболее простой по конструкции отопительный щиток имеет три последовательных дымовых канала. К положительным особенностям такой конструкции следует отнести удобство кладки и возможность расположения его в перегородках помещения, хороший прогрев стенок, малый расход кирпича, удобство чистки и эксплуатации (в печи имеется всегда одна заслонка). Однако отсутствие в таком щитке летнего дымохода и вентиляционного канала делают его недостаточно совершенным. В летнее время приготовление пищи в отопительно-варочных печах, имеющих такой щиток, почти не производится из-за возможного повышения температуры в помещении до 30°С и выше.

Отопительный щиток, имеющий три последовательных дымооборота, летний ход и вентиляционный канал, показан на рис. 72, а. Такие щитки имеют отопительно-варочные печи "шведки", распространенные в южных городах СССР. Наличие летнего дымохода и вентиляционного канала делает возможной нормальную эксплуатацию таких печей в летних и зимних условиях. Следует отметить, что летний дымоход не только предохраняет помещение от перегрева в теплые периоды года, но и например, при плохой тяге в весенне-осенний период через него производится прогрев дымовой трубы. После того как восстановится нормальная тяга, заслонка летнего дымохода закрывается и продукты сгорания начинают проходить через основную (зимнюю) систему дымоходов,

К недостаткам рассмотренной схемы отопительного щитка в комбинации с кухонным очагом относятся сравнительно большие габариты (1140×80×2200 мм), значительный расход кирпича (до 400 шт.), наличие трех, а иногда и четырех заслонок, усложняющих эксплуатацию печи.

Отопительный щиток имеет пять последовательных дымооборотов с переключением, обособленный летний дымоход и вентиляционный канал (рис. 72, б). Учитывая, что система дымооборотов такого щитка обладает повышенным гидравлическим сопротивлением, отопительно-варочную печь разжигают следующим образом.

До начала топки открываются заслонки А, В, Г, Д и дымовые газы из топливника будут поступать сразу в летний дымоход В, а затем в дымовую трубу. После работы печи в течение 5 - 6 мин прогревается дымовая труба и восстанавливается тяга, заслонку В закрывают и продукты сгорания, пройдя под духовым шкафом, будут поступать в дымовую трубу через нижний канал, минуя открытые заслонки Д и Г и вертикальный канал V. Через некоторое время можно закрыть заслонку Д и тогда окажутся включенными в работу каналы I, II и V отопительного щитка. Если топка происходит в морозные дни, то после прогрева первых дымоходов можно включить в систему каналы III и IV, закрыв заслонку Г.

Отопительно-варочные печи, имеющие отопительные щитки с переключением дымовых каналов, удобны в эксплуатации в летний и зимний периоды, но большое число заслонок является их недостатком.

В малоэтажных жилых домах встречаются также отопительные щетки колпакового типа или щитки с последовательными горизонтальными дымоходами. Конструкция и порядовая кладка кухонного очага с отопительным щитком приведены в прил. 12. Такого рода печь может обогревать две комнаты и кухню. При этом в зависимости от расположения комнат отопительный щиток и кухонный очаг могут быть расположены по-разному, что является одной из положительных черт конструкции.

Кухонный очаг печи имеет самостоятельный топливник, чугунную плиту с конфорками, духовой шкаф и водогрейную коробку. Выход продуктов сгорания из-под нижнего днища духового шкафа может происходить двояко. В летний период продукты сгорания из-под духового шкафа через заслонку поступают в основание дымовой трубы, в зимний период эта заслонка обычно бывает закрыта и дымовые газы через заслонку проходят в топочное пространство, а затем и в дымоходы отопительного щитка. Наличие общей дымовой трубы кухонного очага и отопительного щитка позволяет производить в сильные морозы их одновременную топку.

В этом случае дымовые газы из кухонного очага поступают в дымовую трубу по летнему дымоходу (заслонка полностью закрыта). Отопительный щиток нагревается от собственного топливника. Продукты сгорания из топливника и кухонного очага выбрасываются через общую дымовую трубу.

В некоторых отопительно-варочных печах имеются специальные водогрейные коробки, устанавливаемые по ходу газов (преимущественно между духовым шкафом и дымоходами отопительного щитка).

Часто для нагрева воды в кухонных очагах устанавливают змеевики, которые располагают вдоль боковых стенок топливника. Вода, нагретая в змеевиках, поднимается по соединительным трубам в сборный бак. Холодную воду в змеевики подают из водопровода (по мере надобности).

К дополнительному оборудованию отопительно-варочных печей относятся прочистные, поддувальные и топочные дверки, колосниковые решетки и т. п.

Эксплуатация отопительно-варочных печей, работающих на газе, имеет ряд отличий от эксплуатации печей на твердом топливе.

Процесс сжигания газа в топливнике сравнительно легко поддерживать при постоянном коэффициенте избытка воздуха. Для этого следует в начальный период топки установить в определенном положении заслонку, регулирующую поступление воздушного потока.

Следовательно, при сжигании газа в печи создается стационарный режим горения, который дает возможность свести к минимуму потери теплоты с уходящими газами и сравнительно легко осуществить топку печи с высоким КПД (80 - 90%), что почти невозможно получить в печах, работающих на твердом топливе.

Стационарный режим горения газа обеспечивает в течение всей топки печи постоянную температуру в различных зонах чугунной плиты и в духовом шкафу (см. график на рис. 73).

Рис. 73. Характер изменения температур на наружной поверхности чугунной плиты и внутри духового шкафа при топке печи газообразным и твердым топливом: а - чугунная плита; б - духовой шкаф

В процессе приготовления пищи в отопительно-варочных печах приходится регулировать нагрев чугунной плиты и духового шкафа. Это достигается поворотом вручную запорного крана па газопроводе, а поддержание температуры на одном уровне при различных режима топки производится автоматически, так как количество теплоты, выделяющейся в топливнике в единицу времени, остается неизменным.

Следует отметить, что изменение расхода газа или же теплового напряжения топочного пространства практически не отражается на полноте сжигания газа, когда факел эжекционных горелок не соприкасается с поверхностью чугунной плиты. Исследования показывают, что при этом условии полное сжигание газа достигается при тепловых напряжениях топочного пространства до 700 кВт/м³. При больших напряжениях топочного пространства появляются потери теплоты от химического недожога за счет неудовлетворительной организации движения потоков вторичного воздуха.

При обследовании существующих отопительно-варочных печей, эксплуатировавшихся на каменном угле, было замечено, что многие чугунные плиты имеют трещины на поверхности, расположенной над топливником. Растрескивание чугунных плит объясняется тем, что раскаленный слой жирного каменного угля или антрацита, обладающий высокой излучательной способностью, нагревает поверхность чугунной плиты до красного каления. При приготовлении пищи на раскаленную плиту часто попадает вода из кухонной посуды. Вода тут же испаряется, интенсивно охлаждая плиту. В местах охлаждения плиты чугун испытывает сильные напряжения сжатия, в результате чего чугунная поверхность трескается.

При замене твердого топлива газообразным поверхность чугунной плиты при той же тепловой нагрузке в течение 1 ч не нагревается до красного каления, хотя имеет достаточную температуру (400 - 500°С) для быстрого приготовления пищи. Нагрев чугунной плиты в этом случае происходит лишь за счет излучения теплоты полосами углекислоты и водяных паров газового пламени эжекционных горелок, в то время как пламя твердого топлива дополнительно излучает теплоту от раскаленных твердых частиц. Общее излучение от пламени при горении твердого топлива в несколько раз усиливается раскаленным его слоем, равномерно распределенным на колосниковой решетке.

Наблюдения за работой 100 отопительно-варочных печей, переведенных на газ в Ставрополе-краевом, показали, что после трехлетней эксплуатации ни на одной плите не было трещин.

При сжигании газа в отопительно-варочных печах духовой шкаф нагревается больше, чем при сжигании твердого топлива при подаче в топку одинаковых количеств теплоты в единицу времени. Это объясняется тем, что низкая излучательная способность факела газовых эжекционных горелок способствует уменьшению выхода теплоты в зоне топливника. Поэтому теплосодержание (энтальпия) продуктов сгорания газообразного топлива, соприкасающихся со стенками духового шкафа, оказывается больше, чем у твердого топлива (угля или дров). Еще больший нагрев духового шкафа наблюдается при установке в топливнике горелок диффузионного типа за счет того, что их факел, имеющий длину 1,3 - 1,4 м, выходит из пределов топочного пространства в горизонтальный дымоход и непосредственно нагревает стенки шкафа.

Расчеты, проведенные по экспериментальным данным, показывают, что при работе печи на газообразном топливе происходит перераспределение составляющих теплового баланса (различный нагрев ее элементов: плиты, духового шкафа и отопительного щитка): менее интенсивный (равномерный) нагрев плиты и более интенсивный нагрев духового шкафа и дымоходов.

Одной из причин, ранее препятствовавших переводу существующих отопительно-варочных печей на газ, является недостаточная толщина стенки (¹/₄ кирпича) у отопительных щитков. Перевод на газ печей, имеющих толщину кладки в ¹/₄ кирпича, допускается только при наличии металлического кожуха. Это требование вполне справедливо для отопительных печей периодического действия, так как температура продуктов сгорания газа у них в начале первого восходящего дымохода может достигать 700 - 750°С и выше. В отопительно-варочных печах продукты сгорания, пройдя под чугунной поверхностью плиты и вдоль стенок духового шкафа, поступают в отопительный щиток более охлажденными. На рис. 74 приведен график изменения температуры уходящих газов при входе в первый восходящий дымоход отопительной печи и при входе в первый канал отопительного щитка обычной отопительно-варочной печи. На графике видно, что температура продуктов сгорания газа в последнем случае не превышает 310 - 390°С. Графоаналитический расчет по методу конечных разностей показывает, что температура на наружной поверхности отопительного щитка с толщиной стенки в ¹/₄ кирпича в момент максимального нагрева печи не превышает 95 - 100°С. Экспериментальные исследования показывают, что и при нормальной тепловой нагрузке (и даже в 1,5 раза большей) температура на наружной поверхности такого рода отопительных щитков не превышает 125 - 128°С.

Рис. 74. Температура продуктов сгорания в первой зоне газоходов отопительной и отопительно-варочной печи

Таким образом, наличие в газовых отопительно-варочных печах чугунной плиты и духового шкафа резко уменьшает температуру продуктов сгорания и исключает возможность перегрева, а следовательно, и разрушения отопительных щитков с толщиной стенки ¹/₄ кирпича.

Характерной особенностью отопительно-варочных печей, переведенных на газ, является относительное постоянство температур продуктов сгорания у заслонки. Через 15 мин после начала топки температура уходящих газов у заслонки составляет 110°С, а в конце топки (через 2,5 ч) не превышает 150°С.

Существует мнение, что при переводе отопительно-варочных печей на газ увеличивается пожарная опасность. Специальные исследования показали, что при чрезмерной форсированной топке (τ=10 ч, В=2,2 м³/ч) максимальная температура продуктов сгорания у заслонки не превышала 350°С. Теоретический расчет методом конечных разностей, а также экспериментальная его проверка показывают, что при форсированных топках нагрев наружной поверхности противопожарных разделок не превышает допустимых нормативных пределов. Для проверки возможности проникания в помещение продуктов сгорания из-под конфорок были проведены испытания отопительно-варочных печей трех конструкций (испытания проводились летом при температуре наружного воздуха 28 - 30°С, т. е. в то время, когда в печи создается слабая тяга).

Результаты испытаний позволили сделать следующие выводы: при минимальном разрежении в зоне под заслонкой в начале топки (2 - 3 Па) под конфорками наблюдалось такое же разрежение, поэтому продукты сгорания не могли проникать в отапливаемое помещение, а, наоборот, воздух из помещения засасывался через щели чугунных конфорочных колец в топочное пространство; в том случае когда под заслонкой печи отсутствовало разрежение, не удавалось создать тягу в топливнике и включить в работу горелку, гак как в топочное пространство не поступал воздух. Чтобы создать тягу в печи, необходимо было прогреть дымовую трубу. После того как в зоне под заслонкой создавалось разрежение, -пуск горелки в работу осуществлялся без всяких затруднений. Таким образом, при нормальной тяге (минимальном разрежении) продукты сгорания не могли проникнуть в помещение, а тем более при отсутствии тяги, когда вообще невозможно включить печь в работу.

Особенностью отопительно-варочных печей является наличие у них двух естественных взрывных предохранительных клапанов (в виде конфорок на чугунной плите, закрытых притертыми чугунными кольцами). Эффективность их действия при взрыве газовоздушной смеси в топливнике была проверена на двух отопительно-варочных печах трехоборотной с отопительным щитком и "шведке"), для чего в их топливники (через горелки ГДП-1,5) подавали различные количества газа.

Анализ результатов испытаний показывает, что конфорочные кольца на чугунной плите предохраняют кладку печи при взрыве газовоздушной смеси, но до определенных пределов. Так, при поступлении в топливник 68 - 78 л газа и его взрыве конфорки, приподнимаясь вверх, настолько ослабляли силу взрывной волны, что она не могла произвести каких-либо разрушений. При подаче большого количества горючего газа (120 - 160 л) и его взрыве конфорки не могли полностью ослабить силу взрывной волны, возникающей в топливнике, и она производила некоторые нарушения плотности кирпичной кладки. Если же конфорочные кольца прочно закладывались кирпичами (наглухо прижимались к поверхности чугунной плиты и искусственно создавались условия работы печи с закрытой поверхностью), то даже взрыв небольших количество горючего газа (15 - 20 л) в топливнике приводил к значительным повреждениям кладки печей и необходимо было проводить их капитальный ремонт.

Обследование работы в Ставрополе-краевом 100 отопительно-варочных печей, переведенных на газ в течение трех отопительных сезонов, показало, что стоимость отопления жилых помещений с их помощью была намного ниже, чем с помощью печей, работающих на твердом топливе.

Таким образом, можно отметить следующие особенности работы отопительно-варочных печей на газообразном топливе:

стационарность режима горения, в результате чего в топливнике в течение всего времени топки поддерживаются постоянными количество избыточного воздуха и температура, что при правильно организованном процессе горения позволяет эксплуатировать их с более высоким КПД, чем те же печи, работающие на твердом топливе;

удобство регулирования и возможность поддержания на одном уровне температуры на наружной поверхности чугунной плиты и в духовом шкафу;

увеличение срока службы чугунной плиты;

отсутствие необходимости периодической чистки дымоходов;

простоту включения и выключения печи в любое время суток, что дает возможность легко регулировать температуру воздуха в отапливаемом помещении;

более дешевую (в 2,5 - 3 раза) эксплуатацию печей на газообразном топливе, чем на твердом топливе.