Функциональные элементы печей

Топливник и дымообороты - основные части печи. Размеры и конструкции топливников, как и системы дымооборотов, зависят от топлива, а также от силы тяги в дымовой трубе.

Функциональные элементы печи - топливник, где создаются оптимальные условия горения топлива, и конвективная система (система дымооборотов), которая обеспечивает полное использование теплоты образовавшихся в топливнике продуктов сгорания.

Печные устройства делят на подтопочную и надтопочпую части. Подтопочная часть состоит из зольника, шанцев, гидроизоляции и фундамента, а надтопочная - из конвективной системы, воздушной и варочной камер, вытяжных каналов, баков для подогрева воды, а также дымовой трубы (рис. 4).

Рис. 4. Элементы отопительных печей: 1 - шанцы; 2 - подтопочный канал нижнего обогрева; 3 - топливник; 4 - проем в перекрытии топливника (хайло); 5 - чистки; 6, 7 - задвижки; 8 - дымовой канал (дымоход); 9 - разделка; 10 - перекрытие; 11 - теплоизоляция; 12 - выдра; 13 - дымовая труба; 14 - перекрыша; 15 - душники; 16 - конвективная система; 17 - камера; 18 - свод; 19, 21 - дверцы; 20 - решетка; 22 - поддувало (зольник); 23 - гидроизоляция; 24 - фундамент

В топливник 3 через топочную дверцу 19 загружают топливо. В процессе горения его образуются дымовые газы, которые сначала поднимаются к перекрытию топливника - своду 18, затем через газовыпускной проем (хайло) 4 поступают в конвективную систему 16. Здесь горячие газы циркулируют по газоходу, который начинается за хайлом 4 и заканчивается у второй дымовой задвижки 7. Газоход состоит из одного или нескольких дымооборотов, в которых газы попеременно изменяют свое движение в противоположных направлениях.

Пройдя газоход, продукты сгорания направляются в канал 8 дымовой трубы - дымоход, в котором для регулирования скорости движения потока горячих газов и прекращения их циркуляции установлены задвижки 6 и 7. В местах прохода дымовой трубы 13 через сгораемое перекрытие 10 стенки дымохода выполняют утолщенными, в результате образуется противопожарная разделка 9. При толщине разделки более 250 мм пространство между трубой и перекрытием заполняют минеральной ватой или войлоком 11, смоченным в глине.

Участок дымовой трубы 13, возвышающийся над кровлей, называют оголовком. Его стенки выкладывают так, чтобы образовался выступ 12, именуемый "выдрой". Сверху печь перекрывают несколькими (не менее трех) горизонтальными рядами кирпича - перекрытием или перекрышей 14. Некоторые конструкции печей снабжают душником 15, который используется для нагрева помещения в начале процесса топки, когда массив печи еще не прогрелся. Для этого же служат тепло-воздушные камеры 17, - открытые полости, которые обогреваются дымооборотами, но не сообщаются с ними.

Для поддержания процесса горения в топливник 3 через поддувальную дверку 21 поступает воздух. Пространство под топливником одновременно выполняет две функции: подводит воздух к колосниковой решетке 20 и служит сборником золы. Оно называется поддувалом и зольником 22.

Чтобы повысить интенсивность прогрева подтопочной части, в некоторых конструкциях печей прокладывают подтопочный канал 2 нижнего обогрева, находящийся ниже колосниковой решетки 20. Иногда подтопочная часть содержит сообщающиеся с помещением небольшие тепловоздушные каналы 1, через которые циркулирует воздух обогреваемого помещения. Благодаря этому повышается эффективность теплоотдачи печи и устраняется перегрев пола, на котором она установлена.

Как правило, массивные печи возводят на собственном фундаменте, который обеспечивает устойчивость всей конструкции, препятствует образованию осадочных трещин. Если фундамент находится во влажном грунте, между ним и кирпичной кладкой печи укладывают слой гидроизоляции.

При эксплуатации печей в нижних точках конвективной системы 16 выпадают сажа и летучая зола. Эти вещества удаляют через чистки 5 - небольшие металлические дверки, установленные в местах, где дымовые газы совершают поворот снизу вверх.

Топливники печей представляют собой кирпичную камеру, где на поде, снабженном колосниковой решеткой, сгорает топливо. Воздух для поддержания горения поступает через поддувало (зольник) и распределяется колосниковой решеткой. Количество воздуха, поступающего в топливник, регулируют дверкой зольника, расположенной в стенке топливника.

Топливники печей футеруют огнеупорным или тугоплавким кирпичом. Футеровка - это защитная облицовка внутренней поверхности топливника, предохраняющая стенки и свод печи от действия высоких температур.

Топочная камера - пространство, заключенное между стенками, подом и перекрытием (сводом), она соединяется с конвективной системой проемами (хайлами). Размеры топливника определяют из условия одновременной загрузки в него всего количества топлива на одну топку.

В топливнике должно полностью сгорать топливо, не попадая в дымообороты в виде несгоревших частиц, засоряющих их и снижающих нагревание стенок. Топливники делают такой высоты, чтобы после укладки топлива между ними и перекрытием оставалось пространство, необходимое для того, чтобы все проходящие по нему несгоревшие частицы топлива могли сгореть. В этом случае горение заканчивается внутри топливника и топливо используется полностью.

Для равномерной подачи воздуха к сгораемому топливу применяют колосниковые решетки и поддувальные отверстия. Решетки изготовляют из чугуна, который слабо окисляется под воздействием кислорода при высокой температуре. В топливниках теплоемких печей колосники и колосниковые решетки укладывают на кирпичи или вытесанные в них четверти.

Чтобы зола и мелкий шлак проваливались через промежутки (зазоры) между колосниками, их выполняют клинообразной или конусной формы. Форма колосников, их толщина и сечение решетки зависят от вида топлива и размеров его кусков (поленьев). Топливо, в котором преобладают большие куски, с большим выходом летучих веществ (дрова, брикет), лучше сгорает на балочных колосниках, сформированных в блок с сечением 20-40% по отношению ко всей площади решетки. При сжигании топлива из мелких кусков, а также многозольного с малым выходом летучих веществ (тощие угли, торф) применяют плиточные колосниковые решетки с сечением 10-15%. Общая площадь решетки определяется ее наружными размерами.

Зазоры в колосниковых решетках из брусчатых элементов образуются в результате выступов размером 3 мм на торцах брусков. Такие колосники, уложенные вплотную один к другому, образуют зазор 6 мм. Для сжигания бурого угля, брикетов из торфа, дров и другого неспекающегося топлива такой зазор наиболее приемлем. Для сжигания антрацита и других подобных углей применяют колосниковые решетки с балочными колосниками, имеющими уширенный торец (12 мм) и увеличенные выступы (4 мм), благодаря чему зазоры достигают необходимых размеров (8 мм).

При установке колосниковой решетки в печи между ее сторонами и кладкой топливника оставляют деформационный шов размером не менее 5 мм, что обеспечивает тепловое расширение колосников при нагреве. Верх решетки располагают ниже кромки топочной дверки не менее чем на 50 мм, что устраняет опасность выпадения горящих углей из печи. Решетку устанавливают таким образом, чтобы топливо размещалось на широкой горизонтальной плоскости колосников. При неправильном положении решетки зазоры забиваются золой и шлаком, что ведет к неполному сгоранию топлива и перегреву колосников.

Колосниковые решетки устанавливают с небольшим уклоном к топочной дверке, что обеспечивает хорошее отделение пламени от дыма и способствует сгоранию удаленного от топочной дверки топлива.

В зависимости от топлива различают топливники для дров, каменного угля и антрацита, торфа и т. д.

Размеры топливника определяются условиями, обеспечивающими полное сгорание расчетного количества топлива и оптимальное тепловое напряжение топочного объема. Дрова и торф содержат много летучих веществ и дают при горении большое пламя. Они должны иметь большой объем топочного пространства.

Высота топливника для дров, считая от колосниковой решетки, колеблется от 800 до 1000 мм (рис. 5). При недостаточной высоте топливника горение протекает плохо, летучие вещества не успевают сгореть и в значительном количестве заполняют газоход, где вследствие небольших температур процесс горения прекращается. Это приводит к тому, что несгоревшие частицы осаждаются на плоскостях каналов, образуя слой сажи, ухудшающий аккумуляцию теплоты массивом печи. Печь с такой топкой неэкономична.

Рис. 5. Топливник для дров: 1 - поддувало; 2 - топливник; 3 - свод

Под топливника имеет откосы-скаты к решетке для скатывания углей. Колосниковую решетку ставят ниже уровня топочной дверки, поэтому решетку заглубляют на один ряд кладки против нижней кромки топочной дверки. Дрова укладывают плашмя или клеткой. Если высота топлива 300-400 мм, то свободное пространство над ними должно быть 500-600 мм. Дверки можно применять любые, но лучше герметические. Топливник рекомендуется футеровать (облицовывать) огнеупорным кирпичом.

Топливник для каменного угля и антрацита. Каменный уголь для горения требует значительно большего поступления воздуха в топливник, чем при сжигании дров (приблизительно на 70%). В связи с этим сечение и площадь колосниковой решетки у топливников для сжигания угля должны быть также больше (рис. 6, а). Колосники у таких решеток выполняют выше, чем для дров, в противном случае они будут деформироваться от теплового напряжения, возникающего при сжигании угля.

Рис. 6. Топливник для каменного угля (а) и антрацита (б): 1 - колосниковая решетка; 2, 3 - дверцы; 4 - своя; 5 - газоход; 6 - футеровка; 7 - шахта; 8 - емкость с водой

Для эффективного сжигания антрацита требуется толстый слой топлива, в котором развивается достаточно высокая температура. Антрацит горит небольшим пламенем, с малым выходом летучих веществ, поэтому объем топочного пространства топливника для антрацита может быть почти в два раза меньше, чем для дров (рис. 6, б). Антрацит не спекается, продукты его негорючей массы легко отделяются и из топливника проваливаются в зольник.

Учитывая, что при горении развивается высокая температура, стенки топливника и перекрытия выкладывают из огнеупорного кирпича, так как обыкновенный кирпич быстро разрушается. Колосниковую решетку заглубляют на 300-350 мм. Топливник для антрацита требует значительного сужения нижней части его над решеткой, чтобы антрацит горел сравнительно толстым слоем. Колосниковую решетку ставят тяжелую, выдерживающую высокую температуру. В дымовых задвижках или вьюшках просверливают отверстия, чтобы после их закрытия могли проходить газы и вытягивался запах.

Топливник для торфа оборудуется такой же колосниковой решеткой, как и для дров. Дровяные топливники эффективны только для сжигания сухих торфяных брикетов, прошедших длительную сушку, а торф влажностью 25-30% может сжигаться в топливниках с колосниковыми решетками увеличенных размеров (рис. 7, а). Стенки топливника должны иметь скаты к колосниковой решетке. Высота топливника - 650-750 мм. Торф закладывают в топку слоем 250 мм, чтобы над топливом оставалось пространство 400-500 мм. Зольник изготовляют особой конструкции, более емкий, так как при сгорании торфа образуется много золы. Лучше всего под колосниковой решеткой установить металлический ящик, из которого по мере заполнения можно удалять золу через поддувальную дверку.

Рис. 7. Топливники для торфа: а - влажного; б - сухого; 1, 2 - колосниковые решетки; 3-5 - дверцы; 6 - пароотводящая щель; 7 - хайло

Влажный торф следует просушить. Для торфа повышенной влажности применяют топливник специального типа с двумя колосниковыми решетками (рис. 7, б). Высота топливника - 820, ширина - 455 мм. Учитывая большое количество водяных паров, образующихся при сгорании, для их выхода вверху топливной камеры устраивают специальное отверстие. Воздух для горения поступает через поддувальную дверку, а шуровку топлива выполняют через дверку, расположенную над поддувалом или между двумя колосниковыми решетками. Зазоры в колосниковых решетках делают не более 8-10 мм. Дымовая задвижка или вьюшка также должны иметь сквозные отверстия.

Шахтный топливник применяют в печах, где происходит длительная топка кусковым топливом (рис. 8). Для разжигания печи на колосниковую решетку кладут мелкие дрова или другую растопку, на которую через топочную дверку засыпают немного угля и зажигают дрова. Когда они разгорятся, загружают остальное топливо. По мере сгорания нижних слоев верхние постепенно опускаются. В таких печах возможно скопление газов, поэтому для их отвода в дымоходе, вверху топливника, устроено сквозное отверстие. Кладку топливника выполняют из огнеупорного кирпича, колосниковые решетки или колосники должны быть массивными, гарнитура герметичной. В задвижке или вьюшке устраивают сквозные отверстия. В таком топливнике можно сжигать кусковой торф или торфяные брикеты.

Рис. 8. Шахтный топливник: 1 - противень; 2 - колосниковая решетка; 3 - поддувальная дверца; 4 - шуровочная дверца; 5 - шахта; 6 - загрузочная дверца; 7 - газовыпускное отверстие

Дымообороты - каналы, расположенные внутри массива печи, которые соединяются с топливником и дымовой трубой. Предназначены для восприятия тепла от сгораемого топлива, тепло передается массиву печи. Каналы бывают вертикальные (стоячие) и горизонтальные (лежачие), я также подъемные и спускные. Переход из одного канала в другой поверху - перевал, такой же переход внизу - подвертка. Сечение каналов: кирпич на кирпич (260×260 мм), кирпич на половину (260×130 мм), воловина кирпича на половину (130×130 мм).

Внутренние поверхности каналов должны быть гладкими и ровными, что уменьшает сопротивление проходу дымовых газов. Нормальная температура отходящих из печи газов перед выходом в дымовую трубу - 120-140°. Если температура достигает 250-300°, это свидетельствует о заниженной поверхности дымооборотов, слишком низкая температура (ниже 100°) - значит, излишне велики поверхности стенок дымооборотов. Это может привести к выпадению конденсата, который, проникая через кладку, постепенно разрушает ее.

Печь должна равномерно прогреваться. Перегрев верхней части нежелателен, так как в этой зоне тепло мало ощущается. Немалую роль играет общая протяженность дымооборотов, особенно количество поворотов, усиливающих сопротивление.

Системы дымооборотов в печах бывают разными: канальными, бесканальными и смешанными, малооборотными и многооборотными. Малооборотные системы имеют один подъемный канал и один или несколько опускных, соединенных параллельно, газы в которых идут в одном направлении (с одним и многими опускными каналами, рис. 9, а). В многооборотных системах дымовой канал состоит из последовательно соединенных вертикальных и горизонтальных участков, где газы, направляясь к трубе от топливника, преодолевают большое количество оборотов (рис. 9, б). Печи с такой системой оборотов прогреваются неравномерно, требуют повышенной тяги, обилие оборотов повышает оседание сажи. Их трудно очищать.

Рис. 9. Малооборотные и многооборотные системы печей: 1 - с вертикальными каналами; 2 - с горизонтальными каналами

В бесканальной системе - колпаковой - дымовые каналы отсутствуют, а над топливником имеется камера в виде колпака (рис. 10). Из топливника под камерой проходит входное отверстие, а также боковое для отвода охлажденных газов. Горячие газы попадают из топливника в колпак, поднимаются до перекрыши печи, расходятся по стенкам и нагревают их, а остывая, опускаются вдоль стен к низу камеры и через второе боковое отверстие попадают в трубу. Для лучшего нагревания в колпаке иногда делают продольные перегородки на всю его высоту, образуя как бы колодцы. Эта система проста в выполнении, имеет наименьшее газовое сопротивление, тепловая энергия топлива используется наиболее полно.

Рис. 10. Бесканальная система печи (колпаковая)

В системе с преимущественным нижним прогревом обеспечивается наибольший нагрев нижней части печи (рис. 11). Сначала горячие газы из топливника опускаются вниз, нагревая нижнюю часть печи. Слегка охладившись они направляются вверх. Верхняя часть делается однооборотной или в виде колпака. Такая система наиболее эффективна.

Рис. 11. Схема печи с преимущественным нижним прогревом

Дымовая труба - неотъемлемая часть каждого очага. Назначение ее - отвод из печи наружу дымовых газов, образующихся при сгорании топлива в топливнике, и одновременно содействие подсосу воздуха для горения. Чтобы заставить дымовые газы пройти из топливника через дымообороты печи до дымовой трубы, преодолев все встречающиеся на пути сопротивления, необходимо затратить некоторое усилие, большее чем сопротивление, которое испытывают дымовые газы при движении. Эту силу называют силой тяги печи.

Все газы, в том числе и окружающий воздух, имеют вес. При нагревании они расширяются, становятся легче, при охлаждении сжимаются - тяжелеют. Температура дымовых газов, заполняющих трубу, составляет около 150° - значительно выше температуры наружного воздуха. В результате в печи возникает движение дымовых газов и воздуха в определенном направлении, т. е. в направлении тяги.

Сила тяги тем выше, чем больше разность температур между дымовыми газами в трубе и наружным воздухом и чем выше труба. Чтобы усилить тягу, нужно увеличить высоту трубы или повысить температуру уходящих газов. Первое условие не всегда осуществимо, а второе - невыгодно. Следовательно, конструкция печи должна быть такой, чтобы сопротивление движению газов по дымооборотам по возможности было минимальным. Для этого необходимо соблюдать следующие правила: дымообороты печи должны быть небольшой протяженности и иметь малое число поворотов; размеры (сечение) дымовой трубы соответствовать количеству отводимых дымовых газов; дымовые газы при выходе в трубу должны иметь температуру 120-140°; высота дымовой трубы, считая от колосниковой решетки, не ниже 5-6 м (для одноэтажных зданий).