I. Комнатная печь системы проф. В. Е. Грум-Гржимайло

В известных до сих пор печах топочные газы из хайла топки направляются в так называемые "обороты". Проходя по этим "оборотам", горячие газы, соприкасаясь с холодными поверхностями кладки, стынут, отдают свое тепло кладке печи и после охлаждения удаляются дымовой трубой наружу. В одних печах дым последовательно проходит из одного "оборота" в другой, пока не выйдет в дымовую трубу, в других печах дым подымается из топки по одному "обороту" вверх, оттуда спускается вниз одновременно по нескольким "оборотам". Внизу дым собирается и отводится в дымовую трубу. Отличаясь между собою деталями, эти комнатные печи построены на одном принципе - принципе принудительного движения дымовых газов.

Во время топки печи и ее прогревания топочные газы принудительно проходят через "обороты" "и нагревают печь. Эти печи могут быть достаточно экономичны. Но для этого нужен умелый уход за печью и плотные затворы, вьюшки и пр. При неумелом уходе в топку врывается холодный воздух. Этот холодный воздух проходит по нагретым "оборотам", студит их, и уносит тепло в дымовую трубу. Если же уход за печью был правилен и поглощение печью тепла топлива во время топки было достаточно полным, но вьюшка недостаточно плотно укреплена в кладке тли недостаточно плотно закрывает дымовую трубу, то через эти неплотности дымовая труба отсасывает из печи горячий воздух. Этот воздух вошел в топку холодным; в топке и затем в "оборотах" он согрелся за счет тепла печи и нагретым удалился в дымовую трубу. Следовательно, в течение всего времени перерыва между топками тепло уносится из печи через дымовую трубу наружу. Только часть тепла, поглощенного печью из топлива во время топки, передана печью помещению.

При некоторых неисправностях в кладке горячие газы могут неохлаждаемыми направиться непосредственно в дымовую трубу вместо того, чтобы пройти по "оборотам".

"Обороты" часто вызывают разрушение печи; прогреваясь сильнее наружных стенок и расширяясь, они вызывают растрескивание наружных стенок печи и разрушение ее.

Комнатная печь проф. В. Е. Грум-Гржимайло построена на принципе свободного движения газов.

Чертеж этой печи дан на рис. 1. Существенной особенностью ее является то, что она от пола до свода представляет одну общую камеру без каналов и "оборотов", с установленной посередине этой камеры топкой и удалением газов из этой камеры в дымовую трубу внизу у самого пола. Для увеличения же поверхности кладки, охлаждающей газы, устроены контрфорсы, торчащие из наружных утенок внутрь камеры печи.

Рис. 1

В комнатной печи проф. В. Е. Грум-Гржимайло движение газов свободно.

Выйдя из хайла X, газы могут направиться вверх к своду, гам изменить направление своего движения и вдоль наружных стенок спуститься вниз к выходному отверстию C в дымовую трубу. Газы могут направиться также, выйдя из хайла X, и непосредственно к выходному отверстию в дымовую трубу. Такое изменение направления движения газов, зависящее от их температуры, происходит в печи проф. В. Е. Грум-Гржимайло).

Когда газы поступают из топки через хайло X в камеру A горячими, то они направляются сначала кверху к своду, там расплываются и затем нисходящими струйками опускаются вниз.

Направиться из хайла X прямо в дымовую трубу горячие газы не могут. Камера заполнена тазами различной температуры, значит и различного удельного веса, в центре горячими и легкими газами, стремящимися всплыть вверх, у наружных стен контрфорсов - остывшими газами, падающими вниз. Через отверстие C дымовая труба отсасывает из камеры топочные газы, но удаляет она те тазы, которые непосредственно находятся у отверстия C; у этого же отверстия находятся остывшие, отяжелевшие газы. По мере удаления их дымовой трубой к отверстию C притекают сверху все новые и новые количества остывших и отяжелевших газов, выдавливаемых из-под свода в оплывающей из хайла вверх струей теплого, легкого газа. Чем горячее и легче струя газов тем сильнее ее стремление по выходе из хайла всплыть вверх и тем меньше для нее возможности, не охладившись, направиться "непосредственно в дымовую трубу.

Достигнув свода, газ расплывается и заполняет полость камеры между контрфорсами, где, соприкасаясь с кирпичной кладкой контрфорсов и наружной стенкой, остывает, делаясь тяжелее, падает вниз и упирается в дымовую трубу. Наиболее остывают частицы газа, соприкасающиеся с наружной стенкой печи, и только этот кольцевой поток газов у наружной стенки камеры имеет резко выраженное направление вниз и скорее других частиц газа, находящихся между центральной горячей струей и наружной стенкой камеры, достигает выходного отверстия C и уходит в дымовую трубу. Явление происходит так, как изображено на рис. 1, фиг. 1.

После того, как горение в топке закончено, направление движения газов изменяется. Камера печи уже прогрета. Она заполнена горячим легким газом. Если через хайло X в камеру A поступает холодный воздух, то, будучи тяжелее газов, заполняющих камеру A, он не в состоянии всплыть вверх. Горячие легкие газы, заполняющие камеру, плавают над холодным тяжелым воздухом, препятствуя проникновению его вверх. Холодный тяжелый воздух, встречая препятствие со стороны легкого горячего воздуха, заполняющего камеру, направляется прямо в дымовую трубу, минуя нагретую камеру печи. Камера A выключается. Печь, если можно так выразиться, имеет "автоматическую газовую вьюшку". Явление происходит, как изображено на рис. 1 фиг. 2.¹.

¹ (Подробнее о движении газов смотри: И. Подгородник "Печи домашнего обихода сист. проф. В. Е. Грум-Гржимайло")

Поступающий с некоторой скоростью из хайла в камеру A холодный воздух войдет в соприкосновение с нагретыми газами и тем самым потревожит их спокойное состояние и несколько остудит их и части печи ниже хайла. Но все же остуживание нагретой печи холодным воздухом происходит слабее, чем в печах с "оборотами". В печах с "оборотами" холодный воздух проходит по тому же пути, что и горячие газы, и студит всю печь.

В простом опыте можно наблюдать движение газов, какое происходит в печи Грум-Гржимайло. Для этого нужно взять стакан, опрокинуты его вверх дном и снизу в центре подвести дымящуюся папироску. Струйка дыма будет подниматься в центре вверх до донышка, под донышком расплываться и затем кольцами падать вниз вдоль стенок стакана.

Движение газов в печи Грум-Гржимайло было проверено также в физико-техническом отделе Ленинградского теплотехнического института (бывш. физико-технологическая лаборатория ЛФТЛ) сотрудником Мосгипромеза инж. В. А. Баум на водяных моделях. Рис. 2 дает фотографию этого движения, причем фиг. 1 и 2 соответствуют случаю, поступления в камеру горячего газа, а фиг. 3 соответствует случаю поступления в прогретую камеру холодного воздуха. На фиг. 1 и 2-й видно, что горячие легкие газы поднимаются из хайла до свода камеры печи и затем вдоль стенок падают вниз, где удаляются дымовой трубой. Струйка горячего легкого газа, выходящая из бокового отверстия топки, тоже поднимается вверх.

Рис. 2. Фотографии движения газов в печи проф. В. Е. Грум-Гржимайло. Фигуры 1 и 2 соответствуют поступлению горячего газа в печь. Фиг. 3 соответствует поступлению холодного воздуха в прогретую печь

На фиг. 3, соответствующей впуску в прогретую печь холодного воздуха, видно; что холодная струя, выйдя из хайла, сразу расплющивается и направляется вниз в дымовую трубу. Струя из бокового отверстия топки также направляется вниз в дымовую трубу. Характер движения струй, при сравнительно сильном изменении форсировки, изменялся лишь в том, что при больших скоростях увеличивалось эжектирующее действие струи газов, выходящих из топки.

На фиг. 1 рис. 2, соответствующей незначительной скорости струи, она подымается к своду камеры спокойно, не увлекая за собою вверх окружающих холодных частиц.

На фиг. 2 рис. 2, соответствующей большей скорости струи, она увлекает за собою вверх окружающие частицы и перемешивается с ними, и очертания струи теряются раньше, чем на фиг. 1.

Фотографии эти подтверждают, что выходящая из хайла струя горячих газов замешивается окружающими ее холодными газами и, чем больше скорость струи, тем больше это перемешивание. Печь по фиг. 2 будет иметь по высоте меньшую разность температур, чем печь, работающая в условиях фиг. 1.

Эти же фотографии подтверждают, что падают остывшие частицы газа, непосредственно прилегающие к холодной внутренней поверхности печи. Особенно это заметно на фиг. 1, где количество подаваемой в "топку" воды было небольшое и где небольшие скорости движения, вызванные подачей воды, не затушевывают движения воды, обусловленного остыванием частиц ее у стенок и поэтому это движение воды от остывания у стенок вырисовывается резче. Факт падения остывающей струи непосредственно у плоскости прилегания к стенке представляет большой интерес.

Фиг. 3 соответствует прорыву холодного воздуха в топку. Даже при большой скорости выходящая струя не пробивает лежащего на ее пути слоя, а сейчас же, свертывая, уходит в трубу. Уходит в трубу и струя, выходящая из бокового отверстия топки.

При небольших количествах холодного воздуха последний весь выливается из топки через отверстие в боковой стенке в дымовую трубу, не достигая хайла топки.

Однако, простое механическое приложение принципа Грум-Гржимайло может дать и неблагоприятные результаты. Для того, чтобы движение газов происходило в печи так, как изображено на фотографиях, необходимо, чтобы поперечное сечение печи, струи газов и высота печи находились в известном соотношении между собой. Необходимо, чтобы сечение струи газов было незначительно сравнительно с поперечным сечением печи. При большем сечении струи, близком к поперечному сечению печи, горячая струя заполнит все сечение печи и не оставит места для нисходящих, остывающих струй. Движения газов, подобного изображенному на фиг. 1 рис. 1, не произойдет. Камера А печи заполнится газами, но эти газы не будут обмениваться новыми и останутся в относительном покое, и поток горячих газов, не имея возможности проникнуть кверху к своду, почти весь направится непосредственно в дымовую трубу по пути, изображенному на фиг. 2. "Низ печи окажется прогретым, верх останется холодным. Подобное искажение принципа Грум-Гржимайло в условиях печной практики может быть редким, но при устройстве маленьких печей с небольшим поперечным сечением оно возможно.

Если высота печи взята большая, сравнительно с поперечным ее сечением, то поднимающаяся и расширяющаяся струя газов придет в соприкосновение с боковыми стенками раньше, чем достигает свода (рис. 3). Основное движение газов и приток тепла будет происходить ниже линии aa. Газы выше уровня - aa, подпертые струей снизу, будут находиться в относительном покое.

Холодные газы не могут оставаться в покое над горячими газами. Они будут стремиться опускаться вниз, а горячие газы подняться вверх, но циркуляция их замедлится. Две одинакового сечения струи, двигаясь навстречу друг другу, могут продолжать это движение только преодолевая сопротивление друг друга. Поэтому печь выше уровня aa будет прогрета слабее.

Рис. 3

На фиг. 4 изображено движение воды в модели в описанных условиях (воспроизведено в лаборатории "Мосгипромеза").

Рис. 4

В стеклянный цилиндр впускалась окрашенная струя воды. Эта струя поворачивает вниз к выходному отверстию, не достигнув верха модели приблизительно ¹/₃ высоты. Интенсивное движение воды в модели происходит на ²/₃ ее высоты. Вода верхней части модели находится в покое.

Снимок сделан из момент, когда струя свое направление снизу вверх изменила на обратное сверху вниз, но струя еще не опустилась до самого низа. Опыты производились с холодной водой. Для определения направления движения воды в струю воды по временам впускалась черная анилиновая краска, окрашивавшая струю воды.

Больший прогрев внизу, чем вверху наблюдался при исследовании лабораторией Мосгипромеза работы металлической печи, построенной по рис. 3. Для выяснения причины этого явления, движение газов было проверено на водяных моделях. Опыт с водяной моделью (рис. 4) сделал совершенно ясным причину этого явления.

Основное свойство печи Грум-Гржимайло изменять направление движения газов - делает ее экономной. Как при топке, так и при остывании печь не выдувается холодным воздухом. Впитанное печью во время топки тепло передается помещению в большей мере, чем в печах с "оборотами". В печах с "оборотами" значительная часть тепла может быть унесена в дымовую трубу. В печи Грум-Гржимайло небрежный или неопытный уход за печью и неплотность затвора во время остывания, благодаря автоматическому изменению направления движения горячих и холодных газов, не оказывает таких неблагоприятных результатов на расход топлива для отопления помещения, как это бывает с печами с принудительным движением газов, печами с "оборотами". Если вьюшки или задвижки неплотно закрывают дымовую трубу, то дымовая труба отсасывает из печи воздух. Этот воздух входит в топку холодным и холодным он удаляется в дымовую трубу, почти не остужая печь. Явление происходит, как указано на фиг. 2 рис. 1.

В моделях этот случай движения соответствует изображенному на фиг. 3 рис. 2.

Сравнение расхода топлива на отопление квартир, обогреваемых печами с "оборотами" и печами Грум-Гржимайло, было проведено Бюро металлургических и теплотехнических конструкций в рабочем поселке завода "Металлист" в Горьком. Это обследование показало, что расход топлива в квартирах, отапливаемых печами Грум-Гржимайло, в среднем был на 30% меньше, чем в квартирах, отапливаемых голландскими печами.

Уменьшение расхода топлива нужно отнести только за счет автоматического изменения направления движения горячих и холодных газов.

Печи Грум-Гржимайло были в два раза меньше голландских печей.

Уменьшение размеров печи нужно отнести за счет более равномерной прогреваемости поверхности печи, благодаря чему почти вся поверхность печи участвует в отдаче тепла помещению.

Рис. 5. Кладка круглой печи системы профессора В. Е. Грум-Гржимайло

Особо ценными я считаю круглые печи Грум-Гржимайло. Чрезвычайная простота и прочность кладки, быстрый и равномерный нагрев, минимальная наружная поверхность, отдающая тепло помещению и сильно развитая внутренняя поверхность кладки, представляющая большой запас тепла, поддерживающий температуру течи при остывании и придающий ей характер печи большой теплоемкости, резко выделяют ее среди других печей, особенно утермарковского типа.

Рис. 6. Кладка квадратной печи системы профессора В. Е. Грум-Гржимайло