10513

160

жим. Наибольшая теплоотдача печи приходится на конец топки, когда темпера-

тура ее стенок достигает максимума. Наименьшая теплоотдача относится ко времени перед началом очередной топки. При печном отоплении происходит постоянное изменение температуры помещения, зависящее от его теплоустой-

чивости. Достаточно теплоустойчивым считают помещение, в котором при не-

равномерно передающей теплоту отопительной печи обеспечиваются колеба-

ния температуры воздуха в пределах ±3°С.

Печное отопление имеет распространение и в настоящее время. В России почти треть жилищного фонда (в основном за счет старых домов в сельской местности) оборудована печами. При новом капитальном строительстве печное отопление применяется ограниченно.

По действующим нормам [2] не допускается применение печей для отоп-

ления производственных помещений категорий А, Б и В. Устройство печного отопления в городах и населенных пунктах городского типа должно специаль-

но обосновываться.

Печное отопление допускается в жилых и административных зданиях при числе этажей не более двух (не считая цокольного этажа), небольших об-

щественных зданиях (например, в общеобразовательных школах при числе мест не более 80), производственных помещениях категорий Г и Д площадью не более 500 м2.

Распространение печного отопления объясняется его достоинствами:

меньшей стоимостью устройства по сравнению с другими видами отопления,

малой затратой металла (только на колосниковую решетку, дверцы, задвижки,

иногда на каркас), простотой устройства и обслуживания, независимостью отопления отдельных помещений, одновременным обеспечением вентиляции помещений, возможность использования любого местного твердого топлива.

Достоинства печного отопления свидетельствуют о его широкой доступ-

ности. Однако установленные ограничения в отношении дальнейшего распро-

странения (отметим еще раз, что печное отопление иногда допускается, но ни-

когда не рекомендуется) отражают его серьезные недостатки.

161

Недостатки печного отопления: пониженный уровень теплового комфор-

та по сравнению с водяным отоплением (нестационарный тепловой режим, а

также переохлаждение нижней зоны помещения), затруднения при эксплуата-

ции (заботы о топливе, уход за печью, загрязнение помещения), повышенная пожарная опасность, возможность отравления окисью углерода при неправиль-

ном уходе за печью, потеря (до 5…10 %) рабочей площади помещения.

При печном отоплении печи обычно размещают в помещениях у внут-

ренних стен, используя эти стены для прокладки дымовых каналов. При этом облегчается вывод дымовых каналов в атмосферу, сокращается длина оголов-

ков (участков каналов над кровлей), что улучшает тягу в печах. Однако при та-

ком расположении печей переохлаждается нижняя зона помещений.

Потоки воздуха, нагревающегося у поверхности печи, поднимаются к по-

толку помещения. Потоки воздуха, охлаждающегося у поверхности наружных ограждений, опускаются к полу. В помещении устанавливается циркуляция воздуха, показанная на рис. 12.1. В результате охлажденный воздух перемеща-

ется вдоль пола в сторону печи, нарушая нормальное самочувствие людей,

находящихся в помещении.

Рис. 12.1. Направление движения воздуха в помещении при расположении отопительной печи у внутренней стены

162

Такой циркуляции воздуха с холодным дутьем по ногам людей можно из-

бежать, переместив печь в помещении к наружным ограждениям. Но в этом случае потребуется утепление дымовых каналов в наружных стенах во избежа-

ние конденсации на их внутренней поверхности влаги из отводимых дымовых газов. При этом все же неизбежны ухудшение тяги в печи, дополнительное за-

грязнение помещения при переносе топлива, золы и шлака.

Каналы систем печного отопления и естественной вытяжной вентиляции должны быть обособлены во избежание нарушения их действия.

12.2. Общее описание отопительных печей

Печи предназначаются для различных целей: для отопления (ото-

пительные печи), нагревания воды (печи-каменки), приготовления пищи (ва-

рочные печи), сушки продуктов, одежды, материалов (сушильные печи). Эти функции могут выполняться отдельно и могут быть совмещены в одной кон-

струкции печи. В учебно-методическом пособии рассматриваются одноцелевые отопительные печи.

К конструкции отопительной печи предъявляются следующие требования:

обеспечение достаточно равномерной температуры воздуха в обогре-

ваемом помещении в течение суток (допустимое отклонение ± 3 °С);

экономичное сжигание топлива (с возможно более высоким коэффи-

циентом полезного действия);

безопасность при эксплуатации;

ограничение температуры поверхности: 90 °С в помещениях детских дошкольных и лечебно-профилактических учреждений; в других помещениях

110 °С на площади не более 15 % (120°С – не более 5 %) общей площади по-

верхности печи; в помещениях с временным пребыванием людей допустимо применение печей при температуре ее поверхности выше 120 °С.

Печь состоит из трех основных элементов: топливника, газоходов (дымо-

оборотов) и дымовой трубы. В топливнике может сжигаться твердое (как пра-

вило, на колосниковой решетке), жидкое и газообразное топливо. В зависимо-

163

сти от вида топлива изменяются размер и форма топливника. Под топливником устраивают поддувало (зольник при твердом топливе), через которое воздух из помещения поступает к горящему топливу. Регулирование количества посту-

пающего воздуха осуществляется поддувальной дверкой.

Массивные печи возводят на собственном фундаменте, не связанном с фундаментом стен, отделяя фундамент от кладки печи слоем гидроизоляции.

Облегченные печи могут устанавливаться без фундамента непосредственно на полу помещения. В этих случаях под поддувалом устраивают шанцы - неболь-

шие сквозные каналы, предотвращающие перегрев пола вследствие циркуляции через них воздуха помещения.

Горячие дымовые газы под влиянием естественной тяги перемещаются из топливника по газоходам печи. Газоходы могут состоять из одного или не-

скольких дымооборотов, по которым дымовые газы движутся и снизу вверх, и

сверху вниз. Над верхним перевалом дымовых газов устраивают перекрытие – перекрышу печи. В нижних точках дымооборотов (в подвертке, где газы со-

вершают поворот снизу вверх) помещают небольшие прочистные дверцы

(чистки) для удаления сажи и летучей золы. В последнем газоходе перед дымо-

вой трубой помещают задвижки для регулирования скорости движения дымо-

вых газов и полного прекращения их движения после окончания топки печи.

12.3. Классификация отопительных печей

Конструктивное исполнение печей чрезвычайно разнообразно. На кон-

струкцию оказывают влияние вид используемого топлива и технология возве-

дения печей. Отличаются основные материалы массива, толщина его стенок,

форма печей в плане и их высота. Различны могут быть схемы движения дымо-

вых газов внутри печей и способы их отвода в атмосферу.

Печи рассчитывают на определенную периодичность использования их в течение суток. Периодичность использования печи зависит от ее теплоемкости,

т.е. от того количества теплоты, которое накапливается (аккумулируется) в мас-

сиве печи во время топки и передается затем в помещение вплоть до начала сле-

164

дующей топки. Принято считать, что новую топку печи необходимо начинать,

когда средняя температура ее внешней поверхности понизится до температуры,

превышающей на 10 °С температуру воздуха в помещении. Период времени от конца одной топки до начала другой называется сроком остывания печи.

По теплоемкости печи делят на теплоемкие и нетеплоемкие. Понятие о сроке остывания относится к теплоемким печам, т.к. нетеплоемкие печи тепло-

ту не аккумулируют и требуют постоянной топки.

Теплоемкие печи в зависимости от срока их остывания подразделяют на печи большой (со сроком остывания до 12 ч.), средней (8 ч.) и малой (3...4 ч.)

теплоемкости. Таким образом, печи большой теплоемкости потребуется про-

тапливать при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления 2 раза в сутки, печи средней теплоемкости – 3 раза, печи малой теп-

лоемкости - топить с незначительными перерывами.

По схеме движения дымовых газов печи устраивают (рис. 12.2):

- с движением газов по каналам, соединенным последовательно: одно-

оборотные (рис. 12.2, а) с одним подъемным каналом, двухоборотные (рис. 12.2, б) с двумя подъемными каналами и многооборотные с восходящим дви-

жением газов (рис. 12.2, в) по нескольким подъемным каналам; - с движением газов по каналам, соединенным параллельно: однооборот-

ные (рис. 12.2, г) и двухоборотные (рис. 12.2, д);

-со свободным движением газов: бесканальные (рис. 12.2, е, ж);

-с движением газов по комбинированной системе каналов с нижним про-

гревом (с подтопочным дымооборотом): последовательных (рис. 12.2, з, и), па-

раллельных (рис. 12.2, к, л) и с бесканальной надтопочной частью (рис. 12.2, м); - с движением газов по каналам, соединенным последовательно вокруг

тепловоздушных камер (рис. 12.2, н).

По материалу массива и отделке внешней поверхности печи бывают (в

порядке убывания теплоемкости):

-кирпичные изразцовые;

-кирпичные оштукатуренные;

165

-бетонные из жаростойких блоков;

-кирпичные в металлических футлярах;

-стальные с внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича;

-чугунные без футеровки.

Рис. 12.2. Схемы движения дымовых газов в отопительных печах: 1 – топливник; 2 – тепловоздушная камера

По форме в плане печи выполняют прямоугольными, квадратными, круг-

лыми, угловыми (треугольными).

По способу отвода дымовых газов различают печи с удалением газов че-

рез внутристенные каналы, через насадные и коренные дымовые трубы. Внут-

166

ристенные домовые каналы устраивают в кирпичной кладке стен зданий. Печи соединяют с каналами горизонтальными металлическими патрубками длиной не более 400 мм. Насадные трубы возводят непосредственно над печами (см.

рис. 12.1). Коренные трубы сооружают относительно редко на самостоятельных фундаментах.

12.4. Конструирование и расчет топливников теплоемких печей

Топливники печей представляют собой камеры, в которые для горения топлива подводится воздух, где поддерживается высокая температура, и откуда отводятся нагретые продукты сгорания. При этом имеют место частичная теп-

ловая аккумуляция в массиве топок и теплопередача через их стенки в помеще-

ния. Топливники должны обеспечивать получение расчетных количеств тепло-

ты, создавать условия для наиболее полного сжигания топлива и регулирования интенсивности горения, обеспечивать удобство и безопасность эксплуатации.

Топочные процессы горения аналогичны процессам, рассматриваемым в дисциплине «Теплогенерирующие установки».

При конструировании топливников и их тепловом расчете ориентируются на усредненные параметры выбранного вида топлива, причем исходят из его низшей теплоты сгорания Qнр, кДж/кг. В зависимости от вида применяемого топлива различают топливники для сжигания дров, бурого и каменного угля,

антрацита, торфа, горючих сланцев, а также соломы, лузги, шелухи, опилок, ки-

зяка и других местных горючих веществ.

Рассмотрим конструкции топливников наиболее распространенных теп-

лоемких печей, предназначенных для сжигания твердого топлива (рис. 12.3).

Топливники для сжигания дров иногда делают с глухим подом (рис. 12.3,

а). Дрова, лежащие на поде, плохо омываются воздухом, поступающим только через открытую топочную дверцу. Поэтому значительная часть воздуха не участвует в процессе горения топлива и охлаждает топочное пространство. Из-

быток воздуха достигает большой величины. КПД топливника с глухим подом не превышает 35 %.

167

Рис. 12.3. Конструкции печных топливников: а – с глухим подом; б – с колосниковой решеткой для сжигания дров; в – то же каменного угля; 1 – топочная дверца; 2 – под топки; 3

– шанцы; 4 – поддувальная дверца; 5 – проем для отвода продуктов сгорания топлива; 6 – колосниковая решетка; 7 – подтопочный канал для нижнего прогрева печи; 8 – поддувало и зольник; 9 – гидроизоляция

На рисунке 12.3, б представлен топливник для сжигания дров с колос-

никовой решеткой. Воздух через поддувало снизу довольно равномерно прони-

зывает весь слой горизонтально уложенных поленьев. Избыток воздуха умень-

шается, повышается температура горения, в результате увеличивается КПД топливника. Топливник делают сравнительно высоким для дожигания летучих веществ топлива. На рисунке изображен топливник печи с нижним прогревом:

продукты горения из топки сначала опускаются в подтопочный канал и лишь затем поднимаются в надтопочную часть печи. Топливники тепловой мощно-

стью более 3000 Вт футеруют изнутри огнеупорным или тугоплавким кирпи-

чом. Топливник для сжигания каменного угля (рис. 12.3, в) оборудуют колос-

никовой решеткой с увеличенной площадью живого сечения (для горения тре-

буется большее количество воздуха, чем для дров). Толщина слоя угля доходит до 200 мм, поэтому колосниковую решетку несколько опускают по отношению к низу загрузочной дверцы. Выход летучих веществ при горении угля неболь-

шой, и высоту топливника делают несколько меньшей, чем при сжигании дров.

Сжигание твердого топлива в топливниках теплоемких печей происходит при нестационарном режиме горения. Тепловой расчет топливников выполня-

ют для основного периода интенсивного горения топлива, хотя при горении

168

топлива наблюдаются начальный период, когда температура в топке нарастает,

и завершающий период, когда температура понижается.

Размеры топливника определяют в зависимости от тепловой мощности печи и удельного теплового напряжения объема топки (приложение 1), до-

где Qп – расчетные теплопотери отапливаемых печью помещений или,

что то же, тепловая мощность печи, Вт;

m, n – соответственно, продолжительность топки и срок остывания печи,

час. (для основных видов топлива продолжительность топки печи m может

быть принята по табл. 12.1);

Qнр – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, (приложение 1);

п – КПД печи (для печей с колосниковой решеткой при сжигании ан-

трацита п = 0,75, при сжигании топлива других видов – 0,7, для печей с глухим подом – 0,35).

Зная количество загружаемого в печь топлива, определяют площадь ее

Площадь колосниковой решетки, размещаемой в пределах пода Ак.р, м2,

вычисляют по формуле:

Размеры пода и колосниковой решетки выбирают в зависимости от раз-

меров кирпича или блоков, из которых сложена печь.

Далее находят или уточняют (имея типовые чертежи) высоту топливника печи. Топливник по высоте должен вмещать слой топлива необходимой толщины и иметь свободное пространство над этим слоем. Объем свободного пространства

должен быть тем больше, чем выше содержание в топливе летучих веществ.

Высоту топливника hт, м, определяют, используя зависимость удельного

гдe т – КПД топливника, учитывающий неполное сгорание и провал в зольник части топлива (принимают при колосниковой решетке равным 0,9, при

глухом поде – 0,7);

m – продолжительность топки, ч, (табл. 12.1);

Qт/Vт – допустимое удельное тепловое напряжение объема топливника,

где L0 – объем воздуха, практически необходимого при его температуре

0°С и нормальном атмосферном давлении для сжигания 1 кг топлива, м3/кг; tв – температура воздуха в помещении, °С;

v – скорость движения воздуха в живом сечении поддувального отвер-

стия, принимаемая равной 1...2 м/с.

12.5. Конструирование и расчет газоходов теплоемких печей

Горячие дымовые газы поступают под действием естественной тяги из топливника в газоходы печи. Газоходы, как видно из классификации печей,

представляют собой разветвленную систему дымооборотов, внутренние по-