01-История теплотехники

1.История развития теплотехники.

Люди приручили огонь более 300 тысяч лет назад.

Ученые уверены, что первоначально человек научился

Все существо человека состоит из четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Овладение последним дает власть и над остальными тремя.

ПЕЧИ- традиционное отопительное устройство, безраздельно применявшееся на протяжении тысячелетий. Только благодаря незатухающему очагу - прообразу будущей ПЕЧИ - пещерный человек сумел вступить в единоборство с природой, перестал кочевать вслед за уходящим летом. Этот очаг открытого огня, или, говоря современным языком, КАМИН стал основой культуры быта древних людей.

Проходили тысячелетия. Человечество постигало тайны строительства сложнейших сооружений, некоторые из которых составили список чудес света. Но техника отопления долгие века оставалась на уровне костра: стоило пропустить момент, когда пора подбрасывать дрова, и в жилище проникала стужа. Человек пытался запасти тепло, этим занимались такие умы, как Архимед и Леонардо да Винчи. Сейчас не узнать имен всех изобретателей отопительных систем былых, но благодаря археологам нам хорошо известны их дела. Так, например, удалось выяснить, что в Древнем Риме жилища патрициев обогревались горячим воздухом, циркулировавшим под плитами пола. Не так давно при

реконструкции Грановитой палаты Московского Кремля была обнаружена сложная система отопления, действовавшая еще в конце XV века. Благодаря сохранившимся записям в дворцовых книгах можно представить, как работала эта система отопления. Источником тепла служили кирпичные печи, установленные на первом этаже двухэтажных деревянных хором. Трубы печей проходили через помещения верхнего этажа, а для того, чтобы тепло поступало в комнаты, в стволе трубы устанавливая душники - металлические коробки, которые открывали сразу же после окончания топки. Чтобы в трубу не уходил горячий воздух, ее перекрывали на чердаке круглым чугунным клапаном - вьюшкой. Холодный воздух проникал в печь через топочную дверку, омывая дымообороты, он нагревался и поднимался вверх к душникам, чтобы отдать полученное тепло верхним этажам. Трубы, пронизывавшие постройки, украшали росписью или причудливыми изразцами.

Хоромные ПЕЧИ с насадными трубами - прообраз централизованных систем воздушного отопления наших дней. В то время они не могли найти широкого применения - уж очень дорог был кирпич.

2. Русская печь. Устройство русской печи.

Народу нужны были ПЕЧИ, которые служили бы не только для отопления, но и для приготовления пищи, сушки продуктов впрок. Основная ее особенность - туннелеобразная сводчатая варочная камера - горнило, которое разогревается до 2000С. Пекари знают, что это как раз та температура, которая требуется для выпечки хлеба. Специалисты по русской кухне добавят, что разогретое горнило часами хранит тепло, а значит, в нем можно томить молоко, варить рассыпчатые каши, готовить жаркое. Вкус пищи, приготовленной в ПЕЧИ, не забывается, тут РУССКАЯ ПЕЧЬ вне конкуренции по сравнению с другими очагами.

Рис.2 Устройство русской печи

3.Бытовые печи.

Кладка печей их долгое время оставалась трудоемким процессом, отнимающим много времени, усилий и средств. С развитием строительной индустрии были созданы каркасные печи полуиндустриального типа, сооружение которых занимает 2-3 часа, и крупноблочные печи из керамических и

бетонных блоков.

Однако на этом весьма прогрессивном фоне свойства печей и каминов, выполненных кладкой, не только не ослабляют интерес к ним, а

исключительно для своих собственных целей (Рис.3), Помимо возможностей, которые предоставляет вариабельность кладки, камин или печь можно облицевать кафелем, изразцами или натуральным камнем, оштукатурить или окрасить (Хорошие теплоаккумулирующие характеристики. Теплоаккумулирующая способность печи определяется как характеристикой материала, так и величиной ее общей массы.

Низкие поверхностные температуры, что является основным требованием безопасности и комфорта. Благодаря низким температурам поверхности кирпичные печь и камин отдают тепло в течение долгого времени. В особенности это важно в жилых домах, так как таким образом можно избежать больших перепадов температуры в отопительный период. Обжиг кирпичей производится при температуре свыше 1000°С, вследствие этого они выдерживают высокую степень разогрева. По этой причине в кирпичных печах и каминах можно использовать высокие температуры, предполагающие чистое горение, в процессе сверхгорения эти температуры поднимаются до 800-900°С.

Значительный размер кирпичных печей предоставляет горючим газам, выделяемым в процессе горения дерева, время перегореть полностью, а протяженные боковые каналы позволяют выделяющейся тепловой энергии в максимальной степени аккумулироваться в массиве печи. Температура дымовых газов, покидающих дымоходы, довольно низка, и за счет этого КПД печи сохраняется высоким. Массивная конструкция печи позволяет выравнивать температуру помещения, в особенности в домах из легких конструкций, даже без нагрева. Это великолепный резерв при выходе из строя других средств обогрева, а также дополнительный источник тепла при больших морозах.

Рис.4 Устройство камина

4. Русские бани, финские сауны, баня по-черному и баня побелому.

Бани сооружали ещё в глубокой древности. В Индии и Китар, Египте. Греции и Риме - практически во всех основных центрах человеческой цивилизации были общественные бани, которые представляли собой в большинстве случаев каменные постоянно обогреваемые помещения. Строили их преимущественно в городах. Естественно, что помимо общегигиенических и лечебнопрофилактических функций, общественные бани служили местом встречи горожан и просто приятного времяпровождения в

компании. Эта последняя функция бань сохранилась до сих пор, в том числе и в России. Поэтому баня всегда и всюду была и будет больше, чем просто баня.

Использование в качестве строительного материала камня позволяло создавать в тёплых южных краях гигантские банные сооружения с различными способами обогрева помещений. Так, например, роскошные древнеримские бани-термы, названные так в честь известного своими геотермальными источниками поселения Thermae, представляли собой по существу спортивнооздоровительные комплексы. Залы, вмещавшие сотни и тысячи человек, обогревались подаваемыми из котлов в каменные каналы год полами горячим воздухом (в том числе и дымовыми газами),

паром или водой. То есть для создания климатических условий в

бане уже тогда успешно использовались концепции воздушного, водяною и парового отопления.

Чёрная (курная) баня представляла собой бревенчатое строение (шалаш, землянку с накатом, частокол с накатом, сруб) с дверями, иногда с дополнительным вентиляционным отверстием в стене, фронтоне или в крыше. На земляном полу разжигали костёр (очаг), обложенный камнями (валунами ледникового происхождения, имевшимися в тех краях в изобилии), желательно плоской формы, чтобы можно было перекрывать свод.

Над костром на камнях (или, кирпичных столбах) устанавливали или подвешивали металлический чан (чугунный котёл) с водой. 11ри отсутствии чана использовали долбленки (корыта, колоды), берестяные туеса, бураки, кубышки, обручную посуду (лохани, бочары, шайки, ушаты, кадки), глиняные и металлические ёмкости (тазы, кувшины). Воду в них нагревали путём погружения раскалённых камней. Если емкости не было, делали в земляном полу углубление, которое обкладывали камнями, обмазывали глиной. Воду в таких ямах нагревали также раскаленными камнями.

В бревенчатых строениях вдоль стен устанавливали тёсаные дощатые или бревенчатые полы и полки (скамейки, лежаки). После прогорания углей помещение проветривали и закрывали дверь. Если камни очага были сильно раскалены, то воздух мог нагреться до высоких температур (до 100°С и выше). Но более реальны не столь уж высокие температуры (50-70°С) при умеренной влажности (30-70%). Это - стандартный режим чёрной бани.

При таких климатических условиях легко реализовать приём, позволяющий быстро поднимать "жар". Для этого надо просто плеснуть (или, как чаще говорят, поддать) воду на камни. В чёрной бане были отработаны все известные до сих пор элементы технологии и процедуры паровой бани: потение во влажном воздухе; веники, черпаки, шайки; составы настоек трав; малосмолистые дрова - берёзовые, липовые, осиновые и т.д.

Чёрная баня - простейшее, но чрезвычайно удачное техническое решение, хотя её приготовление требует опыта и мастерства, чтобы не выстудить баню при проветривании. Ею пользовались и степные народы, и русские, и чудь (финны). Делений на русскую баню и финскую сауну видимо не существовало никогда. Так или иначе, но чёрная баня сохранилась лишь у россиян и финнов. В Финляндии она называется дымней сауной. Сохранились в Финляндии и музейные образцы чёрных шатровых бань-чумов, изготовленных из жердей или досок (горбылей).

Рис. 5. Печь-каменка с улучшенными теплотехническими свойствами:

1-стенка внутри топливника; 2- отверетие в стенке.

Основные недостатки чёрной банипожароопасность сооружения, грязь на полу, копоть, угарностъ воздуха. С XVIII века бревенчатые чёрные бани (мытные избы) вследствие пожароопасности стали интенсивно вытесняться из городов жёсткими экономическими (налоги) и чисто административными

(запреты) методами. Срубы заменяли каменными постройками, очаги - печами.

Так появилась русская городская каменная баня с кирпичной печью. Наиболее распространившаяся, но уже давно абсолютно устаревшая русская глинобитная (битая) печь имела массу недостатков: была массивной, имела низкий коэффициент полезного действия (КПД), холодный низ и т.д. В XIX веке с внедрением в быт чугунного литья русская печь была доработана и трансформировалась в конструкцию хорошо известной печи - каменки - основы городской белой бани.

Все многочисленные разновидности печи-каменки включали обложенный кирпичом очаг (топливник) с чугун ими колосниками и чугунными дверцами. Над пламенем устанавливали чугунный котёл с водой или чугунную варочную плиту. Дымовые газы выводили выше конька крыши через кирпичную трубу. С помощью кирпичной печи нагреть воздух в бане выше 60 С трудно (так как наружные стены печи прогреваются максимум до 70 90°С). Чтобы как следует попотеть, необходимо использовать повышенную влажность воздуха. Как и в чёрной бане, пар в болей бане традиционно получали путем поддачи воды на раскалённые камни. Каменные засыпки из огнеупорных валунов (так называемые "каменки") делали открытыми или закрытыми.

Открытые каменки располагают на металлической плите над топкой печи, желательно пол металлической крышкой. С дымовыми газами такая засыпка не контактирует, камни чисты от копоти, а, значит, на них можно лить воду при горящей печи. Такие каменки являются каменками непрерывного действия. Закрытые каменки размещают в расширенном участке дымовой трубы на колосниках. Камни здесь нагреваются дымовыми газами до температур более высоких, нежели в открытых каменках. Однако воду на них можно лить только после протопки печи. Такие каменки являются каменками периодического действия. Баню с каменкой периодического действия готовят очень долго. Сначала протапливают печь и дожидаются, пока не прогорят угли. После этого закрывают задвижку, отделяющую каменку от топлива (чтобы пар не ушёл в топливник), открывают дверку в каменку и плескают в неё воду с выпуском пара в дымовую трубу. Это нужно для очистки каменки от копоти и угарного газа (образующегося при контакте копоти с паром). Затем закрывают задвижку, отделяющую

каменку от дымовой трубы. И лишь потом плескают водой в каменку, чтобы впустить пар в баню.

Говоря о направлениях прогресса индивидуальной бани, мы должны в первую очередь проанализировать достижения наших северных соседей. Прорыв в банном деле приходится на середину XX в., когда финские фирмы предложили на рынок промышленные металлические печи: сварные из металлопроката и литые цельночугунные.

В нашей стране также использовали в банях металлические печи. Особенно после Великой Отечественной войны, когда с фронта и землянок вернулось неимоверное количество "буржуек". Но все эти кустарно изготовленные "бочки с дверцей" не очень у нас прижились, так как редко позволяли получить достаточное количество горячей воды и сохранить тепле на время большой плановой помывки и стирки. Крале того, металл был в дефиците, а сварочное оборудование населению не продавали. В Финляндии же дома в сельской местности в середине XX в. стали переводить на центральное водяное отопление, появились души и ванны, машины для стирки. В связи с этим бани стали терять функции основного средства личной гигиены. В таких условиях именно металлическая печь "спасла" в Финляндии белую сауну.

Основное преимущество металлических дровяных печей - возможность нагрева контактирующих с воздухом стенок печи до высоких температур (400-800°С) и соответственно быстрый прогрев воздуха в помещении до температур 100-150°С и даже выше. При таких температурах, не достижимых при использовании кирпичных печей, можно обеспечить такие условия парения, когда никаких увлажнений воздуха не требуется. В 1960-1980 гг. металлические печи в банях Финляндии практически полностью вытеснили кирпичные печи, а затем дали жизнь новому направлению в банном деле - современней квартирной финской сухой сауне, мытье в которой вообще не предусматривается.

Основное преимущество металлических печей - это

одновременно и их недостаток, поскольку по недосмотру температура воздуха в помещении может быстро достигнуть опасного уровня - температуры возможного самовоспламенения деревянных потолков. В конце концов, сауна из бани превратилась попросту в место скучного (по мнению многих русских) бесцельного потоотделения. Мыться же предполагалось

где-то в другом помещении. Так или иначе, финны в последнее время стати разворачиваться назад э сторону более низких температур и больших влажностей воздуха, то есть в сторону прежних параметров, достигавшихся с помощью кирпичных печей.

5.Микроволновая печь. Гриль.

Микроволны являются одной из форм электромагнитной энергии, как и световые волны или радиоволны. Это очень короткие электромагнитные волны, которые перемещаются со скоростью света (299 792 км в секунду). В современной технике микроволны используются в микроволновой печи, для междугородной и международной телефонной связи, передачи телевизионных программ, работы Интернета на Земле и через спутники. Но микроволны наиболее известны нам в качестве источника энергии для приготовления пищи − микроволновая печь.

Каждая микроволновая печь содержит магнетрон, который преобразует электрическую энергию в сверх-высокочастотное электрическое поле частотой 2450 Мегагерц (МГц) или 2,45 Гигагерц (ГГц), которое и взаимодействует с молекулами воды в пище.

Это можно себе представить следующим образом: молекула воды, когда к ней приложено электрическое поле, всегда стремится сориентировать себя вдоль поля, подобно тому, как стрелка компаса стремится установиться вдоль магнитного поля Земли. Однако, в поле сверхвысокочастотной электромагнитной волны направление электрического поля меняется с очень высокой частотой (более миллиарда раз в секунду), и молекуле приходится постоянно вращаться.

Микроволны «бомбят» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой в миллионы раз в секунду, создавая молекулярное трение, которое и нагревает еду. Это трение наносит значительный ущерб молекулам пищи, разрывая или деформируя их, создавая структурную изомерию.