Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002

должительность топки, ч (см. табл. 12.1); Qт/VT - допустимое удельное тепловое напряжение объема топливника, Вт/м3 (Прил. 1).

Высоту топливника, полученную по формуле (12.4), округляют, ориентируясь при кирпичных печах на целое число рядов уложенного плашмя кирпича (толщина одного ряда 70 мм), при блочных печах - на целое число блоков. При этом для поддержания высокого КПД топки фактическое удельное тепловое напряжение объема топливника не должно отличаться от принятого более, чем на 15 %.

Наконец, рассчитывают площадь поддувального отверстия Ап.о, м2

где L0 - объем воздуха, практически необходимого при его температуре О °С и нормальном атмосферном давлении для сжигания 1 кг топлива, м3/кг (Прил. 1); tB - температура воздуха в помещении, °С; v - скорость движения воздуха в живом сечении поддувального отверстия, 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 поверхности которых, непосредственно омываемые дымовыми газами, являются тепловоспринимающими.

Газоходы конструируют таким образом, чтобы за счет теплообмена на тепловоспринимающих поверхностях температура дымовых газов понижалась до 110... 130 °С, т.е. до уровня, ниже которого возможны недопустимые явления: конденсация водяного пара и интенсивное выпадение сажи.

В помещение теплота передается при теплообмене на наружных теплоотдающих поверхностях печи. Теплоотдающими называют наружные поверхности газоходов, омываемые с внутренней стороны дымовыми газами, а с наружной - воздухом помещения. Наружную поверхность перекрыши считают теплоотдающей, если ее толщина меньше 210 мм, а высота печи не превышает 2100 мм.

Теплоотдающие поверхности печи могут быть открытыми, обращенными в отступку (полость между стеной помещения и поверхностью печи) или в тепловоздушную камеру. Теплоотдача в открытую с двух сторон широкую (шириной 130 мм и более) отступку отличается незначительно от теплоотдачи с открытой поверхности печи. При закрытой по бокам отступке теплоотдача с поверхности выходящей .в отступку стенки печи заметно уменьшается (на 25...50 %). При конструировании теплоемких печей придерживаются следующих общих правил:

площадь теплоотдающих поверхностей должна соответствовать площади тепловоспринимающих;

скорость движения дымовых газов должна быть, с одной стороны, возможно большей для увеличения плотности теплового потока на тепловоспринимающей поверхности, с другой стороны, ограничена для того, чтобы потери давления при движении газов соответствовали возникающему естественному циркуляционному давлению (тяге);

381

объем массива должен быть достаточен для поддержания заданного теплового режима помещений.

При конструировании печей с последовательными дымооборотами (см. рис. 12.2, a, б)

число оборотов ограничивают. В старых многооборотных печах (см. рис. 12.2, в) наблюдался неравномерный прогрев газоходов, вызывавший появление трещин в кладке. Вследствие повышения потерь давления в печах приходилось увеличивать высоту дымовых труб. Также увеличенным было число мест, где скапливалась сажа.

Последовательные дымообороты делают преимущественно вертикальными, а не горизонтальными, избегая явления подогрева нижних стенок горизонтальных каналов, что приводит к понижению КПД печей.

Печи с паралельными дымооборотами введены в практику русским архитектором И, И. Свиязевым (см. рис. 12.2, г, д). При их конструировании подъемный канал предусматривают одиночным, опускных каналов устраивают несколько. Кроме того, каналы прокладывают с попутным движением дымовых газов, в результате чего обеспечиваются равномерность распределения газов по спускным каналам (и их прогревания), а также саморегулирование этого распределения. Напротив, равномерность прогревания нарушается, если параллельные каналы сделать подъемными или с тупиковым движением газов в них.

Преимуществами печей с параллельными дымооборотами являются уменьшение потерь давления в газоходах, увеличение теплоаккумулирующего массива.

Для устранения недостатка таких печей - перегревания их верхней зоны - предусматривают направление наиболее горячих газов из топливника в подтопочный канал, т.е. печи устраивают с нижним прогревом.

Бесканальные (колпаковые) печи разработаны русским инженером В.Е. ГрумГржимайло (см. рис. 12.2, е, ж). В надтопочной части такой печи газоходы отсутствуют. Горячие газы из топливника поднимаются в виде активной центральной струи. Дойдя до перекрыши печи и далее, соприкасаясь с тепловоспринимающей поверхностью стенок, газы охлаждаются и, утяжеляясь, опускаются вниз. При этом газы частично подмешиваются к восходящей струе, частично внизу удаляются из печи в дымовой канал. Для увеличения массива внутрь печи вводят контрфорсы - устраивают колодцевую кладку.

Основными достоинствами бесканальных печей являются простота конструкции, высокая теплоотдача вследствие повышения КПД, незначительные потери давления. К недостаткам их (помимо общих) относится перегрев верхней части, а следовательно, верхней зоны помещений. Для уменьшения перегрева устраивают комбинированные газоходы - перед колпаками газы пропускают через подтопочный канал (см. рис. 12.2, м).

Теплоаэродинамический расчет газоходов печей выполняют, как и тепловой расчет топливников, для основного периода интенсивного горения топлива.

При расчете газоходов сконструированной печи или печи выбранной типовой конструкции исходят из результатов теплового расчета топливника. Предварительно, после уточнения высоты топливника по формуле (12.4), соответственно, увеличивают или уменьшают высоту надтопочной части печи с тем, чтобы обеспечить условия теплового расчета газоходов. Теплоаэродинамический расчет газоходов заключается в проверках:

тепловосприятия стенками топливника и каналов;

382

скорости движения газов в каналах;

теплоаккумулирующей способности массива печи;

плотности теплового потока на теплоотдающей поверхности печи.

Расчет тепловосприятия печи. Проверяется соответствие действительного тепловосприятия печи необходимому тепловосприятию. За период времени от начала одной топки до начала другой, т.е. с учетом срока остывания, от печи в помещение должно быть передано общее количество теплоты Qобщ, кДж, равное теплопотерям помещения за этот же период (показаны в числителе формулы (12.1)):

Это общее количество теплоты должно быть воспринято внутренними поверхностями топливника и газоходов за период времени от начала до конца одной топки печи (за m часов), т.е. должно удовлетворяться равенство

где Qвоспр - действительное тепловосприятие стенками топливника и газоходов печи, кДж/ч, которое вычисляется по формуле

qг, q1, qк, qпр, qпосл - плотность воспринимаемого теплового потока, Вт/м2 (Прил. 2), соответственно, на внутренней поверхности топливника, первого газохода, колпака, промежу-

точных и последнего газоходов; aг, a1, ак, апр, апосл - площадь, м2, соответствующих газоходов.

Расчет скорости движения газов в каналах печи. Проверяется скорость движения газов в характерных местах газоходов.

Скорость движения газов vг м/с, определяют по видоизмененной формуле (12.5)

где tг - среднее значение температуры дымовых газов в отдельных частях газоходов печи, °С (при расчетах принимают по Прил. 2); Акан - площадь поперечного сечения каналов, м2.

Получаемые при расчетах значения скорости движения должны находиться в пределах, указанных в Прил. 2, что будет свидетельствовать о их допустимости в отношении возможных потерь давления в печи при естественной тяге.

Расчет теплоаккумуляции печи. Проверяется соответствие действительной теплоаккумуляции массивом печи необходимой теплоаккумуляции.

За период времени от начала до конца одной отдельной топки (за m часов) помимо восполнения теплопотерь помещения, в массиве печи должно быть аккумулировано количество теплоты QaKK, кДж, равное теплопотерям помещения за период времени от конца одной топки до начала другой (за срок остывания п, ч), т.е.

383

Размер поперечного сечения дымовых каналов и труб зависит от тепловой мощности печей и определяется, исходя из скорости движения дымовых газов 1,5...2 м/с. На практике принимают каналы и трубы размером 0,14×0,14 м при тепловой мощности печей до 3,5

кВт, 0,14×0,2 м - от 3,5 до 5,2 кВт, 0,14×0,27 - от 5,2 до 7 кВт.

Дымовые трубы должны быть вертикальными, хотя в случае необходимости возможно отклонение трубы от вертикали в сторону (увод), которое делают под углом 30°, с относом по осям не более 1 м.

Трубы выкладывают из глиняного кирпича на известковом растворе со стенками толщиной 0,12 м или из жаростойкого бетона толщиной не менее 0,06 м. Высоту дымовых труб (включая высоту печей от уровня колосниковой решетки) принимают не менее 5 м для создания достаточной естественной тяги. При этом оголовок труб устраивают таким образом, чтобы их устье:

возвышалось не менее чем на 0,5 м над плоской кровлей, парапетом или коньком скатной крыши при выводе труб на расстояние до 1,5 м от конька;

располагалось не ниже парапета или конька кровли при расстоянии от 1,5 до 3 м;

размещалось не ниже линии, проведенной от конька вниз под углом 10° к горизонту при расстоянии более 3 м.

По этим же правилам выводят оголовки печей по отношению к кровли более высокого здания, пристроенного к зданию с печным отоплением.

Зонты и другие насадки над устьем дымовых труб не устраивают. Предусматривают лишь искроуловители из металлической сетки с отверстиями не более 5×5 мм, если здание имеет кровлю, выполненную из горючих материалов. Устье кирпичных труб покрывают на высоту 0,02 м слоем цементного раствора.

Естественная тяга возникает вследствие различия в плотности относительно холодного наружного воздуха и горячих дымовых газов по высоте печи и дымовой трубы. Чем больше разность температуры газов и воздуха, а, следовательно, и их плотности и удельного веса, тем больше естественная тяга как разность аэростатического давления.

Разность аэростатического давления наружного воздуха и дымовых газов (естественное циркуляционное давление при воздушном отоплении) ре, Па, при высоте печи h1 м (от колосниковой решетки до верха газоходов) и дымовой трубы h2, м (от верха газоходов печи до устья дымовой трубы) можно считать равной

где γн, γ1, γ2 - средний удельный вес, Н/м3, соответственно, наружного воздуха, дымовых газов по высоте печи и дымовой трубы.

Располагаемую для расчетов разность давления определяют при сравнительно высокой температуре наружного воздуха (О °С), имея в виду, что печь при этой температуре должна исправно действовать, обеспечивая необходимую тягу.

Дальнейшие расчеты заключаются в проверке соответствия располагаемой разности давления суммарным потерям давления при входе воздуха под колосниковую решетку, в слое топлива, при движении дымовых газов в газоходах печи и по дымовой трубе вплоть до их

385

выхода в атмосферу. Расчет потерь давления в воздушно-газовом тракте выполняют так же, как они рассчитываются в газоходах котельных установок.

Соответствие суммарных потерь давления в печи и дымовой трубе располагаемой разности давления в большинстве случаев обеспечивается при соблюдении правил конструирования дымовых труб, а также скоростей движения дымовых газов, приведенных в Прил. 2.

§ 12.7. Современные теплоемкие отопительные печи

В процессе многовекового применения в нашей стране печного отопления печи технически совершенствовались, происходил отбор перспективных конструкций печей. В настоящее время после проверки теплотехнических свойств, эффективности использования топлива, прогреваемости нижней части наиболее часто применяемых типов печей были выбраны печи, предназначенные для массового и индивидуального строительства. Создан "Перечень рекомендуемых отопительных печей для жилых и общественных зданий тепловой мощностью 1400-7000 Вт". В перечень включены 37 конструкций печей умеренного и повышенного прогрева как одноярусных, так и двухъярусных (для двухэтажных зданий) с указанием коэффициента неравномерности теплопередачи. В печах предусмотрено применение унифицированной печной гарнитуры (дверок, заслонок, колосниковых решеток).

Типовые конструкции теплоемких отопительных печей обозначены ПТО (печи типовые одноярусные), ПТД (двухъярусные), ПТК (каркасные), ПТИ (изразцовые) с добавлением значений тепловой мощности печей в Вт при двух топках в сутки (например, ПТО-3300). Печи ПТО и ПТД - умеренного прогрева, печи ПТК и ПТИ - повышенного прогрева.

Печи ПТО, ПТД, ПТК устраивают в основном прямоугольными из полнотелого глиняного кирпича (плотностью не более 1600 кг/м3), для кладки топливника применяют также огнеупорные материалы. Печи ПТИ выполняют из полнотелых керамических элементов заводского изготовления размером 0,22×0,2 м.

Рассмотрим конструкции толстостенных одноярусных кирпичных печей типа ПТО.

На рис. 12.4 представлена двухоборотная отопительная печь умеренного прогрева марки ПТО-2500 (М=0,3, ηп=0,65 при сжигании дров), компактная, простая по конструкции, с хорошим прогревом средней части. Топливник предназначен для сжигания дров, но в нем можно сжигать также торф, каменный уголь, антрацит. Двухъярусная система дымооборотов обеспечивает повышение КПД, увеличение объема массива и теплоемкости печи.

386

верхнего перевала, разобщающих печь с наружным воздухом при неплотно закрытых задвижках.

Печь сооружают из глиняного кирпича, топливник печи с 5 по 15 ряд - из тугоплавкого кирпича. На рис. 12.4 показана выкладка в плане кирпича на 1, 5 и 9 рядах. Недостатком печи является слабый прогрев ее нижней части, что отрицательно влияет на температурные условия в обогреваемом помещении.

На рис. 12.5 изображена толстостенная отопительная печь умеренного прогрева марки ПТО-3300 (масса 1500 кг, М=0,3, ηп=0,7 при сжигании дров), отличающаяся улучшенным нижним прогревом.

388

маются в верхнюю часть печи (разрезы А-А и Д-Д) до перекрыши. В насадную дымовую трубу газы уходят через верхнюю подвертку на 16-18 рядах кирпича. Топливник печи выкладывают из огнеупорного кирпича.

Печь, рассчитанную на обогрев нижней зоны помещения, применяют в первую очередь для отопления жилых зданий, лечебных и детских учреждений. Недостатком печи является зауженный топливник, что вызывает эксплуатационные неудобства, особенно при использовании угля и торфа.

Толстостенные двухъярусные кирпичные печи принципиально не отличаются от одно-

ярусных печей. Они могут иметь один (общий) топливник или отдельные топливники на каждом этаже зданий. Сооружение толстостенных печей умеренного прогрева требует значительных затрат труда. Поэтому в тех случаях, когда допустимо применение печей повышенного прогрева, многодельным толстостенным печам предпочитают облегченные быстромонтируемые печи, собираемые в каркасе и из керамических элементов и бетонных блоков.

Рассмотрим конструкцию тонкостенных каркасных отопительных печей типа ПТК.

Сварной или сборный металлический каркас является пространственной конструкцией из угловой и полосовой стали, к которой прикрепляют загрузочную и другие дверцы. Печь полосовой связкой каркаса разделяют по высоте на нижний и верхний пояса. Каркас фундамента не имеет, его устанавливают на ножках непосредственно на пол помещения. Зольниковую (поддувальную) коробку и дымовыпускной патрубок с задвижкой изготовляют заранее из металла. Если каркасную печь предусмотрено облицевать, например, металлическими листами, то эти листы вкладывают в каркас по мере сборки сначала нижнего, а затем верхнего пояса печи.

При наличии каркаса и облицовки надтопочную часть печей (для маломощных печей - и топочную) устраивают тонкостенной - из кирпича, устанавливаемого на ребро, т.е. со стенками толщиной 65 мм. В результате каркасные печи получаются значительно менее массивными, чем толстостенные печи. Однако при этом заметно возрастает неравномерность их теплопередачи. Следовательно, при пользовании каркасными печами увеличивается колебание температуры воздуха в обогреваемых помещениях. С другой стороны, единица активного объема каркасных печей характеризуется увеличенной теплоотдачей, что позволяет уменьшать габариты таких печей по сравнению с размерами толстостенных.

На рис. 12.6 дана тонкостенная каркасная отопительная печь повышенного прогрева марки ПТК-3000 (масса 780 кг, М=0,44, ηп=0,7 при сжигании дров). Показана однооборотная печь с параллельными опускными каналами и удалением газов через внутристенный дымовой канал или коренную дымовую трубу. Каркас ее выполняют из угловой стали 30×4 мм, кладку облицовывают асбестоцементными листами толщиной 5 мм. В нижнем поясе печи располагают топливник, складываемый из огнеупорного кирпича для сжигания кускового твердого топлива, со стенками толщиной 125 мм.

390