Книги / Махов Л.М. Отопление учеб. для вузов

Достоинства печного отопления свидетельствуют о его широкой доступности. Однако ус-

тановленные ограничения в отношении дальнейшего распространения (отметим еще раз,

что печное отопление иногда допускается, но никогда не рекомендуется) отражают его

серьезные недостатки.

Недостатки печного отопления: пониженный уровень теплового комфорта по сравнению с

водяным отоплением (нестационарный тепловой режим, а также переохлаждение нижней

зоны помещения), затруднения при эксплуатации (заботы о топливе, уход за печью, за-

грязнение помещения), повышенная пожарная опасность, возможность отравления оки-

сью углерода при неправильном уходе за печью, потеря (до 5 %) рабочей площади поме- щения.

При печном отоплении печи обычно размещают в помещениях у внутренних стен, ис-

пользуя эти стены для прокладки дымовых каналов. При этом облегчается вывод дымо-

вых каналов в атмосферу, сокращается длина оголовков (участков каналов над кровлей),

что улучшает тягу в печах. Однако при таком расположении печей переохлаждается ниж-

няя зона помещений. Потоки воздуха, нагревающегося у поверхности печи, поднимаются

к потолку помещения. Потоки воздуха, охлаждающегося у поверхности наружных ограж-

дений, опускаются к полу. В помещении устанавливается циркуляция воздуха, показанная

на рис. 12.1. В результате охлажденный воздух перемещается вдоль пола в сторону печи,

нарушая нормальное самочувствие людей, находящихся в помещении.

Такой циркуляции воздуха с холодным дутьем по ногам людей можно избежать, перемес-

тив печь в помещении к наружным ограждениям. Но в этом случае потребуется утепление

дымовых каналов в наружных стенах во избежание конденсации на их внутренней по- верхности влаги из отводимых дымовых газов. При этом все же неизбежны ухудшение тя- ги в печи, дополнительное загрязнение помещения при переносе топлива, золы и шлака.

При устройстве печного отопления не допускаются отвод дымовых газов в вентиляцион-

ные каналы, а также установка вентиляционных решеток на дымовых каналах.

Следовательно, каналы обеих систем - печного отопления и естественной вытяжной вен-

тиляции - должны быть обособлены во избежание нарушения их действия.

Печи в здании размещают так, чтобы одна печь обогревала не более трех помещений, рас-

положенных на одном этаже. В здании с коридорной системой связи помещений печи ус-

танавливают таким образом, чтобы обслуживание осуществлялось из коридоров или под-

собных помещений, имеющих окна с форточками и оборудованных естественной вытяж-

ной вентиляцией. В двухэтажных зданиях можно устраивать двухъярусные печи как обо-

собленные, так и с одной общей топкой на первом этаже.

371

Рис. 12.1. Направление движения воздуха в помещении при расположении отопительной

печи у внутренней стены

§ 12.2. Общее описание отопительных печей

Печи предназначаются для различных целей: для отопления (отопительные печи), нагре-

вания воды (печи-каменки), приготовления пищи (варочные печи), сушки продуктов,

одежды, материалов (сушильные печи). Эти функции могут выполняться отдельно и мо-

гут быть совмещены в одной конструкции печи. В учебнике рассматриваются одноцеле-

вые отопительные печи.

Кконструкции отопительной печи предъявляются следующие требования:

-обеспечение достаточно равномерной температуры воздуха в обогреваемом по-

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

-экономичное сжигание топлива (с возможно более высоким коэффициентом по-

лезного действия (КПД));

-безопасность при эксплуатации;

-ограничение температуры поверхности: 90 °С в помещениях детских дошкольных

илечебно-профилактических учреждений; в других помещениях 110 °С на площа-

ди не более 15 % (120 °С - не более 5 %) общей площади поверхности печи; в по-

мещении с временным пребыванием людей допустимо применение печи при тем-

пературе ее поверхности выше 120 °С.

Печь состоит из трех основных элементов: топливника (топки), газоходов (дымооборотов)

и дымовой трубы. В топливнике может сжигаться твердое (как правило, на колосниковой решетке), жидкое и газообразное (§ 13.2) топливо. В зависимости от вида топлива изме-

няются размер и форма топливника. Под топливником устраивают поддувало (зольник

при твердом топливе), через которое воздух из помещения поступает к горящему топливу.

Регулирование количества поступающего воздуха осуществляется поддувальной дверкой.

372

Массивные печи возводят на собственном фундаменте, не связанном с фундаментом стен,

отделяя фундамент от кладки печи слоем гидроизоляции. Облегченные печи могут уста-

навливаться без фундамента - непосредственно на полу помещения. В этих случаях под

поддувалом устраивают шанцы - небольшие сквозные каналы, предотвращающие пере-

грев 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 нескольких дымооборотов, по ко-

торым дымовые газы движутся и снизу вверх, и сверху вниз. Над верхним перевалом ды-

мовых газов устраивают перекрытие - перекрышу печи. В нижних точках дымооборотов

(в подвертке, где газы совершают поворот снизу вверх) помещают небольшие прочистные

дверцы (чистки) для удаления сажи и летучей золы. В последнем газоходе перед дымовой

трубой помещают задвижки для регулирования скорости движения дымовых газов и пол-

ного прекращения их движения после окончания топки печи.

Для ускоренного нагревания помещений в начальный период отопления в массе печей

иногда устраивают тепловоздушные камеры, представляющие собой открытые в помеще-

ния полости, не сообщающиеся с дымооборотами. Для лучшего обогревания нижней зоны

отапливаемых помещений печи (особенно расположенные у внутренних стен) часто де-

лают с подтопочным дымооборотом, что обеспечивает усиленный прогрев нижней их час-

ти.

§ 12.3. Классификация отопительных печей

Конструктивное исполнение печей чрезвычайно разнообразно. На конструкцию оказыва-

ют влияние вид используемого топлива и технология возведения печей. Отличаются ос- новные материалы массива, толщина его стенок, форма печей в плане и их высота. Раз-

личны могут быть схемы движения дымовых 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 массиве печи во время топки и пере-

дается затем в помещение вплоть до начала следующей топки. Принято считать, что но-

вую топку печи необходимо начинать, когда средняя температура ее внешней поверхно-

сти понизится до температуры, превышающей на 10 °С температуру воздуха в помеще-

нии. Период времени от конца одной топки до начала другой называется сроком остыва-

ния печи.

По теплоемкости печи делят на теплоемкие и не теплоемкие. Понятие о сроке остывания

относится к теплоемким печам, так как не теплоемкие печи теплоту не аккумулируют и

требуют постоянной топки.

Теплоемкие печи в зависимости от срока их остывания подразделяют на печи большой

теплоемкости (со сроком остывания до 12 ч), средней (8 ч) и малой (3...4 ч) теплоемкости.

Таким образом, печи большой теплоемкости потребуется протапливать при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления (параметры Б [1]) 2 раза в

сутки, печи средней теплоемкости - 3 раза, печи малой теплоемкости - топить с незначи-

тельными перерывами.

Более точно теплоемкость печей характеризует их активный объем, от которого зависит и коэффициент неравномерности теплопередачи печей М. Активным объемом называют

373

объем нагревающегося массива печи (включая пустоты), определяемый произведением

площади печи на уровне низа топки на активную (расчетную) высоту. Активная высота печи принимается от низа топки или дна нижележащего подтопочного канала до верхней (при толщине перекрыши до 140 мм) или нижней (>140 мм) плоскости перекрыши. Печи,

имеющие активный объем 0,2 м3 и более, относят к теплоемким. При активном объеме

менее 0,2 м3 печи считают не теплоемкими. Теплоемкие печи применяют для отопления жилых и общественных зданий, не теплоемкие - для отопления зданий с кратковременным

пребыванием людей.

По температуре теплоотдающей поверхности в соответствии с предъявляемыми требова-

ниями различают печи умеренного прогрева (толстостенные печи с толщиной стенок 120

мм и более, нагревающиеся в отдельных местах до температуры 90 °С), повышенного

прогрева (тонкостенные печи с толщиной стенок газохода до 70 мм, температура поверх-

ности которых в отдельных точках доходит до 110... 120 °С) и высокого прогрева (печи,

температура поверхности которых не ограничена).

По схеме движения дымовых газов печи устраивают (рис. 12.2): - с движением газов по

каналам, соединенным последовательно: однооборотные (рис. 12.2, а) с одним подъемным каналом, двухоборотные (рис. 12.2, б) с двумя подъемными каналами и многооборотные с восходящим движением газов (рис. 12.2, в) по нескольким подъемным каналам; - с движе-

нием газов по каналам, соединенным параллельно: однооборотные (рис. 12.2, г) и двух- оборотные (рис. 12.2, д); - со свободным движением газов: бесканальные (колпаковые) (рис. 12.2, е, ж); - с движением газов по комбинированной системе каналов с нижним прогревом (с подтопочным дымооборотом): последовательных (рис. 12.2, з, и), параллель-

ных (рис. 12.2, к, л) нс бесканальной надтопочной частью (рис. 12.2, м); - с движением га-

зов по каналам, соединенным последовательно вокруг тепловоздушных камер (рис. 12.2,

и).

По материалу массива и отделке внешней поверхности печи бывают (в порядке убывания

теплоемкости):

-кирпичные изразцовые;

-кирпичные оштукатуренные;

-бетонные из жаростойких блоков;

-кирпичные в металлических футлярах;

-стальные с внутренней футеровкой из огнеупорного кирпича;

-чугунные без футеровки.

По форме в плане печи выполняют прямоугольными, квадратными, круглыми, угловыми

(треугольными).

По способу отвода дымовых газов различают печи с удалением газов через внутристенные

каналы, через насадные и коренные дымовые трубы. Внутристенные домовые каналы уст-

раивают в кирпичной кладке стен зданий. Печи соединяют с каналами горизонтальными

металлическими патрубками длиной не более 400 мм. Насадные трубы возводят непо-

средственно над печами (см. рис. 12.1). Коренные трубы сооружают относительно редко

на самостоятельных фундаментах.

При массовом строительстве обычно используют типовые печи, заранее разработанные для сжигания определенного вида топлива, причем печи могут быть рассчитаны на перио-

дическую топку, на непрерывное или затяжное горение топлива. Конструкции таких пе-

374

375

§ 12.4. Конструирование и расчет топливников теплоемких печей

Топливники печей представляют собой камеры, в которые для горения топлива подводит-

ся воздух, где поддерживается высокая температура, и откуда отводятся нагретые продук-

ты сгорания. При этом имеют место частичная тепловая аккумуляция в массиве топок и

теплопередача через их стенки в помещения. Топливники должны обеспечивать получе-

ние расчетных количеств теплоты, создавать условия для наиболее полного сжигания то-

плива (с КПД не менее 90 %) и регулирования интенсивности горения, обеспечивать удобство и безопасность эксплуатации.

Топочные процессы горения аналогичны процессам, рассматриваемым в дисциплине "Те-

плогенерирующие установки". При конструировании топливников и их тепловом расчете

ориентируются на усредненные параметры выбранного вида топлива, причем исходят из

его низшей теплоты сгорания С)рнр, кДж/кг.

Топливники печей подразделяют на слоевые (горение в основном в слое твердого топли-

ва) и факельные (горение газообразного топлива, опилок, лузги и другого пылевидного

топлива во взвешенном состоянии).

В зависимости от вида применяемого топлива различают топливники для сжигания дров,

бурого и каменного угля, антрацита, торфа, горючих сланцев, а также соломы, лузги, ше-

лухи, опилок, кизяка и других местных горючих веществ.

Рассмотрим конструкции топливников наиболее распространенных теплоемких печей,

предназначенных для сжигания твердого топлива (рис. 12.3).

Топливники старой конструкции для сжигания дров делали с глухим подом (рис. 12.3,

а). Дрова, лежащие на поде, плохо омывались воздухом, поступавшим только через от-

крытую топочную дверцу. Поэтому значительная часть воздуха не участвовала в процессе

горения топлива и охлаждала топочное пространство. Избыток воздуха достигал большой

величины. КПД топливника с глухим подом не превышал 35 %.

На рис. 12.3, б представлен топливник для сжигания дров с колосниковой решеткой. Воздух через поддувало снизу довольно равномерно пронизывает весь слой горизонталь-

но уложенных поленьев. Избыток воздуха уменьшается, повышается температура горе-

ния, в результате увеличивается КПД топливника. Топливник делают сравнительно высо-

ким 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 мощностью более 3000 Вт футеруют изнутри огнеупорным или тугоплавким кирпичом.

Топливник для сжигания каменного угля (рис. 12.3, в) оборудуют колосниковой решеткой с увеличенной площадью живого сечения (для горения требуется 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 небольшой, и высоту топливника делают несколько меньшей,

чем при сжигании дров.

При сжигании бурого угля, топлива, имеющего высокую зольность (12 % и более), необ-

ходимо увеличивать размеры зольника. Топливник для сжигания антрацита (рис. 12.3, г)

устраивают с неглубокой шахтой, в основании которой помещают колосниковую решетку увеличенной площади. Это способствует образованию слоя топлива, в котором развивает-

376

ся высокая температура. Антрацит горит с малым выходом летучих веществ, поэтому объем топливника значительно сокращается по сравнению с его объемом при сжигании дров.

Рис. 12.3. Конструкции^ печных топливников: а - с глухим подом; б - с колосниковой ре-

шеткой для сжигания дров; в - то же каменного угля; г - то же антрацита; б - то же влаж-

ного торфа; е - с бункером для сжигания местных горючих веществ; 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; 10 - шуровочная дверца; 11 - футеровка

Для сжигания влажного торфа (рис. 12.3, д) применяют полушахтный топливник,

имеющий наклонную и горизонтальную колосниковые решетки. В передней стенке топ-

ливника помещают третью дверцу - шуровочную. На наклонной решетке торф подсуши-

вается. Выделяющийся в процессе сушки водяной пар отводится через паровыпускную щель в верхней части топки. Сгорание высушенного сползающего торфа происходит на горизонтальной решетке.

Подобным же образом устраивают топливники для сжигания кизяка.

Топливник для сжигания соломы, опилок, подсолнечной лузги (рис. 12.3, ё) дополня-

ется наружным бункером для топлива. Под бункером помещается стальной конус с отверстиями диаметром 6 мм для подвода воздуха к топливу, поступающему в топку. Частички топлива подхватываются струями воздуха и сгорают налету. Дополнительный воздух может подаваться через щели в поде с регулированием при помощи поддувальной дверцы.

377

Сжигание твердого топлива в топливниках теплоемких печей происходит при нестацио- нарном режиме горения. Тепловой расчет топливников выполняют для основного пе- риода интенсивного горения топлива, хотя при горении 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 (Прил. 1), допустимого для выбранного вида топли-

ва.

Расход топлива О, кг, за время одной топки печи

где С)п - расчетные теплопотери, Вт, отапливаемых печью помещений или, что то же, теп-

ловая мощность печи; т, п - соответственно, продолжительность топки и срок остывания

печи, ч (для основных видов топлива продолжительность топки печи ш может быть при-

нята по табл. 12.1); ^рь - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (см. Прил. I); цп - КПД печи (для печей с колосниковой решеткой при сжигании антрацита цп=0,75, при сжигании топлива других видов - 0,7, для печей с глухим подом - 0,35).

Таблица 12.1. Средняя продолжительность топки теплоемких пеней умеренного про- грева

Затем, зная количество загружаемого в печь топлива, определяют площадь ее пода Апод?

м2:

где р - плотность топлива, кг/м3; Ьсл - толщина слоя топлива, м. Средние значения двух по- следних величин приведены в Прил. 1.

При использовании типового проекта печи площадь пода не рассчитывают, а принимают по чертежам, и сразу переходят к уточнению высоты топливника.

Площадь колосниковой решетки, размещаемой в пределах пода Ак р, м2, вычисляют по формуле

378

где Вр - допустимое удельное напряжение колосниковой решетки, кг/(ч*м2), средние зна- чения которого даны в Прил. 1.

Размеры пода и колосниковой решетки выбирают в зависимости от размеров кирпича или

блоков, из которых сложена печь.

Далее находят или уточняют (имея типовые чертежи) высоту топливника печи. Топлив-

ник 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 1ц м, определяют, используя зависимость удельного теплового на-

пряжения объема топливника ()Г/УГ Вт/м , от вида топлива:

где г|г - КПД топливника, учитывающий неполное сгорание и провал в зольник части топ-

лива (принимают при колосниковой решетке равным 0,9, при глухом поде -0,7); ш - про-

должительность топки, ч (см. табл. 12.1); (ДАД - допустимое удельное тепловое напряже-

ние объема топливника, Вт/м3 (Прил. 1).

Высоту топливника, полученную по формуле (12.4), округляют, ориентируясь при кир-

пичных 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 от-

личаться от принятого более, чем на 15 %.

Наконец, рассчитывают площадь поддувального отверстия Ап.0, м2

где Ьо - объем воздуха, практически необходимого при его температуре О °С и нормаль-

ном атмосферном давлении для сжигания 1 кг топлива, м3/кг (Прил. 1); 1в - 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 газо-

ходы печи. Газоходы, как видно из классификации печей, представляют собой разветв-

ленную систему дымооборотов, внутренние поверхности которых, непосредственно омы-

ваемые дымовыми газами, являются тепловоспринимающими.

Газоходы конструируют таким образом, чтобы за счет теплообмена на тепловосприни- мающих 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.

379

В помещение теплота передается при теплообмене на наружных теплоотдающих поверх-

ностях 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 вы-

сота печи не превышает 2100 мм.

Теплоотдающие поверхности печи могут быть открытыми, обращенными в отступку (по- лость между стеной помещения и поверхностью печи) или в тепловоздушную камеру. Те-

плоотдача в открытую с двух сторон широкую (шириной 130 мм и более) отступку отли-

чается незначительно от теплоотдачи с открытой поверхности печи. При закрытой по бо-

кам 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 тепловосприни-

мающих;

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 соответствова-

ли возникающему естественному циркуляционному давлению (тяге);

объем массива должен быть достаточен для поддержания заданного теплового режима

помещений.

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

число оборотов ограничивают. В старых многооборотных печах (см. рис. 12.2, в) наблю- дался неравномерный прогрев газоходов, вызывавший появление трещин в кладке. Вслед-

ствие 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 горизон- тальными, избегая явления подогрева нижних стенок горизонтальных каналов, что приво-

дит к понижению КПД печей.

Печи с паралельнымп дымооборотами введены в практику русским архитектором И, И.

Свиязевым (см. рис. 12.2, г, д). При их конструировании подъемный канал предусматри-

вают одиночным, опускных каналов устраивают несколько. Кроме того, каналы прокла- дывают с попутным движением дымовых газов, в результате чего обеспечиваются равно- мерность распределения газов по спускным каналам (и их прогревания), а также саморе-

гулирование этого распределения. Напротив, равномерность прогревания нарушается, ес-

ли 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 - предусматрива-

ют направление наиболее горячих газов из топливника в подтопочный канал, т.е. печи

устраивают с нижним прогревом.

Бесканальные (колпаковые) печи разработаны русским инженером В.Е. Грум-

Гржимайло (см. рис. 12.2, е, ж). В надтопочной части такой печи газоходы отсутствуют.

380