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

§ 12.8. Не теплоемкие отопительные печи

Теплоемкие печи с развитым теплоаккумулирующим массивом громоздки, занимают ра-

бочую площадь в помещениях. Простейшие не теплоемкие печи (так называемые "вре-

мянки") имеют малые габариты, бесфундаментные, их можно устанавливать в помещени-

ях только на отопительный сезон. К таким печам относятся металлические печи, изготов-

ляемые из листовой стали или отливаемые из чугуна. Металлические стенки могут защи-

щаться футеровкой. Печи обычно состоят из одного топливника без внутренних газохо- дов.

Печи такого типа быстро нагревают помещения, но поддерживают необходимую темпера-

туру воздуха только в период топки. Температура отходящих газов чрезмерно высока, по-

этому КПД печей понижен (0,4...0,5). Кроме того, эти печи неудовлетворительны в гигие-

ническом, эстетическом и пожарном отношениях. Применяют их ограниченно для ото-

пления временных сооружений и помещений при периодическом пребывании людей.

Более совершенны и распространены не теплоемкие печи длительного горения, в кото-

рые топливо загружается периодически, но при этом обеспечивается их продолжительная

работа в течение 6...8 ч. Печи имеют незначительный массив и шахтный топливник уве-

личенного объема. На рис. 12.8 изображена стационарная каркасная отопительная печь

длительного горения тепловой мощностью 2800 Вт (масса 350 кг, площадь нагреватель-

ной поверхности 2,4 м2, КПД печи 0,85...0,88). Топливник печи выполняют в виде узкой внутренней шахты из огнеупорного кирпича на ребро, кладку топливника стягивают дву-

мя болтами. Подом шахты служит подвижная колосниковая решетка. В верхней части

шахты устраивают отверстие для удаления водяного пара и частично газов, выделяющих- ся при подсушке и горении топлива. Поддувальную дверцу снабжают приспособлением

для регулирования подачи воздуха и, таким образом, интенсивности горения топлива

(0,26... 1,0 кг/ч).

Горение происходит на поверхности естественного откоса топлива. В процессе горения топливо постепенно сползает вниз, и слой горящего топлива сохраняет постоянную тол-

щину, т.е. в печи поддерживается постоянный режим горения. При расчете не теплоемких

печей определяют площадь наружной нагревательной поверхности при известной тепло-

вой мощности, задаваясь величиной удельного теплового потока по опытным данным

(например, 3500 Вт/м2 для гладкой металлической поверхности печи при сжигании угля).

При этом учитывают также теплоотдачу стальных печных труб, если они имеются.

Расход топлива Оц кг/ч, находят по формуле (обозначения см. формулу (12.1))

где г)п принимают равным 0,4 для кустарных металлических печей и 0,65 - для футерован-

ных печей.

Зная расход топлива, устанавливают объем топливника Ут, мо, печи

где к - коэффициент запаса топлива, который применяется при печах длительного горе- ния; рт - плотность топлива, кг/м3.

391

8A. 12.8. Каркасная отопительная печь длительного горения: 1 - зольник; 2 - поддуваль-

ная дверца; 3 - шуровочная дверца; 4 - топливник с колосниковой решеткой; 5 -

промежуточная камера; 6 - топочная дверца; 7 - шахта; 8 - коллектор; 9 - средний канал; 10 - боковые каналы

К не теплоемким печам относят также камины, представляющие собой нишу для откры-

того сжигания топлива. Нишу оформляют в виде прямоугольного или полукруглого пор-

тала. Очаг для сжигания топлива лишь частично ограждают стенками. В помещение по-

ступает излучение от сгорающего топлива и нагретых стенок.

Камин является декоративным элементом интерьера, благоприятно воздействует на лю-

дей, ускоренно обогревает помещение, способствует увеличению в нем воздухообмена.

Однако как отопительное устройство камин несовершенен - его КПД не превышает

0,15...0,2.

По конструкции чаще встречаются камины с односторонним излучением от наклонной

задней и развернутых боковых стенок (рис. 12.9), хотя возможно устройство менее эффек-

тивных по теплотехническим показателям каминов с двух- и трехсторонним излучением.

392

общий вид

л

планы

///У// У.' ,Л

I I

\ I

3

4

Рис. 12.9. Камин с односторонним излучением: 1 - зольник; 2 -под с колосниковой решет- кой посередине; 3 - топливник; 4 - наклонная задняя стенка; 5 - дымовой карниз; 6 - дымо-

вая камера; 7 - задвижка; 8 - дымовая горловина; 9 - отвод; 10 - дымовая труба; 11 - подто-

почный лист

На рисунке даны общий вид и разрезы по камину, находящемуся на промежуточном этаже

здания. Под камина снабжают колосниковой решеткой. Заднюю стенку выполняют на-

клонной (см. разрез на рис. 12.9) для усиления излучения в нижнюю зону помещения. Над задней стенкой устраивают выступ - дымовой карниз для сбора конденсата, выпадающего из газов при растопке камина. Выше карниза помещают дымовую камеру для сбора про-

дуктов сгорания топлива перед горловиной. Боковые и заднюю стенки, а также под ками-

на футеруют огнеупорным кирпичом.

§ 12.9. Проектирование печного отопления

Прежде всего, выбирают печь, подходящую для отопления помещения, с учетом требова-

ний, предъявляемых к ее конструкции (§ 12.2). Желателен выбор печи типовой конструк-

ции, причем тепловая мощность, указанная в ее техническом паспорте, должна равняться

расчетным теплопотерям помещения. Точного совпадения этих показателей обычно не достигают (при выборе печи допустимо отклонение ±15 %), поэтому после выбора тепло-

емкой печи приходится приводить ее теплоотдачу в соответствие с теплопотерями поме-

щения. Для этого уточняют размеры и показатели элементов печи с учетом вида топлива и

расположения ее в помещении: проверяют высоту топливника (см. § 12.4), тепловосприя- тие и скорость движения газов в каналах, теплоаккумулирующую способность и плот- ность теплового потока на теплоотдающей поверхности (см. § 12.5).

393

Затем выявляют влияние неравномерности теплопередачи печи на изменение температу- ры воздуха в помещении. Известно, что при эксплуатации одной и той же печи в различ- ных по конструкции помещениях колебания температуры воздуха в них могут значитель- но отличаться. Поэтому проделанные расчеты дополняют проверкой на теплоустойчи- вость помещения, характеризующуюся амплитудой колебания температуры воздуха в

этом помещении.

Амплитуду колебания температуры воздуха Аь °С, при печном отоплении помещения оп-

ределяют по формуле

где М - коэффициент неравномерности теплопередачи, принимаемый по паспорту печи; В - коэффициент теплопоглощения 1-й ограждающей конструкции помещения, Вт/(м2* °С),

вычисляемый по формулам, приведенным в [6]; А - площадь внутренней поверхности 1-й ограждающей конструкции, м2.

В формуле (12.16) числитель выражает тепловой поток, недодаваемый или излишне пода- ваемый печью в помещение при периодической топке, знаменатель - тепловой поток, вы-

деляемый или поглощаемый поверхностью всех ограждений при изменении на 1 °С тем-

пературы воздуха в том же помещении.

Значение Аь вычисленное по формуле (12.16), не должно превышать 3 °С. Если Ар>3 °С, то, несмотря на удовлетворительное выполнение предыдущих проверок, необходимо вновь возвратиться к выбору печи, но более массивной с пониженным значением коэффи- циента М.

Проектирование печного отопления завершают разработкой противопожарных меро-

приятий. Печи устанавливают так, чтобы соблюдались следующие правила:

•расстояние от топочной дверцы до противоположной стены должно быть не менее

1250 мм;

•высота от поверхности пола до дна зольника и газооборотов - не менее 210 мм;

•высота от верха перекрыши до незащищенного от возгорания потолка - не менее

350 мм для печей с периодической топкой и 1000 мм для печей длительного горе-

ния (при защищенном потолке - соответственно 250 и 700 мм).

Конструкции здания из горючих или трудногорючих материалов, примыкающие к печам и

дымовым трубам, защищают от возгорания разделками - вставками из негорючих мате-

риалов. Вертикальные разделки у печей и дымовых труб, установленных в проемах стен

из горючих материалов, предусматривают на всю их высоту в пределах помещений, при-

чем толщину разделок принимают не менее толщины стены. Горизонтальные разделки

устраивают в тех местах, где конструкции здания из горючих или трудногорючих мате- риалов примыкают к дымовым каналам. Разделки выполняют в виде утолщения кладки каналов по правилам, указанным в прил. 16 [1]. Верх разделки делают выступающим на 70 мм над полом вышерасположенного помещения.

При расположении печей и дымовых труб вдоль стен устраивают воздушные полости - отступки на всю их высоту (шириной не менее 130 мм при толстостенных печах и 250 мм при тонкостенных). Стены и перегородки в отступках из горючих или трудногорючих ма- териалов защищают теплоизоляционными негорючими материалами.

394

В чердачных помещениях расстояние от наружной поверхности дымовых каналов до кон-

струкции из горючих и трудногорючих материалов принимают в свету не менее 130 мм.

При конструкциях из металла или железобетона расстояние не менее 130 мм считают от внутренней поверхности стенок каналов.

Пол из горючих или трудногорючих материалов перед фронтом печей защищают метал-

лическими листами, пол под каркасными печами на ножках - металлическими листами по асбестовому картону толщиной 10 мм.

Пример 12.1. Проверим пригодность тонкостенной печи повышенного прогрева марки ПТК-3000 (см. рис. 12.6) для отопления углового помещения деревянного здания. Поме-

щение имеет размер в плане 5,25x3,55 м, высоту 3 м, двойные окна площадью 4,8 м2,

внутреннюю дверь площадью 1,8 м2. Расчетные теплопотери помещения ()м=3100 Вт. То-

пливо для печи - дрова с 0Р„ = 12600 кДж/кг. Печь массой 780 кг обладает коэффициентом

М=0,44 при двух топках в сутки.

Принимаем продолжительность топки печи по табл, 12.1 с поправочным коэффициентом

1,5 для печи повышенного прогрева, т.е. ш 1,25-1,5 1,9 ч. При двух топках в сутки

промежуток времени между топками п 12 - 1,9 = 10,1 ч.

Расчет топливника. Расход дров за одну топку по формуле (12.1) составляет

О -3,6-3100-12 / (12600-0,7) = 15,2 кг.

Расчетная площадь пода печи по формуле (12.2) при р=400 кг/мо и Ьсл=0,3 м (Прил. 1)

Апол = 15,2 / (400-0,3) = 0, 127 м*

близка к фактической площади пода (см. рис. 12.6), равной 0,51-0,26 = 0,133 м2.

В топливнике печи установлена колосниковая решетка размером 0,25х0,15 м. Удельное

напряжение колосниковой решетки найдем из формулы (12.3)

что меньше допустимого напряжения, равного 250 кг/(ч-м2).

Требуемую высоту топливника вычислим по формуле (12.4) при ()Г/УТ = 405000 Вт/м3 (Прил. 1)

Ьт = 15,2-12600-0,9 / (3,6- 1 ,9-0.133-405000) = 0,47 м.

Высоту топливника печи по рис. 12.6 (соответственно размеру кирпича 0,42...0,49 м) ос-

тавляем без изменения.

Площадь поддувального отверстия печи составляет АП.0 0,120,12 = 0,0144 м2. Скорость

движения воздуха в поддувальном отверстии определим из формулы (12.5) при Ьо=Ю

м3/кг (Прил. 1) и 1в=20 °С.

7 = 15,2-10( 1 -т (20 / 273)) / (3600-1,9' 0,0144) = 1,7 м/с.

395

Скорость движения воздуха в допустимых пределах.

Проверка тепловосприятия печи. Печь за срок нагревания и остывания (12 ч) должна

передать в помещение общее количество теплоты, найденное по формуле (12.6),

<^= 3,6-310032 = 133920 кДж,

По рис. 12.6 установим площадь внутренней поверхности топливника и газоходов печи,

по Прил. 2 - плотность воспринимаемого теплового потока:

что значительно меньше требуемого тепловосприятия (133920 кДж).

Увеличим высоту газоходов печи на 0,13 м (один ряд кирпича на ребро). Площадь вое-

приятия возрастет: первого газохода на 0,1 м2 промежуточных на 0 46 м2. Тогда

“, ,

тО&осгр = 1,9-3,6(7000-0,9 + 5200 1,13 -г 2670-1.96) = 119080 кДж,

Отклонение от С)тр0бЩ, равное 11 %, допустимо.

Таким образом, принимаем высоту печи 1,55 + 0,13 = 1,68 м.

Расчет скорости движения газов в каналах печи. Скорость движения газов найдем по

формуле (12.9):

в первом газоходе (см. рис. 12.6) при температуре газов 700 °С (Прил. 2)

Скорость движения газов находится в допустимых пределах (Прил. 2). Проверка тепло-

аккумуляции печи. Печь должна аккумулировать количество теплоты, вычисленное по

формуле (12.10)

396

акк 3,6 3100' 10,1 = 112716 кДж.

Активный объем (см. рис. 12.6) с учетом увеличения высоты печи

V, 0,775-0,57(1,35 + 0, 13) = 0, 596 м3.

Объем полостей в печи:

втопливнике - 0,51-0,26-0,42 = 0,0557 м3;

ввертикальных каналах - 0,25-5-0,58-(0,51 + 0,13) = 0,0946 м3;

вканалах 14-го ряда - 0,34-0,39-0,132 - 0,21-0,065-0,134 = 0,028 м3;

у загрузочной дверцы - 0,2-0,4-0,12 = 0,0096 мз.

Общий объем полостей в пределах активного объема печи VПОЛ 0,188 м3.

Действительная теплоаккумуляция печи по формуле (12.11)

= (0,596 - 0, 188)1650 0, 88- 160 = 94787 кДж.

Отклонение от 0тракк, равное 15 %, допустимо.

Проверка плотности теплоотдачи печи. Площадь наружной нагревательной поверхно-

сти, относящейся к активному объему печи, составляет:

боковых стенок (включая теплоотдачу и широкую отступку) (0,775+0,52)2(1,35+ 0,13)

3,83 м2

перекрыши (с поправочным коэффициентом 0,75)-0,775-0,52-0,75 = 0,3 м2.

"приведенной" теплоотдающей поверхности печи повышенного прогрева, вычисленная по

формуле (12.12),

црга= 3100 / 4, 13 = 750 Вт/м^

находится в допустимых пределах.

Расчет амплитуды колебаний температуры воздуха в обогреваемом помещении. Для определения амплитуды вычислим сумму произведений коэффициента теплопоглощения

В на площадь А всех ограждений помещения, используя значения В, приведенные в спра-

вочной литературе:

наружные стены дощатые с известковой штукатуркой

( ВА)„. С = 4.3(3(5,25 + 3,55) - 4,8) = 92,9 Вт/°С;

двойные окна

397

(ВА)ок = 2,67-4,8 = 12,8 Вт/°С;

внутренние стены дощатые с известковой штукатуркой

(ВА)вс = 4,21(3(5,25’3,55)) -111,! Вт/°С;

дверь

(ВА)„ = 2,9-1 ,8 = 5,2 Вт7°С:

пол деревянный

СВА)^ = 2,99-5,25-3,55 = 55,7 8т/°С;

потолок деревянный

(ВА)ПТ -3.62-5Т 25' 3,55 = 67,5 Вт/°С

Всего ДВА) = 92,9 + 12,8 + 1 П ,! + 5,2 + 55,7 + 67,5 = 345,2 Вт/°С.

Амплитуду колебаний температуры воздуха в помещении найдем по формуле (12.16)

А[ = 0,7-0,44-3100 / 345,2 = 2,8 °С < 3 °С.

Вывод: печь марки ПТК-3000 (см. рис. 12.6) пригодна для отопления заданного помеще-

ния при условии увеличения высоты ее газоходов на 0,13 м, т.е. на один ряд кладки кир-

пича на ребро.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Составьте порядовки кладки кирпича, начиная с 10-го ряда печи, представленной

на рис. 12.7 двумя разрезами.

2. Изобразите расположение оголовков дымовых труб, удаленных от конька крыши

здания на 1, 2 и более 3 м.

3. Какого вида песок применяют для приготовления глиняного раствора?

4. Разработайте конструкцию кирпичной разделки дымовой трубы (дополнительно

используя негорючие материалы) в месте соприкосновения ее с перекрытием из

горючего материала толщиной 210 мм.

5. Рассчитайте плотность теплового потока, воспринимаемого стенками газохода пе-

чи при температуре газов 700 °С и скорости их движения 2 м/с.

6. Выполните аэродинамический расчет печи, изображенной на рис. 12.4, при темпе-

ратуре наружного воздуха О °С, сжигании в печи дров и расстоянии от устья ды-

мовой трубы до колосниковой решетки 5 м.

7. Подсчитано, что при печном отоплении амплитуда колебаний температуры воздуха

в проектируемом помещении превышает 3 °С. Какими способами можно довести амплитуду до 3 °С?

398

ГЛАВА 13. ГАЗОВОЕ ОТОПЛЕНИЕ

§ 13.1. Общие сведения

Из всех видов топлива газ - экологически наиболее чистое, так как при правильной орга-

низации процесса его сжигания содержание вредных веществ (канцерогенов, окислов азо- та, оксида углерода) в продуктах сгорания минимально. Около 30 % потребляемого в Рос-

сии газа в силу ее климатических особенностей расходуется на нужды теплоснабжения.

Использование газа экономически выгодно, что обусловлено повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива, более легким регулированием температурных полей и состава газовой среды в рабочем пространстве отопительных установок. Значительно уп-

рощается и эксплуатация теплогенерирующих агрегатов.

В России используют природные и сжиженные газы. Природные газы состоят в основном

из метана, других углеводородов метанового ряда, а также небольшого количества азота и диоксида углерода (углекислого газа). Низшая теплота сгорания сухих природных газов

()Рн=36000...40000 кДж/м3, плотность р = 0,73..1,0 кг/м3. Сжиженные углеводородные га- зы (СУГ), которые получают на специальных заводах в результате переработки нефти и природных газов, состоят из пропана и бутанов. Хранят и транспортируют пропан-бутаны на большие расстояния в сжиженном виде, а перед использованием жидкий газ испаряют.

Низшая теплота сгорания паров СУГ (смесь 50 % пропана и 50 % бутанов) примерно

110000 кДж/м3, а плотность 2,35 кг/мз.

Газовое топливо имеет два основных недостатка: взрывоопасность газовоздушных смесей и токсичность самого газа (особенно продуктов его неполного сгорания), в связи с чем не-

обходимо предусматривать систему безопасности, а также предъявлять повышенные тре- бования при эксплуатации установок газового отопления.

Для отопления газ используют в различных установках: обычных или специальных кот-

лах, комнатных печах, приборах квартирного или местного отопления, в газовых отопи-

тельно-вентиляционных агрегатах. Под термином "газовое отопление" понимают системы

отопления:

-с комнатными печами, работающими на газе;

-с газовыми водонагревателями;

-с газовыми не теплоемкими отопительными приборами;

-с газовоздушными теплообменниками;

-с газовоздушными излучателями;

-с газовыми горелками инфракрасного излучения.

Первый и третий виды систем газового отопления - местные, остальные могут устраивать-

ся как центральными, так и местными. Ниже даны особенности конструкции перечислен-

ного оборудования. Газовые водонагреватели были рассмотрены в главе 3.

§ 13.2. Газовые отопительные печи

Газовые печи наиболее экономичны среди других видов печей (их КПД примерно в 1,3

раза выше КПД печей на твердом топливе). Работа их может быть полностью автоматизи-

рована.

В теплоемкой кирпичной печи (рис. 13.1) стенки топливника при установке горелок не-

прерывного действия выкладывают из глиняного кирпича, горелок периодического дейст-

399

вия - из огнеупорного. В верхней части топливника устанавливают решетку из огнеупор-

ного кирпича. Излучение от нее дополнительно нагревает стены топливника, что способ-

ствует более равномерному нагреванию помещения по высоте.

Каналы печи выкладывают из кирпича в три яруса для развития тепловоспринимающей

поверхности на коротком пути движения продуктов сгорания газа. В центре восходящих

потоков горючих газов расположены один над другим три ряда рассекателей, которые на-

правляют продукты сгорания к боковым стенам печи. Печь сверху дополняют тягопреры-

вателем (показан на рис. 13.3), который предохраняет ее от избыточной и обратной тяги,

что важно для устойчивой работы горелки. Кроме того, через тягопрерыватель осуществ-

ляется постоянное вентилирование верхней зоны помещения.

Тепловая мощность показанной на рис. 13.1 печи при двух топках в сутки (продолжитель-

ностью не более 2 ч подряд) составляет порядка 2600 Вт, КПД достигает 90 %. При работе

с горелками непрерывного действия теплоотдача печи увеличивается на 30 %. Недостат-

ком печи является ее кустарное изготовление.

Печь заводского изготовления (рис. 13.2) тепловой мощностью 2000 Вт рассчитана на не-

прерывную топку. Ее доставляют в готовом виде и устанавливают без фундамента. Топ-

ливник печи не футеруют огнеупорным кирпичом, так как его внутренняя поверхность нагревается не выше 250 °С. В нижней зоне печи устанавливают горелку и металлический патрубок для подачи воздуха в топливник. Для наблюдения за горением в нижней части

печи расположено смотровое окно. Над горелкой установлена металлическая полая каме-

ра. Продукты сгорания газа поднимаются вверх по кольцевому каналу между корпусом

печи и камерой и передают теплоту стенкам печи. В верхней зоне продукты сгорания про-

ходят в газосборник и, минуя заслонку, через стальной соединительный патрубок попа- дают в дымоход. Подачу воздуха в печь регулируют заслонкой, установленной непосред- ственно перед выходным патрубком.

В газовых печах устанавливают горелочное устройство, главные элементы которого - ос-

новная и запальная горелки и автоматика безопасности. Основная горелка эжекционная,

первичный воздух (50 % необходимого для полного сжигания) проходит в горелку, ос-

тальная часть воздуха подмешивается к пламени непосредственно в топке. Подача газа на

запальную горелку начинается при нажатии пусковой кнопки автоматики безопасности.

Автоматика безопасности предназначена для прекращения подачи газа на основную и за-

пальную горелки в следующих случаях: при отсутствии тяги в дымоходе печи, погасании пламени на запальной горелке, падении давления газа перед горелкой ниже допустимого предела (последнее может привести к проскоку пламени внутрь горелки или погасанию

его).

Для поддержания заданной температуры воздуха в помещении устанавливают терморегу-

лятор (см. рис. 13.2), теплоотдачу печи регулируют изменением расхода газа. Внутри ци-

линдрического корпуса терморегулятора помещен баллон, заполненный керосином, в ко- торый впаян сильфон. Шток затвора находится внутри сильфона. При повышении темпе- ратуры воздуха в помещении керосин расширяется, сжимает сильфон, и затвор закрывает седло. В этом случае газ идет через малое отверстие в количестве, необходимом для ус-

тойчивого горения. При понижении температуры затвор отходит от седла, и расход газа

увеличивается.

400