Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые процессы, происходящие в печах

План

• 1. Гигиенические требования к воздуху помещений
• 2. Назначение и работа бытовых печей
• 3. Сжигание топлива в топливниках печей
• 4. Теплопоглощение и теплопередача в печах
• 5. Теплоаккумуляция и теплоотдача печей
• 6. Движение дымовых газов в печах
• 7. Тяга, создаваемая дымовой трубой
• 8. Коэффициент полезного действия печей
• 9. Определение теплопотерь
• 10. Расположение печей в помещениях
• 11. Виды и характеристика топлива, применяемого в печах

1. Гигиенические требования к воздуху помещений

Воздух является средой, в которой протекает вся жизнедеятельность человека. Воздух представляет собой механическую смесь газов, состоящую в основном из азота, кислорода и водяных паров (влаги). Воздух, содержащий при данной температуре минимальное количество водяных паров, называется сухим. Воздух, в котором водяной пар при понижении температуры конденсируется, называется влажным. В состав сухого воздуха по объему в % входит: азот - 78,03; кислород - 20,99; аргон - 0,94; углекислый газ - 0,03; водород - 0,01. Содержание водяных паров в воздухе колеблется в широких пределах и зависит от температуры и влажности воздуха.

Гигиенические требования к воздуху помещений сводятся к поддержанию необходимых метеорологических условий, к которым относятся температура воздуха, окружающих предметов и ограждений, влажность воздуха и его подвижность, а также чистота.

Основным источником выделения тепла в организме человека являются процессы пищеварения, окисления крови и мышечная работа.

Метеорологические условия должны обеспечить отвод вырабатываемого организмом тепла. Количество этого тепла зависит главным образом от интенсивности мышечной работы. Отвод тепла происходит с поверхности кожи и из легких посредством лучеиспускания, конвекции и испарения. Недостаточный отвод тепла влечет за собой ухудшение самочувствия человека и снижает его работоспособность. Такое явление наблюдается, например, в жаркие летние безветренные дни или в сильно натопленных и влажных помещениях, когда воздух заметно теряет свое охлаждающее действие на организм.

Относительная влажность воздуха в жилых помещениях в зимнее время находится в пределах от 30 до 60%; температура должна быть 18-20°С, а допускаемая скорость движущегося воздуха, не вызывающая у человека неприятных ощущений, не более 0,2-0,3 м/с.

При топке печей иногда появляется опасная примесь - угарный газ, вызывающий отравление организма человека. Угарный газ - это окись углерода СО, выделяемая в топливниках печей при неполном сгорании углерода топлива в результате преждевременного закрытия дымовой вьюшки или задвижки. Присутствие угарного газа в воздухе определяется по характерному неприятному запаху. В заводских условиях (в литейных, кузнечных, плавильных цехах и т. д.) угарный газ отводится из помещения с помощью специальных вытяжных устройств с механическим или тепловым побуждением. печь топливо теплоотдача тяга

С внедрением в качестве топлива для домовых печей, кухонных плит и очагов горючего газа появилась опасность отравления людей этим газом при недостаточно внимательном обращении с запорными устройствами на газоходах и газовых приборах.

В помещениях с печным отоплением во время топки печи одновременно с обогревом помещений производится вентиляция, так как воздух на горение поступает в топливник печи из того же помещения, где находится печь. На смену этому воздуху через неплотности в строительных конструкциях в помещение проникает свежий наружный воздух. Установлено, что объем этого воздуха может обеспечить одно-, полуторакратный воздухообмен в помещении во время тонки печи, а в часы, следующие за окончанием топки печи, такой же эффект может быть достигнут через специальный вентиляционный канал, устраиваемый в массиве коренной или стеновой дымовой трубы, которая расположена рядом с дымоходом сечением 260Ч130 или 130Ч130 мм.

Вытяжка воздуха из помещения через этот канал происходит только по окончании топки печи и закрытия дымовой трубы за счет теплового побуждения, создаваемого горячими стенками канала, которые получили тепло от горячих дымовых газов за время топки печи. Пользоваться этим каналом во время топки печи не рекомендуется, так как тяга в дымовой трубе может нарушиться.

Отверстие для забора воздуха из помещения должно быть расположено немного выше дна канала на уровне перекрыши печи; во время топки печи оно должно быть плотно закрыто клапаном (хлопушкой).

2. Назначение и работа бытовых печей

Бытовыми печами называются все виды печных устройств, применяемых в жилом строительстве для отопления, приготовления пищи и горячей воды и для других хозяйственных нужд.

В настоящее время в стране эксплуатируется огромное количество (не менее 20 млн.) печных устройств самого разнообразного вида и назначения, начиная от простейших обогревательных печей, состоящих всего лишь из одного топливника без дымоходов, и кончая довольно сложными отопительно-варочными печами специального назначения (сушилки, дезинфекционные камеры и т. д.).

Все эти устройства - печи огневого действия, в которых топливо сжигается в топливнике печи. Выполнены они в подавляющем большинстве из обыкновенного глиняного кирпича. Сущность тепловых процессов, происходящих в них, одна и та же, но вместе с этим имеются различия в их конструкции, сооружении и эксплуатации. Различают печи отопительные, отопительно-варочные, хозяйственно-бытовые, печи-калориферы для воздушного отопления и вентиляции отдельных помещений, печи специального назначения и пр.

Отопительные печи применяют только для отопления помещений.

Отопительно-варочные печи служат одновременно для отопления помещений, приготовления пищи и выпечки хлеба.

В последнее время широко распространены комбинированные отопительно-варочные печи, в которых можно приготовлять пищу и одновременно нагревать воду для квартирных систем водяного отопления и горячего водоснабжения. Это, по существу, кухонные очаги, в корпус которых вмонтированы змеевики или регистры из стальных труб. Во время топки плиты для приготовления пищи циркулирующая в змеевиках вода нагревается и может быть использована для квартирного отопления и других хозяйственных нужд.

Хозяйственно-бытовые печи предназначены для согревания воды, приготовления корма для скота и птицы, сушки зерна, одежды и т. д.

Печи-калориферы служат для обогрева горячим воздухом двух-трех смежных жилых комнат. Горячий воздух поступает в комнаты по коротким воздуховодам, идущим от печи-калорифера.

К печам специального назначения относятся: банные печи-каменки, сушилки для белья и одежды, печи для подогрева строительных материалов, печи для отопления гаражей и дезинфекционных камер, подпольные борова для обогрева теплиц и оранжерей и т. д.

Печное отопление допускается применять в зданиях, имеющих не более двух этажей: жилых домах, общежитиях, административных зданиях, учебных заведениях, детских садах, поликлиниках, амбулаториях, аптеках, здравпунктах, вспомогательных зданиях и помещениях промпредприятий, больницах, торговых помещениях, детских яслях (не более чем на 50 детей), зрелищных предприятиях (со зрительным залом до 200 мест), столовых до 200 посадочных мест и в производственных зданиях с площадью пола отапливаемых помещений до 500 м ² при отсутствии пыли или при выделении невоспламеняющейся и невзрывоопасной неорганической пыли.

Кроме того, печное отопление можно применять в банях с количеством мест для раздевания, не превышающим 50. При возможности и целесообразности теплоснабжения этих зданий от ТЭЦ, районных, групповых и местных домовых котельных или поквартирных устройств вместо печного отопления используют центральные или квартирные системы отопления.

Кухонные огневые плиты можно устанавливать в зданиях свыше двух этажей, делая для каждого этажа отдельный дымоход.

Отопительные печи должны удовлетворять следующим требованиям: быть экономичными, т. е. иметь высокий коэффициент полезного действия, и обеспечивать в помещении расчетную температуру при возможно малом расходе топлива; хорошо прогреваться по всей поверхности и особенно в нижней части; отдавать тепло помещению равномерно в течение суток или срока, установленного для действия печей; обеспечивать максимальную температуру на поверхности печи, но не выше допускаемой противопожарными и санитарными нормами (90-95°С); иметь простую конструкцию, не вызывающую затруднений при кладке печи; быть простыми в эксплуатации, безопасными в пожарном отношении; быть прочными и долговечными (примерный срок службы кирпичных печей - 20-30 лет); не иметь на поверхности трещин, через которые дымовые газы могли бы проникать в помещение; не портить внешнего вида помещения.

3. Сжигание топлива в топливниках печей

Печь нагревается вследствие сжигания в ней топлива. Выделяемое при горении топлива тепло передается массиву печи излучением от пламени, от раскаленного слоя топлива (в топливнике) и при непосредственном соприкосновении движущихся дымовых газов со стенками дымоходов. Количество тепла, поглощаемого печью, и быстрота разогрева ее массива находятся в прямой зависимости от рода и количества сжигаемого в единицу времени (1 ч) топлива. Выделение тепла топливом и поглощение его стенками печи при обычном способе топки происходит весьма интенсивно. Достаточно, например, топить отопительную печь средних размеров всего 1,5-2 ч для того, чтобы разогреть ее массив до требуемой температуры и чтобы потом в течение 12 ч и иногда даже целых суток она отдавала тепло помещению.

В печах, предназначенных для приготовления пищи, выпечки хлеба, согревания воды, сушки одежды и продуктов, необходимо, кроме того, иметь в рабочих зонах печи определенную температуру для выполнения указанных операций.

Хорошо сконструировать печь - это значит правильно определить размеры и объем топливника, составить рациональную схему дымоходов и определить их сечение. При этом должны быть взаимно увязаны все основные элементы печи: размеры и форма топливника, внутренняя поверхность теплопоглощения и наружная поверхность теплоотдачи. Толщина стенок в разных местах печи должна быть такова, чтобы массив печи прогревался достаточно равномерно.

Если объем топливника окажется мал по отношению к массиву печи, то в этом случае и теплоотдача печи будет ниже запроектированной. Объем топливника должен соответствовать общей теплоотдаче печи, величине ее внутренней поверхности теплопоглощения. За небольшой период топки стенки топливника и дымовых каналов должны поглотить определенное количество тепла, передать его массиву печи и ее наружным поверхностям.

Необходимые условия для успешного сжигания любого топлива - поддержание в топливнике высокой температуры и равномерный подвод воздуха в достаточном количестве.

Высокую температуру в топливнике можно поддерживать в том случае, если он имеет необходимые размеры и объем. В некоторых случаях для этой же цели в топливнике устраивают своды, отражающие лучистое тепло на горящее топливо.

Равномерный подвод воздуха в зону горения в печах, работающих на твердом топливе, достигается применением колосниковой решетки и устройством в топочной и поддувальной дверках приспособлений для регулирования подачи воздуха. Приток воздуха в топливник зависит в значительной степени от силы тяги дымовой трубы. Тягу в дымовой трубе регулируют обычно задвижкой (шибером) и поддувальной дверкой.

Конструкция топливника печи зависит от применяемого вида топлива. Газообразное и жидкое топливо сжигают, применяя специальные устройства - газовые горелки и форсунки.

Процесс горения, происходящий в топке печи, заключается во взаимодействии горючей части топлива с кислородом воздуха. Чтобы вызвать горение и в дальнейшем поддерживать его, необходимо создать в топливнике достаточно высокую температуру. Например, для воспламенения дерева нужна температура более 300°С, а для воспламенения угля - более 600°С. В обоих случаях требуемую температуру создают, предварительно разжигая в топливнике легковоспламеняющиеся материалы - бумагу, стружки, солому.

Процесс горения в печах протекает при температурах 800-900°С (для дров) и 1000-1200°С (для угля и выше). Высокая температура поддерживается благодаря выделению тепла в процессе горения, которое в свою очередь осуществляется за счет непрерывного поступления к топливу кислорода воздуха. Воздух в топливник поступает через зазоры в колосниковой решетке. При отсутствии колосниковой решетки воздух попадает в топливник только через топочную дверку (топливник с глухим подом). В этом случае воздух не может равномерно проходить сквозь толщу топлива и обеспечивать полное его сгорание. Таким образом, печи без колосниковой решетки работают хуже, чем печи с колосниковой решеткой.

В разные периоды топки в топливник необходимо подавать различное количество воздуха. Количество подаваемого воздуха, а следовательно, и количество кислорода должно соответствовать количеству сжигаемого топлива. Если в топливник поступает слишком много воздуха, то снижается температура в зоне сгорания и процесс сжигания топлива ухудшается. При недостаточном притоке воздуха в топливник горение протекает неравномерно, так как появляются продукты неполного сгорания, что можно обнаружить по цвету пламени и дыма: дрова горят темно-красным пламенем, а из трубы идет густой черный дым.

В состав каждого вида топлива в основном входят водород и углерод. При полном сгорании водорода образуется водяной пар; при полном сгорании углерода - углекислый газ.

Водяные пары, образующиеся в результате взаимодействия водорода топлива с кислородом воздуха, уносятся вместе с дымом в атмосферу. Если по каким-либо причинам стенки дымоходов оказываются недостаточно прогретыми, то водяные пары, соприкасаясь с ними, охлаждаются и конденсируются, т. е. оседают на стенках дымоходов в виде капель воды. Если это явление повторяется часто, то стенки дымовых каналов пропитываются влагой, которая, пройдя на наружную поверхность, образует грязные пятна. Отсыревание стенок ведет к разрушению дымоходов.

4. Теплопоглощение и теплопередача в печах

Продолжительность топки больших и малых отопительных печей колеблется обычно в пределах от 1 до 2,5 ч при отоплении дровами, торфом, лузгой и от 2,5 до 3,5 ч и более при отоплении каменным углем и антрацитом. За этот короткий промежуток времени стенками топливника и дымоходов аккумулируется все количество тепла, которое печь должна затем отдать воздуху помещения в течение 12 или 24 ч. Чтобы печь работала таким образом, стенки топливника и дымоходов должны иметь достаточно развитую внутреннюю теплопоглощающую поверхность.

Теплопоглощающая поверхность печи - это внутренняя поверхность топливника и дымоходов, омываемая пламенем или горячими дымовыми газами. По степени теплопоглощения эти поверхности неодинаковы. Так, стенки топливника поглощают тепло интенсивнее, чем стенки дымоходов.

Количество теплоты измеряется в килокалориях (ккал). Килокалория - количество теплоты, необходимое для того, чтобы 1 кг воды нагреть на 1С. Ниже приводится количество тепла (ккал/ч), поглощаемого в 1 ч 1 м ² внутренней поверхности топливника и дымоходов, в зависимости от рода топлива и системы печи.

Теплопоглощающая поверхность	Часовое количество тепла в ккал/ч, поглощаемое в м2 поверхности, в, ккал/м2·ч
Стенки и свод топливника при сжигании: угля и антрацита; дров	5000-5500; 6000
Стенки ближайшего к топке жарового канала при сжигании дров, каменного угля и торфа	4500
Поверхности бесканальных (колпаковых) печей	2500-3000
Стенки второго от топки дымового канала	2000-2300
Стенки последующих дымовых каналов и дымовой трубы	1000-1500

В зависимости от продолжительности топки допускаются отклонения от приведенных величин в ту или другую сторону на 10-15%.

Пример. Определить теплопоглощающую способность печи, внутренние теплопоглощающие поверхности которой равны: топливника F₁=1,5 м²; жарового канала F₂=0,75 м²; последующих дымовых каналов и дымовой трубы F₃=4,5 м². Число часов топки m=1,5 ч. Топливо - дрова.

Q_{полн.погл}=(в₁F₁+в₂F₂+в₃Е ₃)m,

где F₁, F₂, F₃ - внутренние теплопоглощающие поверхности, м ²;

в₁, в₂, в₃ - соответствующие им коэффициенты теплопоглощения, которые приведены выше, ккал/м²·ч.

Q_{полн. погл} = (1,5·6000 + 0,75·4500 + 4,5·2000)·1,5 = (9000 + 3375 + 9000)·1,5 = 21375·1,5 = 32062 ккал.

Теплопередача в печах - это процесс перехода тепля от дымовых газов к наружным стенкам печи, происходящий путем конвекции, излучения, теплопроводности.

Конвекция осуществляется соприкосновением движущихся дымовых газов со стенками дымоходов.

Излучение - процесс передачи тепла от горящего топлива и раскаленных дымовых газов к внутренним поверхностям топливника и дымоходов печи в виде лучистой энергии.

Теплопроводность - это свойство материала передавать, тепло через свою толщу.

5. Теплоаккумуляция и теплоотдача печей

Стенки топливника и дымоходов, получив тепло от сожженного топлива, накапливают и передают его через толщу своего массива наружным поверхностям печи. Чем тоньше стенки, тем скорее через них передается тепло. Толстостенными называются печи с наружными стенками толщиной 120 мм и более; тонкости пни ми - печи со стенками топливника толщиной 120 мм и прочими стенками толщиной до 70 мм.

Наружные поверхности тонкостенных кирпичных печей (в ¹/₄ кирпича - каркасные или в футляре) начинают прогреваться уже через 20-30 мин после растопки печи, наружные поверхности толстостенных печей (толщина стенок от ¹/₂ кирпича и более) только через 1-1,5 ч. Продолжительность теплоотдачи небольших тонко стенных кирпичных печей не превышает 10-12 ч, в то время как теплоотдача больших массивных печей может продолжаться 24 ч и больше.

Средняя температура внутренней облучаемой поверхности топливника составляет 450-600°С. Внутренние стенки дымоходов нагреваются до 230-350°С. Средняя суточная температура на наружной теплоотдающей поверхности толстостенных оштукатуренных печей равна 55-60°С при максимальной температуре этой поверхности в отдельных точках до 90°С. Средняя суточная температура наружной поверхности тонкостенных печей при двухразовой их топке в сутки составляет 60-70°С, а максимальная (на короткий промежуток времени) может достигать 120°С. Наибольшая температура на поверхности толстостенных печей обычно бывает через 2,5-3 ч после ее растопки, у тонкостенных печей - через 1,5-2 ч. Затем температура наружных поверхностей постепенно снижается. Таким образом, теплоотдача печи в период между двумя топками происходит за счет тепла, аккумулированного печным массивом во время топки печи. Это количество тепла тем больше, чем больше массив печи и выше температура, до которой он был разогрет.

Свойство печи поглощать и накапливать тепло во время топки и постепенно отдавать его помещению в последующие часы называют аккумулирующей способностью печи.

Количество тепла, аккумулированного печью за время топки, определяют по формуле:

Q_акк=VгcДt,

где Q_акк - количество тепла, аккумулированного печью, ккал;

V - объем прогреваемой кладки печи, м³;

г - объемная масса кладки печи (масса 1 м³ в кг), кг/м³;

с - удельная теплоемкость материала, из которого выполнена печь, т. е. количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы 1 кг материала нагреть на 1°С; для кирпичных печей с=0,21 ккал/кг·град;

Дt - разность между средней температурой массива печи перед топкой и его средней температурой после топки, град.

Пример. Объем кирпичной печи равен 1 м³, объемная масса просушенной кладки печи, включая пустоты - 1600 кг/м³; начальная температура кладки печи 40°С. Конечная (максимальная) температура массива печи, отнесенная ко всему массиву в целом 150°С. Определить количество тепла, аккумулированного печью за время топки. Количество тепла, аккумулированного печью за время топки, равно:

Q_акк=VгcДt=1·1600·0,21(150-40)=36960 ккал

Теплоотдающей поверхностью печи считается: находящаяся в пределах активной высоты Активная высота печи - это расстояние по вертикали от колосниковой решетки или от дна нижнего дымохода до верхней плоскости перекрыши при толщине перекрыши до 140 мм или до нижней плоскости перекрыши при толщине перекрыши более 140 мм. печи поверхность стенок печи, омываемая с одной стороны воздухом, а с другой омываемая дымовыми газами или соприкасающаяся с горящим топливом; перекрыша Перекрыша печи - верхняя горизонтальная стенка, перекрывающая печь. при высоте печи не более 2,1 м; поверхность стенок воздухонагревательных камер.

Тепло от нагретых теплоотдающих поверхностей печи передается окружающему воздуху и предметам следующими способами:

Прямым лучеиспусканием, когда тепловые лучи, исходящие от печи, пронизывают окружающий воздух и попадают на окружающие предметы с более низкой температурой, чем поверхности печи;

Соприкосновением движущегося около печи воздуха с ее нагретыми стенками. Воздух, соприкасаясь непосредственно со стенками печи, нагревается, становится легче и поднимается вверх. Его место занимают соседние нижележащие слои и, таким образом, около разогретой печи создается постоянное движение воздуха.

Полное количество тепла, отдаваемого печью в помещение, равно сумме количеств тепла, переданного первым и вторым способами. Оно находится в прямой зависимости от степени разогрева ее теплоотдающих поверхностей и прямо пропорционально разности температур этих поверхностей и окружающего воздуха и предметов.

Однако теплоотдача печи в течение суток происходит неравномерно. Как было указано выше, максимальные температуры на поверхности печи с периодической топкой наблюдаются у толстостенных печей через 2,5-3 ч после растопки, а тонкостенных - через 1,5-2 ч. В этот момент печь выделяет максимальное количество тепла, превышающее то среднее количество, на которое ее рассчитывали, исходя из теплопотерь помещения. Этот избыток тепла частично поглощается массивом наружных ограждений: стен, пола, потолка и комнатной обстановки.

На короткий промежуток времени температура комнатного воздуха становится несколько выше расчетной внутренней температуры помещения (для жилых комнат 18°С). Затем массив печи постепенно остывает, после чего наступает короткий период установившегося теплового состояния, когда печь выделяет в час ровно столько тепла, сколько его расходуется через наружные ограждения. В этот период все предметы, получившие ранее запас тепла, сохраняют его неизменным. Наконец, наступает третий период, когда остывающая печь выделяет тепла меньше, чем это требуется для поддержания в помещении нормальной температуры. Температура воздуха в помещении начинает понижаться, тогда все предметы, обладающие более высокой температурой и, следовательно, некоторым запасом тепла, начинают отдавать его окружающему воздуху, за счет чего температура помещения выравнивается.

Таким образом, несмотря на неравномерность отдачи тепла поверхностями печи достигается некоторое выравнивание комнатной температуры во время перерыва между топками. При применении толстостенных печей отмеченное колебание температур в помещении бывает меньше, чем при применении тонкостенных. При печном отоплении колебания температуры воздуха внутри отапливаемых помещений не должны превышать ±3°С в течение суток.

Теплоотдачу печи измеряют в килокалориях, выделенных за 1 ч. Теплоотдача печи зависит от количества сожженного в ней топлива и может меняться в широких пределах. Наиболее часто (в соответствии с теплопотерями помещения) применяют печи с теплоотдачей от 750 до 4000 ккал/ч при двух топках в сутки. За нормальную теплоотдачу печи принимают среднее количество тепла, которое выделяется печью в течение 1 ч при двух топках в сутки.

Двукратная топка печи в сутки - утром и вечером - это режим, который обеспечивает наиболее рациональное и выгодное использование массива печи. При средних зимних температурах наружного воздуха, наиболее часто повторяющихся в отопительный период, осуществляется нормальная одноразовая топка печи. При пониженных наружных температурах печь топят два раза в сутки с некоторым увеличением общего количества топлива, чем при одноразовой топке. В более теплые зимние дни достаточно протопить печь один раз в сутки, закладывая при этом меньшее количество топлива.

При соблюдении указанных режимов можно не строить массивных печей, которые необходимы для обогрева помещения при одноразовой топке, а пользоваться менее громоздкими печами, но топить их два раза в сутки. При этом объем, стоимость печи и полезная площадь, занимаемая ею, уменьшается, а работа печи протекает при более высоком коэффициенте полезного действия.

Ниже приведен средний коэффициент теплоотдачи печей в зависимости от их конструкции.

Печи	Средний коэффициент теплоотдачи, ккал/м2·ч
Толстостенные, в штукатурке или в металлическом футляре	400-500
Толстостенные изразцовые	500-600
Тонкостенные массой 1000 кг и более	500-600
Тонкостенные массой до 1000 кг	450-550

Часовая теплоотдача 1 м ² перекрыши печи при высоте печи 2,1 м и менее составляет в среднем 50% от часовой теплоотдачи 1 м ² стенок. Теплоотдача стенки печи в отступке, открытой с обеих сторон, принимается равной 75% от теплоотдачи открытой стенки при ширине отступки от 70 до 130 мм. При отступках шириной более 130 мм теплоотдача принимается та же, что и для открытых поверхностей печей.

Пример. Поверхность теплоотдачи боковых стенок печи равна 7 м². Поверхность перекрыши - 0,8 м². Требуется определить полную теплоотдачу печи, приняв средний коэффициент теплоотдачи стенок равным 400 ккал/м²·ч, а перекрыши - 400·0,5=200 ккал/м²·ч.

Полная теплоотдача печи за 1 ч равна:

400·7+200·0,8=2800+160=2960 ккал/ч.

6. Движение дымовых газов в печах

При конструировании печи необходимо учитывать, что горячие дымовые газы как более легкие, двигаясь по каналам, стремятся заполнить их верхнюю зону, как бы прилипая к перекрыше. При этом наблюдается явление, обратное тому, которое мы видим при течении воды в каналах, - вода течет, заполняя низ канала.

Движение воды и газов по каналам показано на рис. 1, а и б. Вода, протекая по каналу, заполняет его нижнюю часть до определенного уровня. То же, только в обратном порядке, наблюдается при движении дымовых газов по горизонтальному каналу. Если газа немного, то он заполняет лишь верхнюю часть канала.

Рис. 1. Движение воды (а) и газа (б) в каналах

Если в потоке воды встречается выступающее снизу препятствие - порог (рис. 2, а), то уровень воды перед ним будет постепенно повышаться, а затем вода начнет через него переливаться. Подобное явление, но в обратном порядке, происходит и при движении газов. Например, чтобы затормозить и прижать книзу горячий газовый поток в горизонтальном канале, нужно вверху под перекрытием канала сделать порог, тогда уровень газового потока понизится и будет омывать низ канала, как это показано на рис. 2, б. Так же как на дне реки находится самая холодная вода, так и под перекрышей дымохода держится самый горячий газ.

Рис. 2. Обтекание порога в канале: а - водой, б - газом

В вертикальных дымоходах газы опускаются потому, что внизу, в подвертке, создается некоторое разрежение, обусловливаемое действием дымовой трубы.

7. Тяга, создаваемая дымовой трубой

Для того чтобы дымовые газы прошли из топливника через дымоходы печи к дымовой трубе, преодолев все встречающиеся на пути сопротивления (трение о стенки, возникающие завихрения при изменении направления движения газов и т. д.), необходимо затратить некоторое усилие. Это усилие должно быть больше тех сопротивлений, которые испытывают дымовые газы при своем движении. В противном случае печь будет дымить. Эта сила, называемая силой тяги печи, возникает каждый раз, когда топится печь.

Явление это основано на том, что все газы, так же как и окружающий нас воздух, имеют массу. При нагревании газы, расширяясь, становятся легче; при охлаждении они сжимаются и становятся тяжелее. Температура дымовых газов, заполняющих трубу, составляет в среднем около 140°С и поэтому они намного легче наружного воздуха. В результате этого в трубе возникает движение дымовых газов вверх. Сущность происходящего явления поясняет схема, представленная на рис. 3.



Рис. 3. Схема работы дымовой трубы: 1 - топочная дверка, 2 - топливник, 3 - столб наружного воздуха, 4 - дымовая труба

Дымовые газы, образующиеся в топливнике 2 от сгорания топлива, как более легкие, чем окружающий воздух, поднимаются вверх и заполняют дымовую трубу 4. Столб 3 наружного воздуха, равновеликий столбу дымовых газов в трубе, противостоит этому столбу, но, будучи более холодным, он значительно тяжелее такого же объема газов в дымовой трубе.

Проведем через топочную дверку 1 условную вертикальную плоскость и представим себе, что эта плоскость служит как бы перегородкой, отделяющей наружный воздух от дымовых газов, заполняющих топливник и дымоходы печи. На перегородку с правой стороны будет давить столб горячих газов высотой от середины топочной дверки до верха дымовой трубы. С левой, стороны на перегородку будет давить такой же высоты столб наружного холодного воздуха. Массу воздуха, находящегося выше дымовой трубы, можно не принимать во внимание, так как он одинаково давит на правый и левый столбы.

Масса левого столба наружного холодного воздуха больше массы правого столба горячих газов. Поэтому левый столб наружного холодного воздуха будет вытеснять дымовые газы, заполняющие дымовую трубу, и в системе будет происходить движение газов по направлению от большего давления к меньшему, т. е. в сторону дымовой трубы. Действие силы тяги в том и состоит, что она, с одной стороны, заставляет подниматься вверх горячие газы, а с другой стороны, вынуждает воздух проходить в топливник для поддержания горения топлива. Сила тяги тем больше, чем больше разность температур между дымовыми газами в трубе и наружным воздухом и чем выше дымовая труба.

Чтобы усилить тягу, нужно увеличить высоту трубы или повысить температуру уходящих газов; однако первое условие, имеющее решающее значение, не всегда осуществимо, а второе - невыгодно. Поэтому конструкция печи должна быть такой, чтобы сопротивление движению газов по дымоходам по возможности было минимальным. Для этого необходимо соблюдать следующие правила:

Дымоходы печи должны быть небольшой протяженности и иметь малое число поворотов;

Площадь поперечного сечения дымовой трубы должна быть достаточна для отвода домовых газов;

Температура дымовых газов при входе в дымовую трубу должна быть не менее 120-140°С;

Высота дымовой трубы, считая от колосниковой решетки до устья трубы, должна быть не менее 5 м (для одноэтажных зданий).

8. Коэффициент полезного действия печей

Коэффициентом полезного действия (КПД) всякой тепловой установки называется отношение количества полезно использованного тепла к количеству затраченного. В применении к отопительным печам полезно использованное тепло представляет собой тепло, отданное в помещение, а затраченное тепло то, которое можно было бы получить при полном сгорании топлива.

Количество того и другого тепла подсчитать нетрудно. Допустим, что за сутки печь отдала в помещение около 24 000 ккал тепла, а тепло, содержащееся в затраченном топливе, составляет 34000 ккал. Коэффициент полезного действия печи равен отношению 24000/34000=0,7. Печь не могла отдать помещению все 34000 ккал, потому что часть тепла была унесена в трубу с дымовыми газами, температура которых достигает не менее 120-140°С, другая часть Г осталась в топливе, провалившемся в зольник, третью часть составили потери тепла вследствие неполного сгорания топлива.

Коэффициент полезного действия современных отопительных печей составляет в среднем 0,7. Это значение может быть достигнуто при умелом и внимательном ведении топки, когда топливо в течение всего периода топки закрывает всю колосниковую решетку печи, когда подача необходимого количества воздуха для горения топлива регулируется большим или меньшим открыванием поддувальной дверки. Однако в тех случаях, когда печь неисправна или неправильно ведется топка, коэффициент полезного действия печи будет не выше 0,5-0,6.

9. Определение теплопотерь

Отопительные печи предназначены для отопления зданий в холодное время года. В этот период в помещениях поддерживается определенная температура. Например, в жилых и общественных зданиях 18°С, в производственных зданиях 15°С, в ванных комнатах 22°С.

Основное исходное положение при проектировании и выборе типа печи - правильное определение ее расчетной теплоотдачи при выполнении следующего требования: печь должна обеспечивать теплом помещение при любой наружной температуре. Для этого необходимо знать количество тепла, теряемого данным помещением при расчетной наружной температуре, т. е. определить тепловые потери помещения.

У протопленной печи температура стенок более высокая, чем температура воздуха в помещении. Следовательно, печь отдает свое тепло воздуху помещения, восполняя потерю тепла, происходящую через наружные стены, окна, двери. В самом верхнем этаже тепло теряется также через потолок, а в нижнем - через пол.

Значение тепловых потерь помещений зависит от конструкций наружных стен, окон, дверей, полов и потолков здания, от их размеров и теплозащитных свойств материалов, из которых выполнены эти конструкции. Тепловые потери здания тем больше, чем ниже наружная расчетная температур Расчетная зимняя температура наружного воздуха принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки в году по климатологическим данным. данной местности, т. е. температура, которая на основании многолетних наблюдений принята при расчете систем отопления. Например, для Москвы и Московской области эта температура равна - 26°С, для Ленинграда - 25°С для Киева - 21°С, а для Тбилиси -7°С.

Теплозащитные свойства материалов, из которых выполняют стены, окна, полы и потолки, находятся в прямой зависимости от теплопроводности этих материалов (коэффициенты теплопроводности материалов приведены в табл. 1).

Таблица 1. Объемная масса, коэффициент теплопроводности и удельная теплоемкость материалов, применяемых при строительных работах

^* К металлам принято применять понятие плотность, т.е. массу 1 см³; для стали она равна 7,85 г/см³, для чугуна 7,2 г/см³.

10. Расположение печей в помещениях

Для равномерного нагрева воздуха в помещениях отопительную печь следует располагать у наиболее охлаждаемой стены, причем так, чтобы печь по возможности занимала центральное положение.

Однако размещение комнатных печей у наружных стен нецелесообразно. Сравнительно громоздкая печь, поставленная у наружной стены возле окна, затемняет комнату. Расположение дымохода в наружной холодной стене вызывает сильное охлаждение дымовых газов, что влечет за собой конденсацию (выпадение) влаги из дымовых газов на внутренних стенках дымоходов и приводит к ухудшению тяги. Нередко это сопровождается появлением на наружной стене грязных смолистых пятен. Кроме того, при размещении печи у наружной стены дрова, уголь и золу приходится носить через комнату, что приводит к загрязнению помещения. Поэтому отопительные печи, как правило, располагают у внутренних капитальных стен, в которых удобно размещать дымоходы.

На рис. 4, а, б показано направление потоков воздуха в помещениях, отапливаемых радиаторами центральной системы отопления при установке их под окнами и печью, которая расположена у внутренней стены помещения. На рисунке видны стелющиеся по полу холодные потоки воздуха, идущие от окон и наружных стен к стоящей в глубине помещения печи: происходит так называемое "дутье по ногам".

Рис. 4. Направление потоков воздуха в помещениях, отапливаемых: а - печью, б - радиатором центрального отопления

Равномерность распределения тепла по горизонтали в помещениях, отапливаемых печами, не может быть достигнута по той причине, что греющие поверхности печи оказываются сосредоточенными в одном месте помещения, в то время как охлаждение помещения происходит главным образом от наружных стен и окон.

Установка печи вплотную к стене невыгодна, так как при этом одна сторона печи, примыкающая к стене, не участвует в теплоотдаче, а для того, чтобы получить от печи нужное количество тепла, приходится увеличивать ее размеры, что вызывает лишний расход кирпича.

Наиболее целесообразно размещать печь не вплотную к стене, а с некоторым отступом от нее (рис. 5). В этом случае вся ее поверхность отдает тепло в помещение, так как согреваемый в отступе 3 воздух, поступая в это же или соседнее помещение через специальные отверстия 1, также используется для обогрева помещения. Ширину отступа, т. е. расстояние между печью и стеной, принимают обычно не менее 150 мм, что позволяет производить осмотр и чистку стенки печи от пыли.

Рис. 5. Установка печи у стены с отступом: 1 - отверстия с решетками для входа комнатного воздуха и выхода подогретого воздуха, 2 - стена, 3 - отступ

На рис. 6, а показана круглая печь, расположенная в перегородке и обогревающая две смежные комнаты, а на рис. 6, б - прямоугольная печь, также расположенная в перегородке и обогревающая три комнаты. Необходимо, чтобы теплоотдача поверхностей, обращенных в каждую из комнат, соответствовала теплопотерям этих комнат.

Рис. 6. Расположение печей в перегородках: а - двух смежных комнат, б - трех смежных комнат; 1, 2, 4 - помещения, отапливаемые одной печью, 3 - печь

Большинство животноводческих помещений - коровники, свинарники, конюшни и некоторые другие - не требует устройства отопительных установок, так как теплопотери этих помещений полностью покрываются теплом, выделяемым самими животными. Установка печей допускается лишь в некоторых помещениях специального назначения, причем отверстия топочных дверок печей не должны выходить в помещения для животных. К таким помещениям относятся: пункты искусственного осеменения, телятники, родильные отделения, служебные помещения (дежурные, сбруйные и т. п.), производственные предприятия высотой не более двух этажей и площадью пола отапливаемого помещения не более 500 м ².

При установке печей в кинотеатрах и клубах топочная дверка не должна выходить в перемоточную и кинопроекционную; стенки печей должны быть закрыты металлическими кожухами; толщина стенок печей должна быть не менее ¹/₂ кирпича.

При установке печей в складах, помещениях для хранения специальных культур, требующих поддержания положительных температур (семенная кукуруза в початках, сорго в метелках и др.), печи топят из специально устраиваемых тамбуров.

В местах сено- и хлебоуборки очаги для приготовления пищи, кипятильники размещают на площадках, очищенных от растительного покрова, не ближе 100 м от места обмолота хлеба и не ближе 200 м от скирд и стогов соломы и сена. Вокруг очагов и кипятильников полосу земли следует вспахать. Устья дымовых труб от очагов должны быть закрыты металлическими сетками при топке топливом, дающим искры.

11. Виды и характеристика топлива, применяемого в печах

Для топки печей применяют твердое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространено твердое топливо - дрова, торф, каменный уголь. Различные виды жидкого топлива (соляровое масло, мазут, керосин), используют главным образом в местности, где их добывают или производят. Природный газ в последние годы применяется все больше.

Выбор топлива для комнатных печей определяется главным образом наличием его в данной местности, удобством применения в домашних условиях, а также его теплотворной способностью. Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделяемого при сжигании 1 кг твердого, жидкого или 1 м³ газообразного топлива. Размерность этой единицы для жидкого и твердого топлива - ккал/кг, а для газообразного - ккал/м³.

Теплотворная способность каждого вида топлива зависит от его горючих составляющих, а также от зольности и влажности топлива. Чем больше процентное содержание горючих элементов в топливе, тем выше его теплотворная способность. Наоборот, чем больше влажность и выше зольность топлива, тем ниже его теплотворная способность.

Основные горючие составляющие любого топлива - углерод, водород и летучая горючая сера. Углерод в чистом виде представляет собой твердое вещество черного цвета, водород - горючий газ, не имеющий ни цвета, ни запаха. В состав топлива входит еще кислород и азот, а также минеральные вещества, из которых после сгорания топлива образуется зола и шлак. Содержится в топливе и вода.

Минеральные вещества, вода и азот не принимают участия в горении, составляя так называемый балласт топлива.

Ниже приведены средние значения теплотворной способности различных видов топлива.

Вид топлива	Теплотворная способность твердого и жидкого топлива, ккал/кг
Дрова с влажностью, %:
35	3300
30	3000
50	2800
Торф:
кусковой с влажностью 30%	3000
брикетный	4000
Уголь:
подмосковный	3000
бурый	4700
каменный	5000-7200
Антрацит	7000
Нефть	10000
Мазут	9000-9700
Местные виды топлива: солома, подсолнечная лузга, льняная костра, древесные опилки (в зависимости от влажности)	3500-3800

Твердое топливо

Дрова - наиболее распространенный вид твердого топлива для комнатных печей и кухонных очагов. Теплотворная способность дров зависит от их влажности. Сухие дрова легко загораются. При горении они развивают более высокую температуру, чем сырые, следовательно, дают больше тепла.

Теплотворная способность дров различных пород древесины на единицу массы (1 кг) практически одинакова. Однако на единицу объема (1м ³) дрова более плотной и тяжелой древесины дают значительно больше тепла, например березовые дрова дают на 20-25% больше тепла, чем осиновые, и на 15-18% больше, чем сосновые.

Заготовляют дрова в виде поленьев определенной длины: 35; 50; 75 и 100 см. Толщина расколотых поленьев 6-8 см.

Торф представляет собой остатки перегнивших растительных веществ. По способу добычи различают торф резной, кусковой, прессованный (в форме брикетов) и фрезерный (в виде торфяной крошки). Влажность кускового торфа, которым чаще всего пользуются для отопления, колеблется от 25 до 40%. По своему химическому составу и теплотворной способности торф приближается к дровам, но имеет большую зольность.

В безлесных местностях, где нет ни торфяников, ни каменного угля, печи топят кизяком - высушенными на воздухе плитками из навоза и соломы. По внешнему виду, химическому составу, способности рассыпаться в сухом виде кизяк сходен с торфом низших сортов. Как и торф, кизяк содержит много влаги. Его рекомендуется сжигать в таких же топливниках, что и торф.

Каменный уголь залегает пластами в недрах земли, иногда на очень большой глубине. По химическому составу каменный уголь представляет собой в основном соединение углерода и водорода. Ценность каменного угля в его высокой теплотворной способности.

Каменный уголь подразделяется на следующие виды: уголь богатый летучими веществами и малозольный (газовый); уголь бедный летучими веществами и малозольный (антрацит); уголь многозольный с большим количеством влаги (подмосковный уголь, сланцы). Для каждого из видов угля топливник должен иметь свои особенности, однако во всех случаях топливник для сжигания твердого топлива должен быть оборудован колосниковой решеткой.

Жидкое и газообразное топливо

К жидкому топливу, используемому для сжигания в печах и очагах, относятся сырая нефть и нефтяные остатки, которые получают на местах ее добычи, а также продукты переработки нефти, более легкие сорта нефтяного топлива (соляровое масло, керосин).

Плотность легких сортов нефтяного топлива около 0,8 г/см³; тяжелых - 0,9 г/см³. Плотность мазута от 0,9 до 0,93 г/см³. Содержание серы в мазуте незначительно - от 0,5 до 0,8%. Теплотворная способность всех перечисленных видов жидкого топлива примерно одна и та же и равна 10000 ккал/кг.

Крупные котельные установки в большинстве случаев переведены на жидкое топливо. В домовых мелких очагах и бытовых печах сжигание мазута и других видов нефтяного топлива происходит до сих пор весьма примитивно и неудовлетворительно. Горение сопровождается обильным выделением черной копоти, которая проникает и распространяется по всему помещению, при этом она загрязняет воздух и комнатную обстановку. В последнее время начинают входить в употребление безнапорные горелки на жидком топливе.

К газообразному топливу относится природный и искусственный газ.

Различают два способа получения природного газа: из газовых месторождений, содержащих газ без нефтяных добавок (Шебалинское, Ставропольское, Саратовское, Дашавское, Ухтинское месторождения); из месторождений жидких нефтяных источников в сопровождении горючего газа (Баку, Грозный, Майкоп, Ишимбаево и т. д.).

Природный газ, теплотворная способность которого высокая и равна 8500 ккал/м³, экономически целесообразно транспортировать на значительные расстояния.

В химический состав природных газов входят как горючие части - метан (СН₄), водород (Н₂) и окись углерода (СО) - так и негорючие, которые называются балластом - азот (N₂) и углекислота (СО₂). Один из наиболее часто встречающихся газов входящих в состав природных горючих газов, - метан (СН₄). Теплотворная способность метана 8500 ккал/м³.

Особенностью другого газа - бутана (С₄Н₁₀), входящего также в состав горючих газов, является то, что он при нормальном атмосферном давлении и минусовой температуре (-10°С) переходит в жидкое состояние.

Природные газы ядовиты и не имеют запаха, поэтому для быстрого обнаружения их в воздухе к газам перед подачей их в городскую сеть подмешивают пары жидкостей, обладающих резким запахом.

Искусственный газ, реже применяемый в быту, получают из твердого топлива в специальных газогенераторных установках. Теплотворная способность искусственного газа значительно ниже теплотворной способности природного газа и равна примерно 1400 ккал/м³.

Размещено на Allbest.ru