Дровяные отопительные печи и КПД
Печи с противотоком
27 января 1767 г. правительство Швеции создало комитет по экономии энергии и поручило архитектору К. И. Кронстедту и генералу Ф. Вредэ разработать экономичную отопительную печь. Так появилась конструкция пятитрубной вертикальной печи, имеющей весьма высокий коэффициент полезного действия.
Конструкция печи, действующей на основе принципа Кронстедта, позднее была усовершенствована шведским инженером Виманом, разработавшим принцип противотока. После этого в конструкции печи существенных изменений не произошло.
Основной особенностью печи является поступление продуктов сгорания в вертикальный подъемный канал, из которого они распределяются в несколько параллельных опускных дымооборотов. При таком расположении тяга в дымооборотах приобретает свойства самовыравнивания: если в каком-либо из опускных каналов увеличивается подача газов, то температура в нем возрастает, а тяга уменьшается. Соответственно произойдет саморегулировка подачи по дымооборотам.
С целью увеличения аккумуляции теплоты в подъемном канале печи может выкладываться насадка, обеспечивающая дополнительное перемешивание продуктов сгорания для улучшения условий их догорания. Кроме того, для увеличения теплоотдающей поверхности печи устанавливаются с отступом от стены.
В настоящее время кроме обычных печей выпускаются и каминопечи, работающие на принципе противотока. Одним из ярких примеров является каминопечь Tulikivi, построенная из горшечного камня (мыльный камень, жировик), обладающего очень высокой теплоемкостью. На сайте показана одна из моделей Tulikivi. Это островная каминопечь с расположением опускных каналов 4 лучевой звездой, что увеличивает теплоотдающую площадь поверхности печи. КПД печи составляет около 90%, после сгорания топлива остается небольшое количество пепла. Эта каминопечь является экологически чистым очагом.
Горшечный камень или стеатит (жировик) — плотные агрегаты талька, напоминающие по виду свиное сало или стеарин. Исстари применяется для портняжных мелков, небольших скульптурных изделий, для изготовления пудры и огнеупорной посуды. Места распространения: Фихтель, Саксония (ФРГ), Альпы, Норвегия, Урал (Россия), США.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Понятия и определения
Процесс горения, принципы горения
Древесина представляет собой смесь газообразного (85...90%) и твердого (10...15%) веществ, поэтому для горения древесины требуется воздух двух видом. Первичный воздух расходуется при горении твердого вещества на колосниковой решетке, и этот воздух подается в топку, как правило, через отверстия колосниковой решетки из-под слоя топлива. Вторичный воздух необходим для сжигания газов, выделяющихся при горении твердого вещества и находящихся перед сжиганием над твердым топливом. Расход вторичного воздуха примерно в 2 раза больше, чем расход первичного воздуха.
Принцип противотока
Этот принцип связан с теплоотдачей очага. Как только языки пламени и тепло в огневых дымоходах поднимаются до потолка очага, обеспечивается принудительная подача горячих дымовых газов, как правило, по дымовым каналам (боковым опускным дымооборотам) в нижнюю часть очага, где находится соединительный дымоход. С наружной стороны очага воздух, в свою очередь, поднимается вверх. Таким образом, дымовые газы и подогреваемый воздух движутся в противоположных направлениях, откуда происходит название принципа противотока.
Энергия, мощность, КПД
Многие часто путают понятия энергия и мощность. Применительно к очагам энергосодержание, или теплосодержание (кВт*ч) является понятием, связанным с количеством дров, а мощность (кВт) является понятием, связанным с размерами пламени и скоростью горения древесины.
Коэффициент полезного действия (КПД) определяется отношением количества освободившейся энергии к количеству использованной на практике освободившейся энергии. Величина КПД измеряется в процентах (%). Например КПД горения характеризует, какую часть (в %) из всего энергосодержания древесины можно преобразовать в тепло в процессе сжигания. Какая-то часть древесины всегда остается недогоревшей в виде углей, летучей золы, негорючих газов. С величиной КПД также связано понятие потери. Например, если потери дымовых газов очага (т.е. количество энергии, теряемой вместе с дымовыми газами) составляют 20%, то КПД очага может составлять не более 80%. Полный КПД складывается из двух величин:
- КПД горения;
- потери дымовых газов.
Например, если КПД горения равен 90% и потери дымовых газов составляют 20%, то полный КПД этого очага будет равен
0,9 * (1 - 0,2) = 72%
При передаче вырабатываемого очагом тепла следует учитывать еще и потери на теплопередачу. Например, если очаг (обладающий КПД 72%) подсоединен к сети отопления, в которой потери на теплопередачу составляют 8%, то КПД всей отопительной системы составит
0,72 * (1 - 0,08) = 66%
При использовании полного КПД отопительной системы можно рассчитать фактически необходимое количество топлива для отопления всего здания. Например, если для отопления жилого дома потребность в энергии составляет 12000 кВт*ч и полный КПД отопительной системы принять за 66%, то фактическую потребность топлива можно легко вычислить
12000 / 0,66 = 18000 кВт*ч
При энергосодержании 1 кг древесины около 4 кВт*ч годовой расход, например, дров составит
18000 / 4 кг = 4500 кг
т.е. около 8...10 м3 дров.