Банная печь Игоря Васильева. Попытка синтеза. Часть 4

26 Янв

Просмотров: 1 466

Stove_Vasiliev_02Продолжаем…

В предыдущей статье нашего исследования была сделана попытка описания физики происходящих в Топке банной «Печи В Кубе» процессов при реализации подхода к сжигаемым дровам, условно названным Игорем Васильевым «Заботой».

Свою Печь Игорь Васильев спроектировал, придерживаясь идеологии данного подхода к сжигаемому топливу – вначале извлечь из топлива максимально возможное количество тепловой энергии, а только потом направить полученную энергию в максимально возможном количестве на нагрев нагрузки (каменки).

Построенная им банная Печь полностью соответствует всем аксиомам, предъявляемым к банным печам, и которые были упомянуты в Части 1 этого цикла статей.

При этом компоновка Печи позволила отказаться от требования обязательного наличия над закладкой дров свободного пространства высотой в 1 метр для обеспечения полноты протекания химических реакций горючих компонентов топлива с кислородом воздуха до образования конечных продуктов реакций окисления — углекислого газа (СО2) и паров воды 2О).

Необходимое для протекания реакций окисления летучих пространство было организовано в специальной Камере Дожига (Реакторе), расположенной сбоку от Топливника (Рис.1). Причем в Реакторе были созданы максимально благоприятные условия для завершения этих начавшихся в Топке реакций.

V_Kybe_red

Рис.1

Прежде чем более подробно коснуться описания внутренней конструкции печи, отметим, что ее основными особенностями являются:

  1. «Печь в Кубе» (в зависимости от конкретного исполнения) лучше всего подходит для небольших семейных бань с размерами парной до 15 м3. У автора печи объем парилки составляет около 9 м3 (~1,8×2,4×2,1м).
  2. В варианте исполнения автора Печь имеет размеры в плане 5,5×4 американских (эквивалентных 4×3 отечественных) кирпичей. Размеры печи в плане (по утверждению ее автора) могут варьироваться, с обязательным условием создания в ее основных узлах (Зольнике, Топке и Реакторе) условий для сжигания дров, соответствующих подходу «Забота».
  3. Время топки Печи (без учета времени на выстаивание бани) не превышает 1,5 часов летом и 2-х-3-х часов зимой в случае использования «кубических наворотов». О «кубических наворотах» Печи (что это такое и для чего они нужны) будет сказано далее. Без использования «кубических наворотов» время топки Печи увеличивается на 30-40 минут. Топка Печи с использованием «кубических наворотов» предполагает установку в Печи минимум 2-х термометров (или термопар).
  4. Печь «кушает» порядка 22-24 кг дров летом и до 30 кг дров зимой (зависит от их состава и влажности).
  5. Парообразующий массив Печи (непосредственно каменка + металлическая защита каменки + шамотные стены каменки) составляет порядка  +/- 300 кг .
  6. Печь, за указанное в п.3. время топки, способна нагреть массив каменки (в среднем по объему) до температур порядка 5000С. Низ каменки при этом имеет температуру 800-9000С.
  7. Каменка способна испарить за сеанс не менее 15 литров воды, оставаясь при этом еще «работоспособной».
  8. Дрова в Печи сгорают полностью (с образованием минимального количества золы: менее 5 г золы на 1 кг сожженных дров).
  9. В Печи практически полностью отсутствует образование сажи и ее отложение на элементах конструкции (в Каменке, в Реакторе, в Топке, в Трубе).
  10. Дверка каменки в Печи расположена горизонтально на высоте ~ 127 см (18-19 ряды кладки). За счет подобного исполнения дверки каменки Печь приобретает ряд положительных пользовательских качеств (отсутствие «жесткого» инфракрасного излучения, направленного от нагретой металлической поверхности дверки в сторону парящихся, возможность получения в объеме парной автоматического вращения образуемого Каменкой порций пара, удобство при пользовании каменкой Печи, а также при регламентном обслуживании Каменки и Реактора Печи).
  11. Печь греется, практически, с 1-го ряда кирпичной кладки.
  12. Печь позволяет создать в парной перепад (градиент) температур по высоте, не превышающий 3-40С, что исключительно благотворно сказывается на временнОй стабильности созданных в парной климатических режимов и самочувствии пребывающих в ней посетителей.
  13. Печь обеспечивает возможность создания в парной паровых режимов широкого спектра в течение 2-х суток после окончания топки, а также режимов «мягкого» лучистого инфракрасного прогрева, с температурой воздуха до 600С спустя 3-е суток после перекрытия задвижки на трубе.

 

Обозначив особенности «Печи В Кубе», можно переходить и к рассмотрению ее внутреннего устройства

Но сначала разберемся, почему Печь, с «легкой» руки ее автора, получила такое название.

А получила она такое название потому, что процесс сжигания дров организуется и производится в ней в 3 этапа и осуществляется в 3-х разных ее структурных частях (Поддувале-Зольнике (Камере инициации), Топке (Топливнике) и Камере дожига (Реакторе)) и активном использовании так называемых «кубических наворотов». При этом выделяемая горящими дровами тепловая и лучистая энергия возрастает от этапа к этапу многократно, за счет чего время топки печи сокращается в разы.

Настало время пояснить, что понимает автор Печи под термином «Кубические навороты».

Под данным термином понимается организация подачи в упомянутые выше 3 структурных узла Печи НЕЗАВИСИМЫХ  ДРУГ ОТ ДРУГА нескольких воздушных потоков («первичного», «вторичного» и «третичного») с ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ПЛАВНОЙ регулировкой ВО ВРЕМЕНИ каждого, призванных сжечь в Печи дрова МАКСИМАЛЬНО ЭФФЕКТИВНО, т.е. получить максимальное количество тепла и в максимальном объеме направить его на нагрев полезной нагрузки (Каменки), массива Печи, создания тяги в трубе, нагрев воды. К этим же «Кубическим наворотам» относится ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  в процессе топки Печи ЗОЛЬНИКА ОПРЕДЕЛЕННЫМ ОБРАЗОМ, о чем речь пойдет ниже.

Итак, процесс сжигания дров в Печи начинается с Поддувала-Зольника, где организуется небольшой костерок из мелко-колотых дровишек. Эту часть печи Игорь Васильев назвал «Микротопкой» или «Камерой инициации» (процесса горения).

Основной задачей этого костерка является инициация самого процесса сжигания дров в Печи и создание при этом оптимальных условий для горения находящейся в основной Топке закладки.

Воздух, поступающий в печь через поддувальную дверцу, предварительно подогревается до максимально возможной в объеме поддувала температуры, обедняется кислородом (поскольку часть кислорода воздуха уходит на организацию и поддержание процесса горения данного костерка), и уже в таком состоянии поступает через колосник в Топливник печи. Здесь он принимает участие в основном процессе горения дров (их термическом разложении на летучие и нелетучие горючие компоненты и окислении этих компонентов с образованием таких продуктов горения как Н2, СО, СО2 и Н2О).

Температура нагретого «костерком» «микротопки» воздуха с пониженным содержанием кислорода (по утверждению автора печи) составляет порядка Т=700-10000С.

Стехиометрический коэффициент поступающего из «микротопки» в Топку Печи воздуха имеет значение α≤1.  

Напомню, что стехиометрический коэффициент характеризует избыток/дефицит воздуха с обычным содержанием в нем кислорода (21%об.), принимающего участие в горении топлива (в нашем случае дров).

При значении  α=1 в топливник поступает с воздухом такое количество кислорода О2, которое полностью и без остатка используется для полного окисления компонентов термического разложения древесины до конечных продуктов реакции горения СО2 и Н2О.

При α=1 температуры в области протекания химических реакций горения достигают значений порядка Т=20000С.

С отклонением стехиометрического коэффициента α от значения, равного 1, происходит снижение температуры горючих газов. Причем, избыток воздуха приводит к бОльшему снижению температуры горения, чем его недостаток.   

Так из рис.2 видно, что при стандартной относительной влажности дров (как правило, приримаемой равной 25%) температура газообразных продуктов, образующихся в результате горения, понижается, практически, в 4 раза: с ~1900- 20000C (при α=1) до ~ 5500(при α=5).

Stehiometricheskiy_k-nt2

Рис.2

Поскольку обеспечить подачу в Печь воздуха в объеме со значением α=1 практически не представляется возможным, поэтому при сжигании дров пытаются работать с небольшим избытком воздуха в Топке (α=2-3).

В этом случае температуры дымовых газов Т не опускаются ниже значения 8000С (Рис.2).

Таким образом, организовав в Поддувале-«Камере инициации» Печи подобный костерок, мы подготовили подаваемый в Топку «первичный» воздух до состояния (предварительно нагрели до максимально возможной в данных условиях температуры и обеднИли его кислородом О2, понизив α до значения ≤1), при котором процессы, происходящие в Топливнике, осуществляются с максимальной эффективностью.

Помимо нагрева «первичного» воздуха и снижения в нем содержания кислорода О2, происходит насыщение подаваемой далее в Топку смеси этого воздуха с дымовыми горючими газами парами воды Н2О, образующимися в процессе горения «костерка» в «микротопке».

Нагретые до Т=700-10000С пары воды вступают в реакцию окисления с углеродом (древесным углем) С дров с образованием горючих синтез (СО+Н2) и водяного (СО+Н2+N2) газов, которые, в свою очередь, вступают в реакцию окисления с кислородом подаваемого в Топку воздуха (как «первичного», так и «вторичного») с выделением еще большего количества тепла Q.

Поддувало-Зольник играет еще одну важную роль. Помимо сбора золы, зольная часть этого конструктивного узла Печи служит теплоизолятором нижней части Реактора (речь о котором будет идти далее), что существенно повышает эффективность его (Реактора) работы.

Переходим к рассмотрению устройства Топливника «Печи В Кубе».

Топливник Печи выполнен из шамота в виде несимметричного колпака (Рис.3), вверху которого сделано отверстие прямоугольной формы, перекрываемое Задвижкой Прямого Хода (ЗПХ).

V_Kybe_Part_1

Рис.3

Боковые стенки Топки выполнены из шамота прямыми (вплоть до перекрыши), но разными по высоте и толщине.

Купол Топки (перекрыша) имеет неправильную форму — длинную наклонную слева и короткую горизонтальную вверху.

Топка не содержит каких-либо несущих металлических компонентов Печи, а также каких-либо теплопоглощающих (помимо самих стенок и перекрыши Топки) элементов (например, рассекающих пламя решеток), а также теплоизолирована от внешней кладки Печи.

Наклонная часть купола Топки выполнена из шамотных кирпичей  с выступами в направлении фронтальной, задней и левой сторон Печи (Рис.4).

V_Kybe_Svod_Topka

Рис.4

Образуемые в куполе Топки выступы шамотных кирпичей способствуют созданию оптимальных условий для протекания химических реакций горения дров (ускоренному и хорошему смешению продуктов пиролиза древесины с воздухом (за счет их турбулизации), а также максимально быстрому разогреву шамота купола Топки до температур Т порядка 400-5000С).

Все эти конструктивные особенности Топки позволяют в течение буквально нескольких минут после растопки Печи получить внутри ее максимально благоприятные для горения дров условия  (нагреть внутренние поверхности Топливника до температур Т≥5000С, при которых существенную роль в процессе горения дров начинает принимать лучистая составляющая теплопереноса и происходит выгорание сажи с его внутренних поверхностей).

В Топливнике организована подача во внутрь него «вторичного» воздуха для дожига летучих горючих.

Подача «вторичного» воздуха осуществляется в нижней (выше колосника) и верхней части Топки. «Вторичный» воздух поступает в Топку предварительно подогретым до температур порядка Т=80-1000С.

Еще раз акцентирую внимание на том, что подача в Топку «вторичного» воздуха осуществляется независимо от подачи «первичного» воздуха. При этом имеется возможность как плавно регулировать подваемые в Топку объемы этого воздуха, так и подавать воздух в нужное для этого время.

В левой шамотной стенке топливника проделаны окна для пропуска дымовых газов (как способных еще гореть, так и уже не способных окисляться кислородом воздуха) в Камеру дожига (Реактор).

Теперь о Ректоре. 

Реактор (Камера дожига) представляет собой шамотную камеру прямоугольной формы (Рис.1), в боковых стенках которой имеются окна для пропуска вовнутрь нее со стороны Топки смеси горючих (СО, Н2, С), негорючих (СО2, Н2О) и баластных (N2) дымовых газов, а с противоположной стороны — предварительно нагретый объем свежего воздуха, служащий для дожига горючих летучих.

Этот воздух Игорем Васильевым назван «третичным», а температура его нагрева может составлять от Т=1500С до Т=5000С (зависит от конкретного конструктивного исполнения калорифера, предусмотренного  и созданного для этих целей в Печи).

Потоку горючих газов, поступающему из Топки в Камеру дожига, Игорю Васильеву удалось придать форму пламенного вихря в виде огненного шнура, закрученного в спираль, постепенно всплывающего вверх относительно оси вращения вихря.

Создание в печи условий, при которых возможно придание горящему газовому потоку такой формы, обусловлено конструкцией самой камеры дожига и отверстия подачи в данную камеру этого горящего потока дымовых газов, а также величиной созданной в печи тяги.

Придание пламенному потоку горящих газов формы шнура позволяет уменьшить его (потока) диаметр. Это позволяет повысить концентрацию горючих компонентов потока в единице объема и, значит, у его (потока) внешней поверхности, а также уменьшить толщину слоя вокруг данного потока, обедненного кислородом и обогащенного продуктами реакции горения.

При подаче к оболочке этого вытянутого «кишкой» пламенного потока горячего свежего «третичного» воздуха, обогащенного кислородом, позволяет ускорить и завершить процесс дожига горючих летучих.

Во всей своей красе Реактор (Вихревой Дожигатель, Вихревая Камера Дожига (ВКД)) «Печи В Кубе» представлен на видео ниже:

Сверху Реактор открыт. Открытый на всю глубину Реактора проем перекрыт сверху решеткой прямоугольной формы, выполненной из металлической арматуры диаметром 22 мм. Ширина проема 140 мм. Решетка служит несущим основанием для Каменки, расположенной сверху. 

Каменка.

Каменка размещается вверху Печи в полости, частично выполненной из шамота.

Шамотные стенки каменки изнутри защищены решеткой, выполненной из арматуры диаметром 8-10 мм, отдельные прутки которой жестко не связаны между собой и имеют свободу смещения в любую сторону.

Настоящая решетка предотвращает воздействие локальных (точечных) распорных сил отдельных камней Каменки на шамотную кладку, возникающих между камнями и кладкой в результате увеличения размеров камней в процессе их нагрева.

Нагрев закладки Каменки происходит, в основном, за счет конвективного теплопереноса дымовыми газами и лучистого теплопереноса, созданного нагретыми стенками каменки. Однако лучистая составляющая теплопереноса в данной печи имеет величину меньшую, чем величина лучистой составляющей в банных печах с каменкой, расположенной непосредственно над горящими дровами.

С другой стороны, в данной Печи опорой каменки выступает часть купола Топки. Частичная опора каменки на крышу Топки уменьшает перегрев купола колпака Топливника, что благотворно влияет на его прочностные характеристики.

Низ Каменки находится на высоте 11 ряда Печи (~770мм) (Рис.5а), а ее верх – на уровне 18 ряда (~1260мм). Поскольку Каменка в Печи Игорем Васильевым заполнена не полностью, то реальный верх Каменки находится на высоте 16-17 рядов (~1150—1160 мм) (Рис.5б). 

ScrSh_02_red ScrSh_03_red

                                    а                                                                                   б

 Рис.5

Регистр ГВС. 

В данной Печи нагрев воды с помощью регистра ГВС выполняет задачу стабилизатора температуры отходящих газов на максимально возможном низком уровне.

Однако, в печах, работающих на дровяном топливе, температура отходящих дымовых газов для предотвращения образования в трубе конденсата не должна быть ниже 1200С.

Поэтому в «Печи В Кубе» регистр ГВС (установленный над Топливником-колпаком перед трубной задвижкой (Рис.1)) на момент розжига Печи стоит БЕЗ воды.

Как только температура отходящих газов достигает отметки Т=1200С, регистр ГВС заполняется водой. У Игоря Васильева в Печи в качестве исполнительного элемента, открывающего подачу в регистр воды, стоит автомобильный клапан от системы обогрева.

Таким образом, в системе поддерживается температура отходящих газов на возможно близком и стабильном к значению Т=1200С уровне, что ведет к повышению КПД всей системы (величина полезно используемого добытого в печи тепла растет).

При этом также происходит нагрев воды для бани.

Труба.

Дымовая труба у автора «Печи В Кубе» выполнена в виде сэндвича: внутренняя керамическая труба — утеплитель – внешняя кирпичная труба.

Исполненная подобным образом дымовая труба имеет ряд положительных свойств:

  1. Труба быстро прогревается при растопке печи и создает в системе тягу буквально за секунды.
  2. В трубе отсутствует какая-либо конденсация (ожижение) газообразных продуктов реакций горения дров.
  3. Повышается пожарная безопасность при пользовании такой трубой.
  4. Упрощается конструкция узла прохода трубы через потолочное перекрытие (не требуется выкладывать у трубы «распушку»).

 

На этом прервемся… 😆

До скорого!

 

Другие статьи на эту тему:

Комментариев нет

Размещен в разделе Банные печи

 

Теги: , ,

Добавить комментарий

 
 
 

«Банная печь Игоря Кузнецова БИК 41» 
(3-D модель и 3-D порядовки печи в SketchUp)

 Конфиденциальность гарантирована