Кирпичные печи И.В.Кузнецова: базовые принципы построения. (Часть 2)

29 Мар

Просмотров: 2 828

В настоящей статье коснемся особенностей конструкции печей И.В.Кузнецова

С целью улучшения  условий сжигания топлива в колпаковых печах (достижения в топливнике высокой температуры,  оптимального обеспечения реакции горения воздухом, предварительного нагрева подаваемого в топку воздуха и его перемешивания в зоне горения), а также уменьшения негативного воздействия балластных газов на процесс горения топлива, И.В.Кузнецов предложил свою конструкцию бесканальной  печи.

Все печи И.В.Кузнецова строятся по формуле:

«Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак».

Здесь речь идет о сжигании топлива в топливнике определенной конструкции, размещенном в колпаке и оптимальном использовании выделившейся при этом тепловой энергии.

Данная конструкция преследует решение следующей задачи:

«…Получить из топлива максимальное количество тепла при его сжигании; полученную теплоту использовать в максимальном объёме; конструкция теплогенератора (печи) должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать максимальную теплоотдачу…»

Решение этих задач стало возможным в печах, работающих на принципах «свободного движения газов». В этих печах топка устанавливается в колпак и объединяется с ним в единое пространство через так называемый «сухой шов» (СШ). СШ представляет собой вертикальную щель шириной в 2-3 см, размещенную в одной (или нескольких) из стен топливника и соединяющего его с колпаком.

На Рис.1 изображен разрез печи, выполненной по схеме «двухъярусный колпак», в которой топка — 1 объединена с нижним колпаком — 3 через «сухой шов» — 2 в единое пространство. Цифрами на данном рисунке обозначены: 4 – теплообменник, 5 – верхний колпак, 6 – канал отвода отработанных печных газов.

2h yarusny kolpak

Рис.1. Печь «двухъярусный колпак»

Предложенная конструкция нижнего яруса колпаковой печи позволило решить отмеченные выше задачи. Простое сжигание топлива в колпаке этого сделать не позволяло.

Именно сжигание топлива в ограниченном объеме топливника, конструктивно выполненного определенным   образом, позволило добиться и максимального извлечения тепла из топлива, и его максимального использования по назначению (нагрева массива печи – для отопительных печей, водяного теплообменника – в отопительных котлах и банных печах, каменной засыпки – в банных печах и т.д.). Это стало возможным за счет уменьшения влияния балластных газов и продуктов реакции горения на процесс сжигания топлива, а также использования преимуществ конвективной системы колпака.

И.В.Кузнецов разработал печи с топливниками такой конструкции, которая позволила  обеспечить подачу в них оптимального количества необходимого для сжигания топлива  «первичного» и «вторичного» воздуха.

Под «первичным» понимается воздух, поступающий в топку через зольник и колосниковую решетку и служащий для инициации процесса горения (нагрева древесины до температуры ее термического разложения, начала процесса выделения  древесиной горючих газов и их окисления). Под «вторичным» понимается воздух, подаваемый в топку для  обеспечения завершения процесса полного окисления выделенных древесиной горючих газов до СО2 и Н2О. «Вторичный воздух» в печах И.В.Кузнецова подается в верхнюю часть топливника по специально организованным для этого каналам в нижнем колпаке.

Помимо этого, топливники его конструкции позволяют достичь хорошего перемешивания воздуха с топливом, разделить потоки холодных и горячих газов. Топливники конструкции И.Кузнецова не предусматривают размещения в них холодного ядра. Теплообменники размещаются в колпаке вне пределов топочного пространства, там, где они не снижают температуру топочных газов. Топливники конструкции И.В.Кузнецова содержат так называемый «катализатор» – элемент топки, позволяющий обеспечить ускорение и способствующий полноте протекания реакции горения топочных газов.

Совокупность всех этих конструктивных особенностей позволило добиться высокотемпературного процесса горения, который обеспечил прогрев и газификацию топлива при температуре порядка 1060ºС  и позволил достичь чистого горения.

Полученное высокотемпературное тепло позволяет не только осуществить полноту сгорания топлива, но может быть по максимуму направлено на теплообменник или использовано по другому целевому назначению.

При этом достигается выполнение двух задач:

1. Из топлива извлекается максимальное количество энергии;

2. Извлеченная энергия по максимуму может быть передана соответствующей теплоаккумулирующей  конструкции (массиву печи, водяному теплообменнику, массиву каменной засыпки и пр.).

Локализация процесса сгорания в топливнике и достижения в нем высокотемпературного горения позволило строить печи с колпаками любой конструкции, любыми геометрическими размерами и любого функционального назначения (отопительные многоярусные печи, отопительно-варочные печи, водогрейные котлы, банные печи, газогенераторные котлы и т.д.).

Итак, кратко рассмотрев основные особенности, присущие печам И.В.Кузнецова, перейдем к более подробному рассмотрению их конструкции.

На Рис.2 изображен поперечный разрез печи двухъярусный колпак конструкции И.Кузнецова. Обозначения на схеме следующие: А — топливник, В — нижний колпак, С — верхний колпак. В нижний колпак могут быть вставлены теплообменники, например регистр системы горячего водоснабжения (ГВС). В случае банной печи таким теплообменником может выступать каменная засыпка (каменка).

Топливник состоит из поддувала с колосником над ним, топочного пространства (топки) - 1, шамотной решетки (по терминологии автора - «катализатора») - 2, пространства над «катализатором» — 3, в верхней части которого имеются выходные отверстия — 4 для отвода печных газов из топки в колпак. В банных печах в пространстве — 3 помещается каменка. В передней части топливника имеется щель — 5 для подачи «вторичного» воздуха (ВВ) из поддувала. В нижней части боковой стенки топливника может быть встроен регенератор — 6 (специальная металлическая коробка для предварительного подогрева наружного воздуха перед подачей его в топку через щель 5, находящуюся в поде топливника перед топочной дверкой). Регенератор рекомендуется устанавливать, когда имеется только один шов подачи «вторичного» воздуха перед топочной дверкой. В задней части топливника в одной из его стен, либо в месте примыкания двух стен, имеется  «сухой шов» — 7 (щель шириной 2-3 см).

Pech Kuznetsova dvuhyarusny kolpak

Рис.2. Печь конструкции И.В.Кузнецова «Двухъярусный колпак»

Вообще то, следует отметить, что ширина СШ зависит от конструктивного исполнения топливника (его геометрических размеров) и для каждой печи определяется экспериментальным путем.

Боковые стенки топливника, в зависимости от его конструктивного исполнения, имеют внутри одну - две полости – 8. По этим полостям из поддувала через отверстия, организованные в стенах зольника, подается под катализатор или непосредственно в него подогретый «вторичный воздух». В задней части полостей 8 могут иметься щели — 9 шириной 0,5 см для подачи ВВ в «сухой шов» для дожигания горючих составляющих печных газов, не успевших полностью прореагировать в топливнике.

Как видно из рисунка топка  ограничена со всех сторон стенками из шамотного кирпича, а сверху – «катализатором». На Рис.3  можно видеть один из вариантов построения «катализатора» в топливнике колпаковой печи.

Рис.3

Над «катализатором» находится камера дожигания летучих компонентов реакции горения 3 (Рис.2).

«Сухой шов» 7 объединяет топку с колпаком (Рис.2). На Рис.3. «сухой шов» можно видеть в левом нижнем углу фото. В стенках по периметру топливника организованы полости 8 (Рис.2) для подачи ВВ в верхнюю часть топки.

Организация системы подачи подогретого ВВ в верхнюю часть топливной камеры и в «сухой шов» служит для устранения дефицита количества воздуха, необходимого для полного завершения реакции горения летучих газового потока. Иными словами обеспечивается создание наиболее благоприятных условий для полного завершения  реакций горения топлива.

Для протекания реакций преобразования окиси углерода СО (угарного газа) в углекислый газ СО2 и водорода Н2в воду Н2О требуется температура не ниже 600ºC. С целью обеспечения этих условий большая часть ВВ подогревается, проходя через полости в стенках топки, и подается в верхнюю зону факела горения, т.е. под «катализатор».

Необходимый для горения воздух подается в топку не только через колосниковую решетку, расположенную над зольником, но и через щель шириной 1,5-2,0 см, находящуюся в поде топливника перед топочной дверцей.  Подача воздуха в топливник через эту щель решает несколько задач: облегчает розжиг печи, подает в топку недостающий объем воздуха, защищает стекло топочной дверцы от перегрева.

В топливнике печи создаются «условия колпака», где каждая молекула (атом) составляющих газового потока имеет свою траекторию движения и место нахождения. Состояние каждой частицы определяется ее энергетическим состоянием. Более упрощенно можно сказать, что наиболее горячие частицы, обладающие большей кинетической энергией, будут находиться в верхней части топочного пространства. В то же время менее нагретые частицы, обладающие меньшей энергией, не могут подняться вверх и находятся в нижней части колпака.

«Вторичный воздух», поднявшись по полостям в стенках топливника вверх и предварительно подогревшись,  выходит из отверстий в (либо под) катализатор. При этом он попадает в верхнюю зону горения и выталкивается как более тяжелый более горячими газовыми потоками пламени вниз, навстречу газовому потоку. Таким образом, происходит встречное движение горючих веществ, находящихся в пламени, и необходимого для их дожигания кислорода подогретого «вторичного» воздуха.

«Катализатор» создает турбулентность газового потока, тем самым, способствуя лучшему перемешиванию его с воздухом и завершению процессов горения газовых составляющих, а также повышает температуру в топке за счет отражения лучевого тепла на горящие дрова.

«Сухой шов» в печах И.В.Кузнецова призван выполнять ряд функций. На этапе розжига печи, пока дрова и внутреннее пространство печи не прогреты, СШ при весьма незначительной тяге в системе позволяет протянуть необходимый для горения топлива воздух по кратчайшему пути из поддувала через топливник в трубу, тем самым облегчая розжиг.

При работе печи в установившемся рабочем режиме СШ служит для отвода из топливника балластных газов, а также охлажденных и отдавших свое тепло стенкам печи топочных газов. В случае организации подачи в СШ «вторичного» воздуха происходит полное дожигание не успевших до конца прореагировать горючих газов (СО и Н2).

На завершающем этапе топки печи СШ позволяет проникающий в топку из поддувала холодный наружный воздух пропустить низом топки прямиком в трубу, не позволяя ему охлаждать внутреннее нагретое пространство печи.

К сильным сторонам колпаковых печей И.В.Кузнецова также относятся их следующие особенности.

В верхней части нижнего колпака этих печей создаётся камера, в которой поддерживается высокая температура, необходимая для окончания реакции горения горючих газов, а также, происходит разделение потоков горячих газов с охлажденными и балластными газами.

Горячие газы аккумулируются в печи, «холодные» газы отводятся в трубу, не охлаждая печь.

Всем колпаковым печам И.В.Кузнецова присущ равномерный по высоте прогрев поверхности печи, начиная с первого ряда. Это становится возможным за счет того, что высота подвертки переточного канала (канала, по которому печные газы из нижнего колпака попадают либо в верхний колпак, либо в дымовую камеру, либо в трубу) располагается ниже основания «сухого шва» топливника.

Равномерный прогрев обеспечивает высокую стойкость печи к образованию  трещин и позволяет ликвидировать «яму» холодного воздуха в помещении.

При незакрытой дымовой задвижке на трубе остывание печи незначительно.

В колпаковой печи горячий воздух, заполняющий колпак, не допускает во внутрь колпака тяжёлый холодный воздух. Попав в топливник холодный наружный воздух низом топливника, не остужая нижний колпак через «сухой шов», попадает в переточный канал, а затем в трубу и выводится наружу.   В этом случае  при несвоевременном закрытии главной задвижки на трубе, остывание печи происходит незначительно. Таким образом, колпаковая печь имеет, как бы, автоматическую газовую задвижку. Этим качеством не обладают печи с другими конвективными системами.

Несвоевременное закрытие задвижки на трубе в печах с принудительным движением газов, ведёт к значительной потере тепла. В печах И.В.Кузнецова потери тепла — незначительны.

Следует отметить ещё одно замечательное свойство печей «двухъярусный колпак».

Известно, что, при увеличении времени топки печи, повышается температура стенок дымоходов, и они воспринимают меньше тепла от дымовых газов, из-за уменьшения разности температур дымовых газов и стенок дымоходов.

В этом случае, повышается температура выходящих газов, то есть, понижается эффективность использования выделившегося из топлива тепла.

В печах «двухъярусный колпак», при увеличении времени топки, не происходит заметного снижения эффективности использования выделившегося тепла, так как воспринимать избыток тепла будет верхний колпак.

Характерной особенностью кирпичных печей И.В.Кузнецова является то, что топливник в них выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича. Данная особенность обусловлена созданием внутри топки этих печей весьма высоких температур (возможно достижение 1060ºС), которые не выдерживает обычный полнотелый керамический кирпич (предел прочности на нагрев не превышает 700ºС).

Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения керамического и шамотного кирпича различны, поэтому с целью не допущения повреждения расширяющейся в процессе горения внутренней шамотной кладкой топливника наружной кладки печи, между шамотным ядром по всему его контуру и внешними стенками печи оставляют воздушный зазор толщиной 5-10 мм. Воздушный зазор между шамотным перекрытием топливника и перекрытием колпака увеличивают до 2 см. 

Итак, подводя черту под вышесказанным, сделаем краткие выводы относительно кирпичных печей И.В.Кузнецова.

1) Кирпичные печи И.В.Кузнецова, сконструированные на принципах свободного движения печных газов, обладают рядом положительных особенностей, выгодно отличающих их от печей с другими конвективными системами.

2) Кирпичные печи И.В.Кузнецова имеют ряд конструктивных особенностей, которые необходимо учитывать при кладке печи. Не знание этих особенностей, либо их игнорирование в процессе кладки, может нивелировать все преимущества, присущие данным печам.

Вот, пожалуй, пока и все на этот раз.

В дальнейшем мы обязательно коснемся особенностей конструктивного исполнения банных печей авторства И.В.Кузнецова, поскольку банные печи призваны выполнять задачи, в некотором роде отличные от задач, возлагаемых на отопительные печи.

Тем же, кого заинтересовала данная тема, предлагаю заполнить ФОРМУ, находящуюся СПРАВА от этой статьи в сайдбаре этого блога в рубрике «ЧИТАТЬ ОБЯЗАТЕЛЬНО!», и СКАЧАТЬ электронную КНИГУ в PDF формате, посвященную азам кладки банных печей И.В.Кузнецова.

Пока!

 

Другие статьи на эту тему:

2 комментария

Размещен в разделе Вопросы теории

 

Теги: , , , ,

Добавить комментарий

 
 
  1. Константин Колышкин

    16 августа 2017 at 19:51

    Владимир, в самой статье показан один из вариантов изготовления такого элемента печи как «катализатор» (название дано И.В.Кузнецовым) и кратко описано его предназначение:

    Катализатор представляет собой решетку, формируемую в верхней части топливника для создания турбулентности горящих дымовых газов (ДГ) в компании с воздухом. Тем самым мы способствуем лучшему перемешиванию горючих летучих с кислородом воздуха и их окислению до состояния СО2 и Н2О.

    Кроме того «катализатор» при своем нагреве начинает переизлучать поглощенную от горящих дров энергию в сторону горящих дров. Тем самым способствуя их более быстрому нагреву и распаду древесины на горючие составляющие (летучие С, СО, Н2).

    Но непосредственно данная решетка будет выполнять функции химического катализатора (ускорителя протекания процесса окисления кислородом воздуха упомянутых горючих летучих) в том случае, если она (решетка) будет изготовлена из шамотных брусков.

    Шамот, как известно, содержит в себе окислы алюминия Al2O3. Наличие этих окислов способствует осаждению на разогретой решетке катализатора атомарного углерода С, выделившегося в результате термического разложения древесины. При достижении шамотом с осевшей на нем сажей (углеродом С) температур порядка 5000С сажа вступает в реакцию термической диссоциации (расщепления) с парами воды (испаряемыми древесиной) с образованием горючего синтез-газа – Н2 и СО. Синтез-газ реагирует с кислородом воздуха (либо кислородом термически распавшейся древесины) с образованием конечных продуктов реакции СО2 и Н2О и выделением большого количества тепла.

    Таким образом, в случае изготовления решетки «катализатора» именно из шамота, данная решетка играет роль химического катализатора в прямом смысле слова.

    Если же данная решетка изготовлена из материала, не содержащего окислов алюминия (например, чугунных брусков), в этом случае она играет только первые две упомянутые функции – способствует перемешиванию ДГ с воздухом, и при нагреве начинает переизлучать тепло в сторону горящих дров, способствуя их скорейшему термолизу (температурному распаду) на составляющие С, СО, Н2.

    Как-то так… 🙂

     
  2. Вован Ебл@н

    16 августа 2017 at 0:33

    ВесьмА содержательная статьЯ. Всё доходчиво и детализированно. Хотелось бы услышать поподробнее про-обустройство «Катализатора».

     
 

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

 Конфиденциальность гарантирована