Принцип действия печей с двумя колпаками
Секрет эффективности работы данной печи кроется в ее оригинальной конструкции, позволяющей накапливать и сберегать тепло в течение длительного времени. Чтобы понять принцип работы двухколпаковой печи, рассмотрим её конструктивную схему.
После растопки в зимнее время раскаленные дымовые газы поднимаются под свод нижнего колпака, передавая тепло окружающим стенкам и варочной панели. Но в камеру сгорания поступает новый воздух, процесс горения продолжается и выделение горячих продуктов сжигания продолжается, вытесняя под верхом колпака остывшие газы. Те, в свою очередь, опускаются и попадают в вертикальный канал, ведущий в верхний колпак, где двухколпаковая конструкция печи предусматривает повторение предыдущего процесса с выбросом газов наружу через дымоход.
Температура выходящих дымовых газов ниже любой другой печи с плитой, так как они интенсивно отдают свое тепло стенкам печки. По этой причине дымоходы источников тепла данной конструкции требуется защищать от разрушительного воздействия конденсата. После того как протапливание закончено, тепло еще долгое время сохраняется вверху обоих колпаков даже в том случае, если главная задвижка остается открытой. Холодный воздух, поступающий через поддувало, не может подняться под свод колпака и проходит в дымоход по пути, указанному на схеме синими стрелками.
Двухколпаковая варочная печь с плитой позволяет готовить пищу в летнее время благодаря дополнительной задвижке, открывание которой пропускает газы напрямую в дымоходную трубу. Если же задвижку открывать не полностью, то поток продуктов сжигания разделится на два, идущих по разным путям. Таким способом в осенне-весенний период можно регулировать интенсивность прогрева колпаков, то есть, тепловую мощность печки.
Печи Кузнецова устройство и принципы работы, преимущества, вариации, чертежи
Печи Кузнецова хорошо известны не только печникам – они обогревают множество домов в России и за ее пределами. И. В. Кузнецов работает над усовершенствованием печей с 1962 г. и собрал вокруг себя крепкий коллектив единомышленников. В активе команды – более полутораста разработок, охватывающих едва ли не весь диапазон бытовых печей, см. рис.
Некоторые из печей И. В. Кузнецова
Многие хотели бы сложить какую-то из печей Кузнецова своими руками, и эта статья – им в помощь. Но мы не собираемся раскрывать некие потаённые секреты «кузнецовок» – их просто нет. На сайте Игоря Викторовича stove.ru желающие бесплатно найдут огромный массив печной информации: от сведений по конструированию и строительству печей до подробных чертежей и рекомендаций по установке печи в доме и устройстве отмостки вокруг здания с печным отоплением. Не намерены мы также что-то в этой домашне-печной энциклопедии критиковать или поправлять: нам до И. В. Кузнецова по печному делу, мягко говоря, далековато.
Цель настоящей статьи – дать к своду сведений Кузнецова своего рода введение, позволяющее свободнее ориентироваться в исходном материале. Поясним на примере, зачем это нужно.
Допустим, я автомеханик-универсал с большим опытом и хочу передать его другим интересующимся. Автомобиль – штука сложная. Если я начну по ходу изложения отвлекаться, подробно объясняя, что как обкат и кастер (положим, читатели не совсем уж чайники, ездят-то теперь все) влияют на управляемость и путевую устойчивость машины, а диаграмма газораспределения – на расход топлива в зависимости от дорожных условий, и прочее в том же духе, я в конце концов запутаюсь до того, что сам перестану понимать, как работает автомобиль, на котором я езжу. Волей-неволей мне придется излагать материал пусть и «на пальцах», но по-профессиональному бегло.
Однако читать его будет тяжеловато даже таким же, как и я, специалистам, а у дилетанта вообще голова кругом пойдет. Поэтому мне в помощь понадобится некто, кого можно условно назвать «получайником». На самом деле он вовсе не чайник, может сам и подвеску отрегулировать, и толкатели клапанов выставить. Но в данном случае его задача – описать, как вся начинка машины собирается в одно целое, управляемое по принципу: «Рулем рулить, газом газовать, тормозом тормозить».
В автомобилестроении СССР подобная ситуация возникла в конце 50-х – начале 60-х, когда промышленность начала выпуск автомобилей для широкой продажи населению. Тогда вышел в свет супербстселлер того времени – «Как работает автомобиль». Под редакцией не кого иного, как самого главного конструктора легендарной «Победы» А. А. Липгарта.
Информация «от получайника» еще не позволит приступить к работе: она не дает глубоких знаний, которые позволят хотя бы интуитивно прикидывать по ходу дела нужные значения численных параметров. Но она по сути своей фундаментальна: владея ею, профессиональный текст читается уже с пониманием и быстрее. И, если где-то что-то в нем непонятно еще, это уже не вызывает потерянности и метаний, а просто отметку в уме: вот об этом нужно разузнать подробнее.
О печах и печном отоплении правительство пока никаких эпохальных постановлений не принимало. Но их роль в бытовой теплоэнергетике во времена дефицита энергоресурсов несомненна: уже отопительная печь с КПД 70% при массовом использовании даст экономию топлива в масштабе государства, т.к. в проекты новеньких теплоцентралей закладываются потери тепла в магистралях в 35%, и уменьшить их пока нет возможности. Так что с популяризацией печных знаний приходится выкручиваться самому, не будучи ни Липгартом, ни Кузнецовым. Что ж, попробуем.
Конструкция и принцип работы
Конструкция колпаковой печи
Печка с колпаком была разработана инженером Игорем Кузнецовым в начале 60-х годов прошлого столетия. Впоследствии российский металлург Леонид Котляр усовершенствовал конструкцию так, чтобы она сохраняла тепло до 19 часов. Особенность «кузнецовки» в том, что нагретый воздух не уходит из трубы, а сбирается под колпаком. Потихоньку он остывает, и вытесняется поднимающимися горячими потоками. В экономии тепла и заключается выгодное отличие колпаковой печи используемой для отопления дома от канальной, где горячий воздух под воздействием тяги беспрепятственно уходит на улицу.
Конструкция двухметровой высоты с основанием 1м*1м может достигать тепловой мощности в 3,5–4,5 кВт. Достаточно такой колпаковой печи для отопления дома в 50 квадратных метров в умеренной климатической зоне, если топить ее дважды в сутки.
Изобретатель усовершенствовал конструкцию, добавив еще один колпак. В двухколпаковой отопительной печи Кузнецова первый накрывающий элемент связан с топочным отсеком и разделяет холодный и нагретый потоки. Второй колпак располагается в верхней печной части, задерживая горячий воздух, который до того как попасть в дымоход, долго отдает кирпичам тепло.
Двухколпаковая печь экономнее расходует топливо и обычно снабжена варочной поверхностью. Это позволяет готовить вкусные блюда без расхода электричества или газа. В конструкции печки уже предусмотрена вытяжка – нет необходимости монтировать дополнительную вентиляционную систему.
Еще о кругленьких
Круглые печи теоретически вообще имеют массу преимуществ, только в доме не очень-то удобны. Однако немал спрос и на компактные передвижные печи, и вот тут предельно высокий КПД круглых многоколпаковок может оказаться решающим фактором, ведь при уменьшении размеров печи ее КПД резко падает из-за закона квадрата-куба.
Такие печи, разумеется, пришлось бы делать из металла. Это решает проблему чистки, печку можно выполнить разборной. Но выбор металлов, подходящих по соотношению теплоемкости и теплопроводности, крайне ограничен. Из недорогих – только чугун, но он тяжел и хрупок.
Однако есть металлический материал полегче и попрочнее с подобными свойствами. Это – продукция порошковой металлургии. Применительно к ножам-ножницам «порошковая дрянь» вполне оправдано, но для печи, в которой ничего не работает на сдвиг, порошковые детали могут оказаться находкой.
Вторая проблема, о которой уже говорилось – жаростойкая футеровка на своде первого колпака. Если удастся решить и ее, то, возможно, труды и старания Игоря Викторовича Кузнецова дадут плоды более обширные и весомые, чем сейчас кажется.
Третье шаг вправо, шаг влево
Высокие нагрузки на материал в печах Кузнецова требуют не просто тщательной разработки конструкции, но и соблюдения при этом некоторых основополагающих уже конструкторских принципов. Главный из них – плавающая топка из шамотного кирпича марки ШБ-8 или Ш-5. Тело печи выкладывается из керамического кирпича марки не ниже М150.
Что значит плавающая топка? Во-первых, вокруг нее целиком, или в точно рассчитанных автором местах, должен быть сухой шов. Сделать его не так-то просто: по выкладке последнего ряда шамота (если иное не оговорено в спецификации на печь) глиняный раствор из швов между шамотным и обычным кирпичом выковыривается, а вместо него вставляются прокладки из минерального картона – базальтового, каолинового и т.п.
Несвязанные и связанные строительные модули
Во-вторых, нужно неукоснительно соблюдать принцип несвязности модулей. Что это такое, показывает рис. Никакие выступы шамота не должны входить в пазы обычного кирпича, и наоборот, даже с демпфирующими швами. ТКР и теплоемкость шамота существенно отличаются от «кирпичных», и топка, связанная с телом печи, порвет кладку при растопке. Топка «кузнецовки» должна представлять собой компактный модуль, установленный в гнездо из обычного кирпича. Как при этом устроить ее выход в дымоход, автор подробно объясняет на сайте.
Также неукоснительно нужно следовать его рекомендациям касательно выбора и подготовки материалов. «Кузнецовки» хоть и кирпичные, но высокотехнологичные, и терпят замену на эрзацы и небрежность не более, чем ракета или подлодка – замену титана и композитов жестянкой. Последствия, правда, не будут столь катастрофическими, но и видеть их придется дома, а не вычитывать в новостях. И платить из своего кармана.
В целом по технологии: печь Кузнецова может соорудить старательный, внимательный и аккуратный новичок. Но действительно опытный печник, с полупьяна, но бездумно выкладывающий действительно очень хорошую плиту или голландку, на печи Кузнецова обязательно осечется.
Второе тепловая нагрузка
На голых принципах ничего не работает. Чтобы теоретически абсолютно правильная печка хорошо грела, сушила и варила, ее нужно также правильно выполнить в материале. Применительно к колпаковым печам (и особенно – к двухколпаковым) это значит, что тепловая нагрузка на материал должна быть высокой. Сделать колпаковую печь массивной, с толстыми стенками – все равно, что жечь костер в пещере. Чтобы почувствовать тепло, нужно сесть у самого огня, а уж копоти будет…
Взгляните на рис. На нем – чертежи и порядовки некоторых печей Кузнецова: банной. отопительно-варочной. двухконтурного водогрейного котла и усовершенствованной русской с лежанкой. Не будучи опытным печником, видно, что материала на единицу выделяемой мощности (500 Вт*кв. м наружной поверхности) в печи Кузнецова идет в полтора-два раза меньше, чем в традиционных. Вообще, любая колпаковая печь «пустее» внутри равной по мощности канальной.
Порядовки некоторых печей Кузнецова
С одной стороны, это хорошо, кирпич-то с кладочным раствором денег стоят. Но с другой – требует тщательнейшей разработки и соблюдения технологии постройки (см. ниже). Тепловая нагрузка, от которой не шелохнется груда булыжника, тонкую кирпичную стенку разрушит уже при разгонной топке.
Для печей Кузнецова важна и строительная механика. Прочность стенки на глиняном растворе при уменьшении ее толщины падает гораздо быстрее, чем на цементно-песчаном. Поэтому фундамент под эти печи нужно выполнять особенно тщательно в точном соответствии с рекомендациями автора. Им же необходимо неукоснительно следовать при постройке.
Примечание: И. В. Кузнецов позволяет свободно копировать свои материалы для себя, для постройки, но возражает против переизданий. Однако картинки на рис. маленькие. Дилетант по ним ничего не соорудит, а мастер знает, где можно взять полноценные чертежи. Поэтому надеемся, что Игорь Викторович простит нам это небольшое заимствование ради пользы дела.
Двухколпаковые печи Кузнецова порядовка и ее особенности
Принцип постройки печей, в которых возможно реализовать закон свободного хода газов, известен относительно давно. Самый распространенный и известный вариант – двухкоплавкая печь.
Принцип ее работы заключается в том, что воздух из окружающей среды поступает через поддувало в топку. На первой стадии горения, когда сгорают самые легкие фракции топлива, процесс чем-то напоминает пиролиз. Этот режим и является наиболее эффективным. Но до Кузнецова мало кто пользовался этими преимуществами. А вот порядовки имеют такую конструкцию, которая позволяет работать им в пиролизном режиме. В результате пиролизные газы горят под куполом третьего колпака. Интересным является сам процесс. Его особенности — в том, что горение является саморегулируемым. Если пламя слишком разошлось, то ухудшается тяга, и процесс горения замедляется, если жара недостаточно — тяга увеличивается, и процесс горения усиливается. Двухколпаковые печи Кузнецова (порядовка) имеют второй купол для того, чтобы не нарушался процесс горения. Температура во втором колпаке при КПД примерно в 80% достигает 300-400 градусов, а этого вполне достаточно для передачи тепла теплоносителю.
Основные этапы обустройства кирпичной печи по порядовке своими руками
При использовании порядовки для отопительно-варочных печей необходимо выполнить ряд ключевых этапов. Всем им присущи свои нюансы проведения и уникальные характеристики, зная которые можно обеспечить высокий уровень качества и свести к минимуму затраты по обустройству печи своими руками.
Далее будет рассмотрен пример устройства печи на основе порядовки «шведка».
Технология работ
В конструкции подобной отопительной установки. имеющей уже порядовку, предусмотрено поддувало. Об этом особенно необходимо помнить, приступая к работам по обустройству печи своими руками
В то же время важно учесть особенности укладки 1-го ряда кирпича
Дело в том, что здесь необходимо обеспечить соответствие с уровнем и контроль углов, используя для этой цели строительный угольник;
Вместе с тем необходимо обращать внимание на все характеристики первого ряда. Дело в том, что это в значительной степени оказывает влияние не только на срок службы и надежность отопительной установки, но и на эффективность ее работы;
Технология использования порядовки предусматривает по завершении укладки первого печного ряда выполнение монтажа двери и поддувало, вслед за чем приступают уже к укладке 2-го ряда;
При возведении 3-го ряда варочной печи необходимо придерживаться в точности указаний порядовки
Для создания поддувала следует стесать кирпич с каждой из сторон
Причем здесь необходимо учесть, что устраиваемый ряд должен иметь ту же высоту, что и дверца;
Для укладки 4-го ряда печной кладки выбирают место с левой стороны. Эту работу начинают с установки двери, обеспечивающей удаление золы. Это не позволит обеспечить нормальную работу аппарата. Что же касается непосредственно кладки, то при ее выполнении придерживаются аналогичного порядка, что и в самой схеме. Причем обязательно необходимо позаботиться о перекрытии дверцы поддувала. Над зольником необходимо изготовить отверстие в виде квадрата. Реализуется этот замысел при помощи укладки кирпича специальным образом;
Начиная укладывать 5-й ряд, необходимо следить за тем. чтобы отверстие зольника начало сужаться. По своему виду этот ряд аналогичен 4-му. Поэтому и технология его укладки будет такой же;
Приступая к устройству 6-го ряда в качестве материала необходимо применять специальный кирпич, обладающий огнеупорными свойствами. Чаще всего схема, разработанная квалифицированными печниками, содержит пометку об этом в виде штриховки. Подобная подсказка позволяет упростить процесс кладки и избежать возможных сложностей при выполнении этих работ;
Кирпич, который будет укладываться перед колосниковой решеткой, должен быть сколот. Подробное решение положительно сказывается на эффективности и качестве размещения топлива на решетке во время пользования печью. В то же время поддержку решетки будет обеспечивать непосредственно 5-й ряд печной кладки;
Кирпичи 6-го ряда и решетка колосника должны создавать между собой достаточное пространство шириной 10–15 см, куда необходимо поместить песок или золу, а наличие подобного зазора необходимо для создания эффекта расширения металла решетки при пользовании отопительным прибором;
После создания на прошлых этапах П-образного канала его необходимо перекрыть. Причем это делается с тем расчетом, чтобы в результате возникла три новых. Этот этап предусматривает установку дверцы топочной печи, поддержку для которой обеспечит непосредственно 6-й ряд кладки печи;
Процесс укладки 8-го и 9-го рядов кладки печи «шведка» выполняется по той же схеме, что и в случае с 7-м. При этом необходимо помнить о том, что он должен иметь ту же высоту размещения, что и дверца топочной камеры. Здесь в обязательном порядке выполняется обработка кирпичей, при помощи которых перекрывается доступ к перегородке топочной камеры и левому каналу: их обтесывают обеих сторон, благодаря чему обеспечивается эффективность и плавный переход продуктов сгорания из топки в канал;
Для создания 10-го ряда печи используют огнеупорные кирпичи. Технология укладки предусматривает обеспечения вертикальности размещения, что должно дополняться регулярной проверкой, осуществляемой посредством строительного уровня. Необходимость этого обусловлена тем, что для подобных печей при порядовке на эти кирпичи должен размещаться специальный варочный настил;
Далее, можно приступать к приклеиванию топочной дверцы. в результате заключительный ряд будет иметь два канала, отличающихся наличием идеально квадратного сечения.
Кладём колпаковую печь
В двухколпаковых печах тепловая нагрузка на материалы предельно высокая. Поэтому легко совершить ошибку и выполнить подобную конструкцию с массивными стенами. Огонь в ней гореть будет, а вот вместо ожидаемого тепла получите дым и копоть.
Анализ порядовок печей Кузнецова различного назначения, в основу которых положен 2-ухколпактовый вариант, (отопительно-варочных, для бани, с установкой водогрейного котла двухконтурного и т.д.), позволяет выявить весьма характерную особенность. На единицу Nвыд, равную 500 Вт/м² внешней поверхности материала расходуется меньше почти в 1,5 раза, чем в изделиях традиционных конструкций.
Это имеет как плюс (удешевление конструкции из-за необходимости меньшего количества кирпичей и раствора для кладки), так и минус. Такие изделия предъявляют высокие требования к разработке и неукоснительного соблюдения всех технологических нюансов ведения кладки. Так как фактическая тепловая нагрузка, безопасная для толстостенной печи, способна разрушить стенку тонкую уже на стадии разгонной топки.
Строительная механика тоже должна быть близка и понятна печнику, решившему выложить колпаковую печь своими руками. Простейшее подтверждение данному тезису – прочностные характеристики стенки, выложенной с использованием глиняного раствора, если уменьшается её толщина, падают значительно быстрее, чем у цементной кладки. Это предъявляет повышенные требования к фундаменту подобной печи. Печник обязан неукоснительно следовать рекомендациям автора порядовки, с которой он работает. Причём, не только при обустройстве фундамента, но далее, на всех остальных этапах кладки печи.
Их первоосновой является плавающая топка. Выкладывается она из огнеупорного кирпича (шамотного). Наиболее востребованными марками являются Ш-5, а также ШБ-8. Остальное тело печи кладётся из кирпича рядового керамического, марок от М150 и выше.
Напомним, плавающей, она называется потому, что:
Вокруг топливника со всех сторон, либо в строго установленных порядовками местах, формируется сухой шов.
Техника его выполнения следующая. После завершения кладки последнего ряда шамотного кирпича, производится удаление кладочного раствора изо всех швов между ним и керамическим кирпичом. В образующиеся пустоты вставляются специальные прокладки, которые готовятся из различных типов минерального картона. Чаще всего используются каолиновый и базальтовый. Возможно использование иных технологий, которые обязательно оговариваются в спецификации, имеющейся на конкретную печь.
Несвязность модулей. Этот принцип подлежит неукоснительному соблюдению. Шамотный кирпич в любых вариантах не должен вставляться в пазы между керамическим кирпичом (обратное утверждение также справедливо), даже если имеются демпфирующие швы.
Теплоёмкость шамотного кирпича и его ТКР значительно отличаются от тех, которые имеет рядовой керамический кирпич. Поэтому топка, при наличии связи с основным телом печи, просто порвёт кладку уже на стадии растопки.
Именно поэтому требуется выполнять топливник для подобных печей в качестве достаточно компактного модуля, вставленного в гнездо, подготовленное из кирпича керамического. При этом существует ряд технических нюансов обеспечения отведения газов через дымоход.
Весьма важно использовать в работе только материал, поименованный в спецификации к печи, а также указанный в порядовке. Конструкции подобных печей просчитаны и высокотехнологичны
Поэтому замена весьма негативно сказывается на работоспособности готового изделия. В лучшем случае, печь придётся ремонтировать. В худшем, разбирать полностью и выкладывать по-новому.
Достоинства и недостатки
Принцип движения горячего воздуха в колпаковой печи
У кузнецовских конструкций много достоинств. Одним из них является повышенный КПД – 93 процента. Для сравнения – в русских печах он около 80. При этом у «кузнецовок» равномерная теплоотдача, меньше колебания температуры.
Другие плюсы конструкции:
- Сажи не остается, в связи с чем печку и дымовой канал можно не очищать несколько лет, что значительно упрощает уход.
- Устройство можно возвести в любом месте – в угловой зоне, в середине помещения, близ стенки. Зачастую двухколпаковая печь обогревает несколько этажей дома на одной закладке.
- Печной дымоход возможно укоротить для экономии кирпича.
- «Кузнецовка» без проблем совмещается с плитой, камином, лежанкой, отличаясь многообразием модификаций.
- К печке несложно подсоединить водяной контур и пустить по трубам нагретую воду для купания или отопления.
- Благодаря повышенному уровню пиролиза экономится топливо, которое может быть любым.
- Кладка прослужит дольше, меньше опасность возникновения трещин.
- При недолго открытой задвижке практически невозможно выстудить печку, ведь колпак всегда наполнен теплым воздухом, а холодный прижимается книзу.
Основа основ
Большинство преимуществ печей Кузнецова дает принцип свободного прохода газов. Поясним опять на примере.
Представим себе печь со сложной системой дымовых ходов: утермарковку, четырех-пяти оборотную голландку. В этом тесном лабиринте неизбежно будут возникать сильные завихрения. Слыхали, как печь гудит? Это лишь незначительное проявление бушующей в ней вихревой энергии. А взяться ей неоткуда, кроме как из закладки топлива. Если каналы достаточно длинные и узкие, то на первый взгляд ничего тут страшного нет: вихри, пока доберутся до трубы, рассеются, остывая, и все равно отдадут свою энергию телу печи, а оно – в помещение. Но на деле проявляются нюансы, о которых будет сказано далее в тексте. Из-за них КПД канальной печи свыше 60% – исключительная редкость.
В канальной печи, пока она топится, мечется огромный поток энергии, и на отопление или подогрев воды можно, не нарушая ее работы, взять лишь небольшую ее часть. Такая печь в чем-то похожа на ядерный реактор. Не пугайтесь, только по синергетике, т.е. по путям циркуляции энергии в ней. В ядерный реактор приходится закладывать топлива в десятки раз больше, чем необходимо для обеспечения проектного энерговыхода. Иначе нейтроны просто вылетят наружу, не успев встретить готовые их принять атомы урана. В канальной печи – горячие вихри, не успев остыть, вылетят в трубу или, наоборот, остынут сразу, дав дым и сажу.
А вот кузнецовки (о подробностях ниже) по синергетике уже ближе к термоядерным реакторам будущего. «Термояд» звучит страшновато, но это только по ассоциации с водородной бомбой. На самом деле теромядерные реакторы вполне безопасны.
Почему? Потому, что в них вырабатывается энергии ровно столько, сколько должно уйти потребителю, а технологический запас по мощности для разреженной плазмы нужен мизерный. Если вдруг камера токамака или стелларатора внезапно полностью разрушится, плазма полностью высветится (тяжелых-то атомов в ней нет) и остынет, прежде чем дойдет до стен помещения. Ремонтники выругаются – то ли дело в дежурке лясы точить – но уже через 5 мин. смогут притупить к ликвидации без защитных средств.
Так что же общего у печей Кузнецова с термоядерными реакторами? То, что энергия дымовых газов благодаря принципу свободного прохода не прокручивается много раз в потоке, пока не протолкнется в тело печи, а пропитывает его сразу же. И деться ей оттуда теперь некуда, кроме как в помещение и/или водогрейный регистр.
Загрузка...
