Динамика движения дымовых газов

Знакомство с процессами горения топлива

Горение — это химический процесс соединения кислорода с горючими элементами топлива, в процессе которого выделяется тепло. Если этот химический процесс происходит со свечением (образуется пламя) — это свидетельствует о быстром горении. Если же этот процесс происходит без свечения — это свидетельствует о медленном горении.

Процесс быстрого горения может происходить при избытке кислорода. Чем больше кислорода поступает в зону горения, тем выше температура горения, тем лучше проходит химический процесс соединения кислорода с горючими частицами топлива.

При медленном горении топлива в зону горения поступает недостаточное количество кислорода и большая часть горючих элементов топлива не сгорает, а разлагается на отдельные вещества. В большинстве случаев выделяется угарный газ СО, метан и другие горючие газы и твердые вещества в виде сажи и золы. Горючие газы при медленном горении уносятся в атмосферу, тем самым загрязняя ее; твердые вещества частично могут уноситься в атмосферу вместе с газами, а частично оседать в зоне горения и в каналах, по которым выходят газы, тем самым выделяя меньшее количество теплоты. При горении химические процессы происходят в соответствии со строгими закономерностями, поэтому можно рассчитать количество кислорода, необходимого для горения.

Идеальное горение — когда сгорают все элементы топлива, поддающиеся горению, если в зону горения поступает достаточное количество кислорода, необходимого для горения. При этом высвобождается вся тепловая энергия топлива.

Теоретически рассчитано количество кислорода вместе с составляющими элементами воздуха, не участвующими в горении.

Показатели расхода воздуха в перерасчете на 1 кг топлива следующие в м³:

• дерево — 4,2;
• торф — 4,1;
• древесный уголь — 5,7;
• каменный уголь — 6,3.

На практике же в зону горения необходимо направлять большее количество воздуха, чем это рассчитано теоретически. Это количество называется избытком воздуха.

Коэффициент избытка воздуха — это относительная цифра, которая показывает во сколько раз введенный в зону горения воздух превышает теоретически необходимый. Чем выше коэффициент избытка воздуха, тем более вероятно получение идеального горения, но при этом большое количество теплоты уходит с дымовыми газами и снижается температура горения топлива.

Следующим основным условием горения является высокая температура. Топливо сгорает, соединяясь с кислородом лишь в том случае, если оно разогревается до соответствующей температуры.

Температура возгорания — такая температура, при которой начинается химический процесс — горение. Для идеального горения температура в зоне горения должна быть значительна выше температуры возгорания.

Таблица 8

При расчетах самый высокий уровень температуры возгорания считается нижним показателем теплоты горения.

Теплота горения — это выраженное в ваттах количество теплоты, которое образуется при идеальном сгорании материала массой 1 кг.

Часть количества теплоты, высвобождающегося при горении, улетучивается вместе с дымовыми газами, другая часть не высвобождается из несгоревших частиц топлива, еще одна часть теряется при удалении попутных продуктов горения — золы и шлака. Таким образом, потери могут составлять 40-80% фактически выделившегося количества теплоты. Дальнейшие потери могут быть связаны с несовершенными конструкциями топливников очагов, дымовых каналов, неправильной подачей воздуха, необходимого для горения. Производительность очагов, их эффективность измеряется в процентах и называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Эффективность работы каминов снижается за счет переизбытка подачи воздуха, необходимого для горения, и большая часть теплоты до 90% уносится в атмосферу. Так как у каминов открытый топливник и отсутствуют дымовые каналы, посредством которых можно задерживать (воспринимать) теплоту и отдавать ее помещению.

Для эффективности работы каминов их оборудуют закрывающимися стеклянными дверками и регулируемой подачей воздуха в зону горения.

Эффективность работы каминов следующая:

• камины с открытой с четырех сторон топкой — 8-15%;
• с трех сторон — 10-15%;
• с двух сторон — 15-20%;
• с одной стороны — 15-30%.

Если камины оснащаются аккумуляторами тепла, либо конвекционной системой передачи тепла помещению, эффективность увеличивается до 5-10%:

• камины с закрытой топкой, упрощенной конструкции — 30-50%;
• со встроенными аккумуляторами тепла — 50-60%;
• с калориферной вставкой — 60-70%;
• с топкой, обеспечивающей процесс вторичного горения — 70-85%.

Для повышения эффективности печей должна быть совершенная конвективная система дымовых каналов и развитая тепловоспринимающая поверхность, утилизирующая как можно большее количество теплоты из дымовых газов. К тому же должна быть и совершенная конструкция топливника, обеспечивающего максимальную температуру горения, достаточное количество кислорода для горения топлива и его летучих компонентов, образующихся при горении. Наибольшая эффективность очагов достигается за счет вторичного горения или иначе называемого процесса полного горения.

Горение древесины и некоторых других видов топлива отличается тем, что сначала при их нагревании происходит сухая возгонка. В газообразное состояние переходит 85-90% массы и только 10-15% сгорает в виде твердого вещества на поду. В любом топливе содержатся два основных горючих элемента — углерод и водород. Топливо с большим содержанием углеводородов — дрова, торф, бурый уголь, некоторые сорта каменных углей горят преимущественно в виде пламени над слоем топлива, их называют длиннопламенными.

Топливник для них должен иметь высокий свод или большую длину. В низком и коротком топливнике летучие компоненты не успевают сгорать полностью и с дымовыми газами уносятся в дымовые каналы, а затем в трубу.

В каминах летучие компоненты топлива уносятся напрямую в дымовую трубу. Там процесс горения прекращается из-за недостатка кислорода и низкой температуры. Происходит неполное сгорание топлива. При не полном сгорании тепла выделяется в 3,5 раза меньше, чем при полном.

Полное сгорание достигается путем подачи дополнительных порций воздуха в топливник над слоем топлива в его верхней части. Дополнительные порции кислорода обеспечивают сгорание горючих газов, выделяющихся при горении, разложении топлива на его составляющие компоненты — твердого вещества и газы. В топливнике при полном сгорании топлива развивается максимальная температура. Часть тепла поглощается стенками топливника, часть уходит на образование тяги и сам процесс горения, остальное тепло должно быть поглощено (утилизировано) тепловоспринимающими поверхностями внутри печи и аккумулировано в массиве печи для обогрева помещения.

В каминах стальных и чугунных тепло поглощается стенками топливника и дымовой трубой. И за счет того, что у металла очень высокий коэффициент теплопроводности и теплопередачи, происходит мгновенная теплопередача тепла помещению. Эффективность теплопередачи усиливается за счет увеличения площади теплоотдающей поверхности топливников, предусмотренной самой конструкцией металлического топливника камина. Значительно увеличивает эффект теплопередачи и конвекция воздуха, предусмотренная конструкцией металлических каминов.

В процессе горения выделяются газы, которые загрязняют атмосферу. Самый опасный из них — окись углерода СО — угарный газ. Однако при полном сгорании топлива повышается его эффективность, а содержание СО снижается до минимума. Поэтому для обеспечения оптимального эффекта необходимо, чтобы по мимо первичного возникало и вторичное горение, благодаря которому еще поддающиеся сжиганию газы, содержащие СО, снова воспламенялись. Таким образом, в результате догорания получается чистое пламя, более высокая температура, чище будут и выбрасываемые в атмосферу вещества.

Вторичное горение обеспечивается за счет поступления в топливник кислорода сверху над горящим топливом. В результате происходит возгорание газов, выделяющихся при горении.

При полном сгорании топлива выделяется столько же углекислого газа С02, сколько поглощают растения в процессе обмена веществ, т. е. столько же, сколько они превращают в кислород на протяжении одного жизненного цикла.

В процессе горения топлива, содержащего фосфат (газ, уголь, газойль), выделяется большое количество угарного газа, что повышает парниковый эффект в атмосфере.

Использование древесины в качестве топлива гораздо предпочтительнее с точки зрения охраны окружающей среды.

Хорошее горение выражается по формуле С + О2 = СО2. В результате этого процесса образуется тепло и углекислый газ, который снова поглощают растения, а затем в процессе фотосинтеза преобразуют его в углерод и необходимый остальным живым существам кислород — О2.

Динамика движения дымовых газов. Создание тяги в очагах. Эффективность передачи тепла стенкам тепловоспринимающих поверхностей очагов.

Любые газы при нагревании становятся легче и стремятся всегда подняться вверх. Это происходит из-за того, что в горячих газах увеличивается движение молекул и тем самым увеличивается объем газов. Значит, объемный вес газов уменьшается. Горячие газы вытесняются вверх более холодным и, следовательно, более тяжелым воздухом и тем самым создается движение дымовых газов по каналам печи и дымовой трубе (дымоходу). Процесс постоянно повторяется. Холодный воздух одновременно поддерживает горение, в процессе которого газы, воздух и дымовые газы нагреваются.
Процесс создания тяги — это два сообщающихся сосуда — один ограничен стенками дымового канала и заполнен горячими дымовыми газами, второй — столб наружного воздуха такой же высоты. Вес массы воздуха выше дымовой трубы создает одинаковое давление на оба рассматриваемых столба, поэтому его можно не принимать во внимание.

Условно допустим, что столб наружного воздуха и дымовых газов удерживаются в равновесии перегородкой А (см. рис. 86) сечением 0,1 м2, а высота дымовой трубы — 5 м. Объем столба наружного воздуха высотой 5 м с площадью основания 0,1 м2 составит 0,5 м3. При температуре 0 °С такой столб будет весить 1,293×0,5 = 0,6465 кг. Это значит, что наружный воздух давит на перегородку А с силой 0,6465 кг. Давление на перегородку А со стороны дымовых газов при температуре 150 °C будет: 1,086×0,5 = 0,5430 кг. Следовательно, перегородка А будет испытывать давление со стороны холодного воздуха равное разности веса столбов холодного воздуха и дымовых газов равное 0,6465 — 0,5430 = 0,1035 кг. Это и будет та сила, которая заставляет холодный воздух поступать в топливник, а горячие дымовые газы поднимать вверх по трубе. Сила тяги тем больше, чем больше разность температур наружного воздуха и дымовых газов в трубе и чем выше дымовая труба.

Сила тяги зависит от формы поперечного сечения, состояния внутренних стенок, материала дымовых каналов, силы и направления ветра. Что-бы повысить силу тяги, надо повысить температуру выходящих дымовых газов или увеличить высоту дымовой трубы. Повышение температуры уходящих дымовых газов невыгодно, так как они унесут много тепла. Увеличение высоты дымовой трубы возможно до определенных пределов. Существуют конвективные системы печей, в которых предусмотрено автоматическое регулирование температуры отходящих газов посредством не больших эжжекционных отверстий в каналах, колпаках и самой топке.

Пределы регулируемых автоматически температур устанавливаются при проектировании печи и выдерживаются в пределах 110-120 °С. Специальные отверстия в дымовых каналах и их количество позволяют регулировать температуру отходящих газов в экономичных пределах. При более низких температурах в дымовых каналах может выпадать конденсат, так как в горячих дымовых газах всегда содержатся водяные пары, которые при температуре ниже 97 °С конденсируются и оседают на стенках дымовых каналов.

Экономичные способы передачи тепла дымовыми газами стенкам печи

Передача тепла от дымовых газов стенкам дымовых каналов происходит за счет трения, возникающего при движении газа. Под воздействием тяги , в результате трения дымовых газов о стенки внутренних поверхностей печи, — снижается скорость движения молекул газа и высвобожденная энергия (теплота) переходит стенкам каналов. Передача теплоты происходит и за счет снижения скорости движения дымовых газов по каналам печи –увеличивается время контакта дымовых газов с тепловоспринимающей поверхностью. Также тепло передаётся и за счёт ИК излучения от молекул газа.

Скорость движения дымовых газов зависит от площади сечения дымовых каналов и количества (объёма) дымовых газов проходящих по каналам печи за единицу времени. При малой площади сечения скорость увеличивается. При большей площади сечения скорость снижается и дымовые газы отдают больше тепла, теряя при этом свою температуру. Так-же скорость газов зависит от тяги в трубе и уменьшения сопротивления в каналах(трение) и самой температуры газов.Эффективность теплопередачи зависит также и от видов конвективных систем печей.
В конвективных системах с горизонтальным расположением дымовых каналах тепло поглощается намного эффективнее и быстрее, так как газы с наибольшей температурой легче и находятся всегда выше, тем самым эффективнее отдают тепло верхней стенке дымового канала.
Разработаны конвективные системы печей, позволяющие по максимуму воспринять тепло дымовых газов и при этом поддерживать заданную температуру отходящих газов.

Конвективные системы печей

Конвективные системы в печах — это система дымовых каналов внутри массива печи, которые соединяют топливник с дымовой трубой. Они служат для отвода из топки дымовых газов, и одновременно в них происходит передача тепла стенкам печи.

Дымовые каналы бывают короткими у камина, и длинными — у печей. Они подразделяются на вертикальные, горизонтальные и смешанные, подъемные и опускные. Внутренняя поверхность должна быть выполнена с минимальными шероховатостями для уменьшения сопротивления движению дымовых газов по каналам печи.

Виды конвективных систем печей: канальные, бесканальные, смешанные, а также малооборотные и многооборотные. К канальной конвективной системе относятся мало- и многооборотные системы дымовых каналов. К бесканальной — система камер, разделенных перегородками.

Каждая конвективная система имеет свои недостатки и преимущества. Наибольшее количество недостатков имеют многооборотные системы с вертикальным и горизонтальным расположением дымовых каналов большой протяжённости (длины) внутри печей. Остальные системы широко распространены в практике строительства печей, но также имеют ряд недостатков.
Наиболее экономична и удобна следующая конвективная система, это смешанная с горизонтальными дымовыми каналами и вертикальными колпаками над ними.

Однооборотная система дымовых каналов

Дымовые газы из топливника выходят через хайло (прогар) и поднимаются в первый восходящий вертикальный канал, переходят через перевал в опускной канал, а из опускного канала через подвёртку попадают в третий — подъемный канал и затем в дымовую трубу. Печи с такой конвективной системой имеют малую тепловоспринимающую поверхность и, следовательно, дымовые газы заметно меньше отдают тепла стенкам печи, что значительно снижает ее КПД. К тому же в первом восходящем канале чрезмерно высокая температура отходящих дымовых газов, что приводит к неравномерному разогреву массива печи и растрескиванию кладки печи. При такой конвективной системе температура дымовых газов на выходе из трубы — свыше 200 °С.

Бесканальная конвективная система — колпаковая

Дымовые газы из топливника выходят через хайло, переходят в колпак, поднимаются до верха колпака, остывают, отдают тепло верхней части колпака и его боковым стенкам, остывая, опускаются вниз и уходят в дымовую трубу в нижней части колпака. Недостатком такой системы является сильный перегрев верхней части колпаков. При плохо организованном сгорании топлива в топливнике – возможно чрезмерное отложение сажи на стенках колпака и в его верхней части. Что иногда приводит к резкому возгоранию сажи в колпаке и взрыву газов в нём. В результате печь выйдет из строя.

Однооборотная конвективная система с тремя опускными каналами

Дымовые газы из топливника попадают в первый восходящий канал, затем опускаются по трем опускным каналам, переходят в подъемный канал и затеи выходят в дымовую трубу. Недостатком такой системы является сильный перегрев первого восходящего дымового канала и нарушается правило равномерности площадей сечения всех каналов. Три опускных канала имеют в сумме площадь сечения в три раза превышающую площадь сечения в подъемных каналах и подвертках, что зачастую снижает тягу в печи, и значительный недостаток — печь плохо растапливается после длительных перерывов в работе.

Бесканальная конвективная система с двумя колпаками

Дымовые газы из топливника поступают вначале в первый колпак, поднимаются вверх до перекрыши, затем опускаются и попадают во второй колпак. Во втором колпаке также поднимаются вверх до перекрыши, опускаются и затем через канал в нижней части печи уходят в дымовую трубу. Такая система эффективнее и экономичней одноколпаковой бесканальной, так как большая часть тепла отдается стенкам печи и заметно снижается температура отходящих газов, но также перегревается верхняя часть и откладывается большое количество сажи на внутренних стенках печи.

Бесканальная конвективная система — колпаковая с контрфорсами на внутренних поверхностях печи:

Дымовые газы поступают из топливника в колпак, поднимаются вверх до перекрыши печи, отдают часть тепла перекрыше, контрфорсам и боковым стенкам печи.
Недостатком такой конвективной системы является то, что на внутренних поверхностях осаждается чрезмерное количество сажи, особенно на контрфорсах, что может привести к возгоранию сажи и разрушению печи.

Смешанная конвективная система с горизонтальными

и вертикальными дымовыми каналами. :

Дымовые газы поступают из топливника сначала в горизонтальные дымовые каналы, далее идут по вертикальным подъемным и опускным каналам, а затем в дымовую трубу.
Недостатком такой системы является сильное переохлаждение дымовых газов, вследствие чего ослабевает тяга в печи и на стенках каналов возможно чрезмерное отложение сажи и выпадение конденсата, что приводит к быстрому выходу из строя печи, к ее разрушению.

Многооборотная конвективная система с горизонтальными дымовыми каналами:

Здесь дымовые газы из топливника попадают сначала в горизонтальные каналы, проходят по ним, отдавая большое количество теплоты внутренним поверхностям печи, затем уходят в дымовую трубу.
В такой системе дымовые газы сильно переохлаждаются, ослабевает тяга особенно в начальный период растопки печи — печь дымит, откладывается большое количество сажи на стенках дымовых каналов, возможно выпадение конденсата.

Многооборотная конвективная система с вертикальными дымовыми каналами:

Дымовые газы из топливника попадают в вертикальные подъемные и опускные каналы, проходят по ним, отдавая большую часть тепла внутренним тепловоспринимающим поверхностям печи, затем уходят в дымовую трубу.

В такой системе дымовые газы сильно переохлаждаются, ослабевает тяга в печи, особенно в начальный период растопки печи — печь дымит, откладывается большое количество сажи на стенках дымовых каналов, возможно выпадение конденсата. Первый восходящий (подъемный) канал сильно перегревается, что приводит к неравномерному нагреванию наружных поверхностей печи и растрескиванию кирпичной кладки печи.

Принцип работы конвективной системы со смешанным движением дымовых газов

Принудительное движение дымовых газов под воздействием тяги. Свободное движение дымовых газов:

В процессе горения топлива образуется тяга в печи, и под ее воздействием дымовые газы принудительно проходят по всем горизонтальным и вертикальным дымовым каналам, отдают тепло внутренним тепловоспринимающим поверхностям печи и затем уходят в дымовую трубу. Над горизонтальными каналами расположены колпаки (вертикальные замкнутые каналы), в которые поднимается часть дымовых газов до перекрытий колпаков, теряют частично свою температуру, остывают, становятся тяжелее и уходят обратно в горизонтальные каналы. Процесс повторяется в каждом колпаке. Таким способом дымовые газы отдают максимальное количество теплоты стенкам каналов печи, значительно повышая КПД печи до 88%. И так как в этой конструкции развитая тепловоспринимающая внутренняя поверхность — дымовые газы сильно переохлаждаются, значительно ослабевает тяга в печи. Теоретически такая печь вообще не могла бы работать. Для этого в конструкции печи предусмотрены подсосные (инжекционные) отверстия или система саморегуляции тяги и температуры отходящих газов. В горизонтальных каналах и из топливника делают прогары (отверстия,байпасы ,эжекционные отверстия) при кладке печи сечением 15-20 см2. Таким образом, когда падает тяга и температура отходящих газов, в подсосных каналах создается разрежение и тем самым через подсосные каналы затягиваются (засасываются) новые порции горячих газов из нижележащих дымовых каналов и из топливника, и поднимая таким образом температуру в выше расположенных каналах печи и тем самым происходит саморегуляция тяги. Когда температура, скорость дымовых газов в норме и нет резкого падения температуры газов — то и меньше количество газов поступает напрямую в выше лежащие каналы.

Опытные мастера – печники, увеличивая или уменьшая протяженность горизонтальных каналов, площадь сечения и количество подсосных каналов регулируют эффективность печи, достигая наилучших результатов качества печи, экономии топлива, повышая при этом КПД печи до 88%.

Печи с такой конвективной системой практически не имеют недостатков. Они равномерно прогреваются от самого пола до верха. Печи с такой конвективной системой желательно ставить только в домах с постоянным местомпроживания. Они долго выводятся на экономичный режим эксплуатации. Если в зимнее время топить такие печи регулярно –то и результат по среднестатистическому к.п.д за отопительный период будет выше.

При периодическом пользовании в печах со смешанной системой дымовых каналов может откладываться сажа. Также требуется значительное время для постепенного разогрева массива печи и создания комфортных условий в помещении. Быстрый, залповый нагрев печи приводит к её преждевременному разрушению.
Как усовершенствовать печи с многооборотными системами дымовых каналов:

Многооборотная конвективная система с горизонтальными дымовыми каналами

В каждом горизонтальном канале необходимо сделать подсосные каналы сечением 15-20 см2. Подсосные каналы устанавливаются через каждые 0,7 м длины канала. Печь будет работать намного эффективнее: хорошо растапливаться, поддерживаться постоянная температура отходящих газов, уменьшится отложение сажи.

Многооборотная система дымовых каналов с вертикальными каналами:
В разделительных стенках между вертикальными каналами необходимо сделать подсосные каналы с сечением 15-20 см2, позволяющих поддерживать тягу в печи и температуру отходящих газов.

Однооборотная система дымовых каналов:

Из топливника и из опускного канала необходимо сделать подсосные каналы сечением 15-20 см2. Эти каналы способствуют хорошей растопке печи после длительных перерывов в любое время года. Они также способствуют равномерному нагреванию массива печи, уменьшая тем самым перегрев первого восходящего канала.