Многоярусные печи

Конструирование многоярусных печей

В настоящее время, в России бурно развивается строительство индивидуальных жилых домов, в том числе многоэтажных. Во многих случаях, застройка не имеет централизованных коммуникаций, и отопление домов выполняют дровяными печами. Поэтому имеется потребность в отоплении таких многоэтажных домов теплоёмкими многоярусными печами, причём различного назначения на каждом ярусе (этаже).

Прежде чем создавать что-то новое, надо изучить опыт конструирования таких печей. В этом мне помогли материалы из монографии Миркиса С.М. " Указатель проектов печей и каминов, опубликованных в России за последние 100 лет", любезно представленные мне автором. Указатель готовится к печати в этом или следующем году.

В настоящее время для этих целей используется два типа многоярусных печей: с одним общим для всех ярусов топливником, рис. 76; с отдельным топочным устройством на каждом этаже.

Разработано много типовых проектов двухъярусных печей с топкой на каждом этаже. В основном, это отопительные или отопительно-варочные печи. Все они выполнены в соответствии с приведённой общей схемой рис.1:

Обозначения в схеме: 1-топливник, 2-подающий канал, 3-конвективная система печи (ярусы печи с дымооборотами), 4-дымовая труба. Конвективная система печи 3, может быть любой из показанных на рис. 45, а также иметь два яруса. Следует отметить, что печи каждого яруса, фактически самостоятельные печи со своей трубой, построенные одна над другой, а так же что труба нижнего яруса занимает часть объема верхней печи. При строительстве трехъярусной печи, этот объем может быть значительным.

Имеются разработки однотопочных конструкций многоярусных отопительных печей, Л.П. Триглера, В.Е. Грум-Гржимайло и И.С. Подгородникова, В.П. Протопопова, И.И. Ковалевского, Н.Ф. Волкова и других авторов. Все их конструктивные решения укладываются в схемы многоярусных систем печного отопления, приведенные в книге А.Е. Школьник, "Печное отопление малоэтажных зданий", Москва, "Высшая школа", 1991 год. Привожу схемы с их описанием.

Основные конструктивные элементы многоярусных печей с единым топливником (рис. 76): топливник 1, расположенный в подвале или на первом этаже здания; подающий канал 2; дымообороты ярусов 3 и дымовая труба 4. В некоторых случаях (г) дополнительно устраивают сборный канал 5, в который поступают газы, отходящие из каждого яруса. Системы подразделяются на одноканальные (а), двухканальные (б, в) и трёхканальные (г).

Двухъярусные печи с одним топливником, могут выполняться с двумя выходами дымовых газов из топливника, из которых дымовые газы направляются раздельно в печь каждого яруса (этажа). Для регулирования объёмов газовых потоков, поступающих в печи каждого яруса, над выходом второго яруса (хайлом), устанавливается регулировочный кирпич. Чертежи такой печи, конструкции В.Е. Грум-Гржимайло и И.С. Подгородникова, приводятся в этой же книге.

Какой должна быть печь? Какие требования предъявляются к печи?

Концепция хорошей печи изложена в статье "Основы конструирования печей". Вот она: Суть концепции хорошей печи следующая:получить из топлива максимальное количество тепла при его сжигании; полученную теплоту в максимальном объёме аккумулировать в очаге; конструкция очага должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать оптимальную теплоотдачу.

Печь должна обеспечивать решение многих вопросов, возникающих у архитектора, заказчика, при хороших эксплуатационных показателях. Например:

Тепловой контур каждого этажа может иметь различную площадь или объём, причём поэтажные планировки могут значительно отличаться друг от друга;
В каждом тепловом контуре, может требоваться различный температурно-влажностный режим;
В каждом контуре может требоваться различная по функциональному назначению печь, или печь с камином;
Должна быть возможность регулирования теплоотдачи печи (возможность регулировать температурный режим на каждом этаже);
Должна быть возможность оставить дом без присмотра (уехать на длительный срок), не промораживая его.

Существующие типовые печи не могут решить эти вопросы. Большинство печей каждого яруса из приведённых схем, имеют конвективную систему с принудительным движением газов или одноярусный колпак. Они имеют недостатки, описанные в моих статьях "Ещё раз о системе" и "Основы конструирования печей".

Следует отметить, что типовые проекты двухъярусных печей с раздельной топкой на каждом этаже ПТД-2800/2600, ПТД-3700/3000, ПТД-4400/3500, ПТД-5400/5000 относят к двухъярусным, бесканальным. Однако их нельзя отнести к системе "двухъярусный колпак". Они не обладают эффектом "газовой вьюшки", и не соответствуют основному признаку колпаковых печей, выраженной формулой (из моего патента), "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". Кроме того, это только отопительные печи.

У нас накоплен громадный опыт проектирования и строительства многоярусных печей с раздельной топкой на каждом этаже. Построены сотни 2-3-х этажных печей, работающих на одну трубу. Построено несколько 4-х этажных печей. Схема наших печей приведена на рис. 2. Обозначения: 5-камин, остальные те же, что и на рис. 1. Печи каждого этажа имеют схему "двухъярусный колпак" (исключение - печи без нижнего колпака). Конструктивно печи выполняются в двух вариантах: в виде единого массива, одна над другой; на железобетонных перекрытиях, с компоновкой вокруг вертикальной трубы. Сечение трубы увеличивается по мере подключения к ней печей выше расположенных ярус

Следует отметить, что в соответствии со СНиП 2.04.05-91*, п. 3.70 для каждой печи, как правило, следует предусматривать отдельную дымовую трубу. Это требование верно, так как в печах с любыми другими системами, 2-3-х этажные печи не смогут работать на одну трубу из за большого сопротивления выходящим газам.

Печи каждого этажа могут быть любого функционального назначения, размера и тепловой мощности, в том числе с камином (на железобетонных перекрытиях), могут работать на электричестве. Все печи могут работать вместе, или отдельно в любом сочетании. Надо выдерживать единственное правило: задвижки неработающих печей, должны быть закрыты. Обладают рядом уникальных свойств, которыми не обладают печи других систем.

Привожу эти свойства:

Колпак (печь) может иметь любую форму и объём;
Тепловая энергия переносится за счёт естественных сил природы;
Внутри колпака происходит турбулентное движение газов;
В верхней зоне колпака, собираются самые горячие газы;
В верхний колпак переливаются наиболее холодные, тяжелые газы;
Внутри колпака, с повышением температуры возникает избыточное (повышенное) давление;
Нагрев стенок колпака в каждом горизонтальном сечении одинаков и возрастает в каждом, выше лежащем сечении;
Источник тепловой энергии может размещаться в любом месте нижней зоны колпака, при этом характер нагрева сохраняется;
Может быть несколько источников тепла;
Размещение последовательных колпаков один над другим обеспечивает равномерный прогрев в каждом горизонтальном сечении системы, а так же, нижний колпак воспринимает больше энергии горячих газов, чем верхний;
При горизонтальном размещении последовательных колпаков прогрев в каждом горизонтальном сечении системы неравномерен, а также левый, первый колпак воспринимает больше энергии горячих газов, чем последующий;
Несвоевременное закрытие задвижки в печах с принудительным движением газов, ведёт к значительной потере тепла. В наших печах в этом случае, потери тепла не значительны (эффект газовой вьюшки);
При увеличении времени протапливания печи, не происходит снижения её КПД, так как избыток тепла будет воспринимать верхний колпак

Работа многоярусных печей с одним топливником, принципиально отличается от работы печей с топливником на каждом этаже. Эти системы, по характеру работы, можно рассматривать как системы водяного отопления с естественным побуждением, только без возврата теплоносителя в генератор тепла (топливник). В конвективной системе многоярусных печей с выносным топливником не происходит горения или догорания топлива. Конвективная система служит для восприятия тепла горячих газов из топливника и полезного его использования.

Требования к конвективной системе:

Должна иметь минимальное сопротивление выходящим газам;
Иметь хорошую теплоаккумулирующую и оптимальную теплоотдающую способность (нижний прогрев);
Каждая печь на этаже, может быть различной мощности, размера, назначения;
Должна быть возможность регулировать температурный режим на каждом этаже;
Должна быть возможность оставить дом без присмотра (уехать на длительный срок), не промораживая его.

Трёхканальная система (рис. 76,г) не отвечает "требованиям к конвективной системе" и не рассматривается.

Рассмотрим схемы многоярусных систем печного отопления, показанные на рис. 76, на рис. 3 и рис. 4. Топливник во всех решениях, расположен в нижнем этаже, дымооборотов здесь нет, и помещения этого этажа обогреваются стенками самого топливника.

Одноканальная система (рис. 76,а), это прямоточная система с восходящим потоком. На этажах, вокруг распределительного подающего канала размещается конвективная система в виде кожуха. Регулирование распределения газового потока, осуществляется посредством частичного перекрытия подающего канала, выше входных отверстий в конвективную систему этажа. Система не отвечает пунктам 2, 3, 5, "требований к конвективной системе". Регулирование температурного режима посредством частичного перекрытия подающего канала не эффективно. Практически невозможно регулировать распределение тепла, по всем этажам, при помощи изменения размера выходного отверстия для отработанных газов, в печи с восходящим потоком.

Двухканальные системы (рис. 76,б, в) и (рис. 3). У всех у них равновеликие пути движения газового потока на каждом ярусе, что положительно сказывается на распределении тепла. На движения газового потока действуют две силы: в подающем распределительном канале напор; в трубе, её тяга (отсос). Природа возникновения этих сил одинакова. Допустим, что источником тепловой энергии является электричество, и тогда не требуется удалять продукты сгорания. В этом случае, в схеме рис. 76,в и рис. 3, перенос тепловой энергии будет не под действием внешней энергии (тяги трубы), а под действием собственной силы тяжести газов, даже если трубу в верхней части закрыть. То есть за счёт естественных сил природы. В схеме 76,б, тепловая энергия подводится в верхнюю зону конвективной системы. Известно, что жидкости и газы следует нагревать снизу. Поэтому перенос тепловой энергии будет только в подающем распределительном канале, а в конвективной системе не будет. Вся система будет работать только при наличии тяги трубы. Если рассматривать схемы рис. 76,в и рис. 3 в части теплоаккумуляции и теплоотдачи, то схема на рис. 76,в имеет несомненное преимущество перед схемой рис. 3, у которой малы теплоаккумулирующие и теплоотдающие свойства. Анализируя всё сказанное, можно сказать, что схема, показанная на рис. 76,в лучше подходит для применения в однотопочных многоярусных печах. Однако у этой схемы имеется существенный недостаток: это верхний прогрев печи каждого яруса. Что приводит к плохому прогреву нижней части помещения, в котором образуется "яма" холодного воздуха.

Если на горизонтальных каналах в схеме рис. 3, в пределах участков а-б выполнить колпаки, то получится схема, показанная на рис. 4. Печь каждого яруса в этой схеме можно отнести к системе "двухъярусный колпак", так как каждый колпак этой печи обладает эффектом "газовой вьюшки". Данная схема построения печи отвечает "требованиям к конвективной системе":

Имеет минимальное сопротивление выходящим газам;
Имеет хорошую теплоаккумулирующую и оптимальную теплоотдающую способность (нижний прогрев);
Каждая печь на этаже, может быть различной мощности, размера, назначения;
Имеется возможность оставить дом без присмотра (уехать на длительный срок), не промораживая его, так как печь каждого яруса может работать на электричестве.

Как можно регулировать температурный режим на каждом этаже? С повышением температуры, в распределительном подъемном канале возникает гравитационный напор (давление). Для каждого этажа характерно свое давление, которое больше в каждом вышестоящем этаже. Величина его зависит от высоты канала, температуры газового потока и пропорционально им. В это же время, повышается температура и в дымовой трубе. Возникает тяга в трубе, за счет разности массы горячего и холодного воздуха объёма трубы. Величина тяги зависит от температуры уходящих газов и высоты трубы (при прочих равных условиях). Однако параметры газового потока здесь изменяются по-другому, в отличие от параметров в распределительном подъемном канале. По мере прохождения горячих газов по трубе, уменьшается их температура, а так же меняется (уменьшается) высота трубы на каждом этаже. Суммарная сила, движущая поток на каждом этаже, складывается из двух составляющих, например: на первом этаже, из меньшего напора в распределительном подъемном канале и большей поэтажной тяги в дымовой трубе; на последнем этаже, из большего поэтажного напора в распределительном подъемном канале и меньшей поэтажной тяги в дымовой трубе. Точкой приложения этой силы на каждом этаже, является выходное отверстие из колпака в системе "одноярусный колпак" и выходное отверстие из второго колпака в системе "двухъярусный колпак". Если поставить регулирующую задвижку в эту точку, то можно изменять перераспределение газового потока проходящего через всю систему, направляя энергию в необходимом направлении (этаж).Характерно, что место расположения регулирующей задвижки естественно, оптимально и целесообразно. Такой регулирующей задвижкой является задвижка трубы каждой печи каждого этажа (яруса). В схеме рис. 76,б, такой суммарной силы не будет. Точками приложения напора будут входные отверстия в конвективную систему каждого этажа яруса, то есть не будет теплового напора в конвективной системе (в ней не будет повышаться температура). На работу системы будет влиять только тяга трубы. В колпаке, с повышением температуры, возникает избыточное давление, величина этого давления, кроме выше сказанного, будет зависеть от величины выходного отверстия из колпака. Чем меньше отверстие, тем больше давление, которое будет перераспределять объемы газовых потоков, в направлении меньшего сопротивления.

Какими свойствами должен обладать топливник (генератор тепла)? Если не требуется отапливать помещение, в котором он располагается:

Иметь тепловую мощность, достаточную для покрытия тепловых потерь помещения;
Извлекать из топлива максимально возможное количество тепла;
В максимальном объёме направлять выделенную энергию в конвективные системы печей на этажах.

Такими свойствами обладает металлическая печь "одноярусный колпак", хорошо изолированная термостойкой минеральной изоляцией и отвечающей формуле, "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". В таком исполнении, реакция горения происходит при оптимальном тепловом режиме, с высоким КПД изъятия энергии. Металлические стенки печи быстро набирают тепло. Температура стенок приближается к температуре внутри топливника и не происходит значительного теплообмена, а так же аккумуляции тепла из за малой теплоёмкости печи. В обычных печах, продолжительность топки составляет 1-3 часа, в зависимости от типа и массы печи. При длительной топке, снижается разность между температурой дымовых газов и стенками топливника, уменьшается теплообмен и, как следствие, снижается КПД печи. Теплопроизводительность топливника многоярусных печей с одним топливником должна быть рассчитана на выделение потребной тепловой энергии за это время.

Возможно выполнение многоярусной печи с одним топливником, с расположением его в печи первого этажа. Разработана конструкция трехэтажной печи с одной топкой в первом этаже профессора В.Е. Грум-Гржимайло и инженера Подгородника (Подгородникова И.С.). С двумя выходами дымовых газов из топливника, из которых дымовые газы направляются раздельно в печь нижнего яруса и печи второго и третьего этажей. Для регулирования объёмов газовых потоков, поступающих в печи, над выходом в печи 2 и 3 ярусов, устанавливается регулировочный кирпич. Конструкция печи аналогична конструкции двухъярусной печи этих же авторов, описанной в начале статьи и книге А.Е. Школьника, "Печное отопление малоэтажных зданий", Москва, "Высшая школа", 1991 год. Печи второго и третьего ярусов выполнены по схеме "одноярусный колпак". Недостаток этой печи – перегрев верха и значительно более холодный низ печи на каждом этаже. Для устранения этого недостатка, печи второго и третьего этажей, выполняются по схеме "двухъярусный колпак" рис. 5. Топливник выполняется мощностью, достаточной покрыть теплопотери помещения. Из топливника выполняется два выхода с устройством регулирования газовых потоков.

Следует отметить одно важное обстоятельство. При размещении на этаже, в составе многоярусной печи с одной топкой, отопительно-варочной печи (печи для бани или другой, требующей мощного температурного воздействия), варочные свойства её снижаются. Температура прогрева печи снижается из за отсутствия непосредственного воздействия лучистой теплоты горящего топлива.

Рассматривая работу русских печей "Теплушек" Подгородникова И.С., а так же с учётом практики эксплуатации, можно отметить следующее:

Печи "Теплушки" 2, 4, 15, имеют выход дымовых газов непосредственно в варочную камеру. Топка и варочная камера объединены в единое пространство. Варочная камера прогревается достаточно хорошо, так как проявляется некоторое воздействие лучистой теплоты;

У печей "Теплушки" 9 и 10, дымовые газы из топливника выходят в варочную камеру через канал. В варочной камере нет воздействия лучистой теплоты и прогрев её недостаточен.

Кроме того, все эти печи не обладают эффектом "газовой вьюшки", что так же снижает температуру прогрева варочной камеры.

Суммируя всё сказанное, сделаем вывод: Печи ярусов, требующие мощного температурного воздействия, должны иметь дополнительно топливник, дающий возможность довести функциональные требования до необходимых параметров. А так же печи должны соответствовать формуле "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак".

И.В. Кузнецов.