О новом способе сжигания топлива в отопительных индивидуальных печах. КУЗНЕЦОВ И. В., г. Екатеринбург. Горение в чистом виде это химическая реакция, при которой из одних простых веществ (углерода и водорода) при соединении с кислородом получаются другие вещества с выделением тепла. Если в качестве окислителя используется воздух, то при самой правильной организации горения продуктами реакции будут углекислота (в результате сгорания углерода), водяные пары (при сгорании водорода) и азот как составляющая часть воздуха, требуемого для горения, а это 4/5 части его объёма. Фактически из-за неравномерного перемешивания топлива с воздухом, последнего надо подавать в 1,6 – 2,4 раза больше теоретического. Поэтому в топке имеются избыточное количество воздуха с повышенным содержанием азота, не принявшего участия в горении, а также водяные пары от выпаривания воды, содержащейся в топливе. Все эти газы балластные, участия в горении они не принимают, а только нагреваются за счёт теплоты сгорания углерода и водорода, т. е. забирают полезное тепло. В системе принудительного движения газов (система ПДГ) все эти газы смешиваются в единый поток. В результате температура в топке снижается, что влечёт за собой ухудшение условий сгорания топлива, кроме того, разбавленный холодными балластными газами поток воздействует на теплообменник и далее выходит в трубу. За долгие годы конструкции энергоустановок ПДГ в теплотехническом отношении доведены до максимально возможно высокого уровня, и резерва повышения их КПД практически нет. В настоящее время при сжигании топлива в топках самой разной конструкции и всех типах топочных процессов при использовании воздуха в качестве окислителя преследуется основная цель – уменьшить влияние балластных газов, от количества которых зависит температура потока. Из-за уменьшения последней ухудшаются условия сгорания топлива и уменьшается теплосодержание продуктов его сгорания. Это касается и тепловых генераторов, используемых во всех отраслях промышленности. Для достижения цели используют сухое топливо, в том числе пеллет, брикет и т.п., продукты энергоёмкой и дорогой технологии производства; минимизируют количество подаваемого воздуха до уровня, при котором ещё не возникает неполного сгорания топлива, но и нет излишнего количества воздуха. Система «свободного движения газов в трактовке И.В. Кузнецова» (далее СДГ) предполагает другой механизм уменьшения влияния балластных газов на процесс сжигания топлива, а также использования выделившегося тепла. Он основан на естественных законах природы. Улучшить условия сгорания топлива в топке можно, если удалить балластные газы из зоны горения. Тем самым повышается КПД извлечения энергии из топлива, т. е. увеличивается теплосодержание продуктов сгорания топлива, или, другими словами, теплосодержание продуктов сгорания топлива зависит от вида окислителя и количества балластных газов. Основу теории свободного движения газов заложил русский ученый, металлург, член-корреспондент АН СССР, профессор В. Е. Грум-Гржимайло (1864 – 1928 гг.). В дальнейшем работу по совершенствованию системы печей, в основу действия которых положен принцип СДГ, проводил ученик и последователь В. Е. Грум-Гржимайло канд. техн. наук И. С. Подгородников (1886 – 1958 гг.). Он предложил строить печи по схеме «двухъярусный колпак». Основная идея базируется на том, что струйка горячего газа в окружении холодного всплывает вверх, как более легкая. При проектировании печи в каждой её части следует задавать такое направление движения газов, которое отвечало бы их естественному стремлению – горячий газ поднимается вверх, а струйки охлажденного опускаются вниз. В.Е. Грум-Гржимайло и И.С. Подгородникову не удалось решить важнейший вопрос организации естественного движения газов в топочной камере в соответствии с этим классическим определением.  
Естественное движение горячих газов в топочной камере можно обеспечить только в теплогенераторе, построенном по определённым правилам. На Рис.1 показана схема теплогенератора. Обозначения следующие: 1-топка; 2-«сухой шов»; 3-нижний колпак; 4-теплообменник; 5-верхний колпак; 6-труба. Нижний ярус и топка объединены в единое пространство через «сухой шов» и составляют нижний колпак. Колпак – это перевернутый вверх дном сосуд. В нём холодные частицы выталкиваются вниз, горячие всплывают вверх. В этой конструкции предусматривается обязательное наличие «сухого шва». Это вертикальная щель шириной 2–3 см, соединяющая топку и колпак. Топки могут быть различными как по конструктивному исполнению, так и по принципу сжигания топлива. Топливо можно сжигать любое. Суть правил. Речь идёт о сжигании топлива в топке, размещённой в колпаке и объединённой с ним вертикальной щелью (сухой шов) в единое пространство. Такое построение позволяет создать и в колпаке, и топочной камере условия, в которых движение газов отвечает их естественному стремлению: горячий газ поднимается вверх, а струйки охлажденного опускаются вниз. При этом могут быть выдержаны нижний и верхний пределы удельного теплового напряжения топочного объёма. Предложенная схема соответствует теории В.Е. Грум-Гржимайло. Суть концепции заключается в том, чтобы получить из топлива при его сжигании максимальное количество тепла и использовать его в максимальной степени. Конструкция теплогенератора должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать оптимальную теплоотдачу. Можно эффективно сжигать топливо, получая из него максимально возможную содержащуюся в нём энергию, но при этом не эффективно использовать это тепло. Напротив, можно не изымать в полной мере энергию, содержащуюся в топливе, но эффективно её использовать. Поэтому можно считать, что КПД энергоустановки складывается из КПД изъятия энергии из топлива и КПД использования выделившегося тепла. Первый коэффициент, КПД изъятия энергии из топлива, характеризует, какую часть энергии (в процентах), содержащейся в топливе, можно преобразовать в тепло при его сжигании. Рассмотрим, в чём заключается различие использования выделившегося тепла в системах СДГ и ПДГ. Движущийся газовый поток в теплогенераторе с любой конвективной системой переносит тепловую энергию и продукты сгорания. Конвективная система служит инструментом для использования выделившейся тепловой энергии, которая может быть направлена на обогрев котла водяного отопления, калорифера, теплонакопительного массива и т. п. Чтобы выяснить, в чём заключается разница механизмов движения газового потока в системах ПДГ и СДГ, представим, что источником тепла является электрический обогреватель. В этом случае не надо удалять продукты сгорания. 
Заполним колпак К1 показанный на Fig.A1, Рис.2 порцией горячего воздуха. Обозначения на Рис.2 следующие: К1, К2, К3 соответственно номера колпаков 1, 2, 3 по ходу движения горячих газов; В- теплообменник; С- электрический обогреватель; D- дутье; T- тяга; Горячий воздух, более лёгкий, поднимется вверх и вытеснит из колпака холодный тяжелый воздух. Он будет находиться там, пока не отдаст своё тепло стенкам колпака. Если горячий воздух, генерируемый электрическим нагревателем C, постоянно подаётся в колпак, то часть теплоты потока воспринимается стенками колпака и размещённым там теплообменником В. Если тепла генерируется больше, чем могут воспринять колпак с теплообменником, то избыток тепла (охлаждённый воздух из нижней зоны колпака) переливается во второй колпак К2 и оттуда в третий К3, если К2 не сможет воспринять всё тепло. Движение горячего воздуха в колпаках происходит без тяги трубы за счёт естественных сил природы и не требует внешней энергии. В системе ПДГ перенос тепла возможен только за счёт тяги трубы. Если пропускать через нижнюю зону колпака К1, показанного на Fig.A2, рис.2, поток горячего воздуха, то при дутье D, равном тяге T, тёплый поток под действием архимедовой силы поднимается вверх, в зону, где происходят теплообменные процессы. Тепло горячего воздуха будет передаваться стенкам колпака и теплообменнику внутри колпака, а избыток тепла (охлаждённый воздух) выходить наружу в колпаки К2, К3 и т.д., если они есть. В качестве теплообменника могут быть использованы регистры водяного котла, калорифер воздушного отопления, реторта для газификации топлива, технологические материалы и т.п. Теоретически можно подобрать такой теплообменник, который будет забирать всё тепло. В этом случае можно будет сказать, что КПД использования выделившегося тепла близок к 100 %. Теплопередача от газа к теплообменнику зависит от следующих факторов: площади теплообмена; разницы температур; продолжительности контакта. Чем они больше, тем больше теплопередача. Колпак может иметь любую форму и объём, в который можно вставить теплообменник, т. е. увеличить теплообмен. При таком построении теплогенератора увеличиваются площадь теплообмена и продолжительность контакта горячих газов с теплообменником, тем самым улучшается теплообмен. То же самое будет происходить, если пропускать через нижнюю зону колпака при дутье D, равном тяге T, поток газа, полученный в результате сжигания любого вида топлива в сторонней топке при всех типах топочных процессов при использовании воздуха в качестве окислителя (смотри К1 на Fig.A2, рис.2). Поток содержит продукты сгорания, которые представляют собой смесь различных газов, в том числе балластных. Молекулы их совершенно самостоятельны, не сцеплены между собой. Продукты сгорания – это углекислота, полученная в результате сгорания углерода (СО2); водяные пары – от сгорания водорода, а так же балластные газы – водяные пары топлива; азот (в смеси); излишний воздух. Этот газовый поток, проходя через нижнюю часть колпака, разделяется по составу. Каждая частица газового потока имеет своё состояние (массу, температуру, энергию) и занимает в колпаке во время свободного движения через него место, определённое этим состоянием. Горячая составляющая потока под действием архимедовой силы поднимается вверх, воздействует на теплообменник, и находится там, пока газы не охладятся. Холодная, тяжёлая и вредная составляющие потока, наиболее холодные струи, проходят низом колпака и мало воздействуют на теплообмен. Из сказанного следует важный вывод – при пропускании газового потока через колпак повышается КПД использования выделившегося тепла, так как уменьшается влияние балластных газов на теплообмен. В системе ПДГ все продукты сгорания проходят через топочную камеру и каналы конвективной системы теплогенератора, смешиваются в единый поток, т. е. уменьшают температуру и полезную теплоотдачу потока. Движущей силой потока в этой системе служит тяга трубы. Отсюда следует ещё один важный вывод – КПД использования выделившегося тепла, полученного в результате сжигания любого топлива в топке любого типа при использовании воздуха в качестве окислителя, имеет наибольшее значение в конвективной системе, выполненной в виде колпака. Для повышения эффективности функционирования теплогенератора, снижения выбросов в атмосферу вредных веществ необходимо обеспечить полное сгорание топлива. Известно четыре условия достижения полного сгорания топлива: правильное устройство топки; смесеобразование; высокая температура; оптимальная подача первичного и вторичного воздуха. В процессе горения резко падают концентрации исходных веществ (топлива и окислителя) и также резко повышаются концентрации продуктов горения и уровень температуры смеси. В любой системе вторичный воздух надо подавать выше зоны активного горения топлива для сжигания горючих газов, выделившихся в результате термического разложения топлива. В системе ПДГ движение окислителя и горючих газов идёт в попутном направлении. По мере продвижения поток всё больше балластируется. В конечной зоне факела концентрации топлива и окислителя уменьшаются. Исходные вещества разъединяются большим количеством продуктов сгорания. Контакт реагирующих молекул значительно затруднён. В этом случае важно инициировать интенсивную турбулентность. Необходимо также обеспечить процесс горения воздухом, доведя его количество до оптимального (минимизировать), при котором не возникает неполного сгорания топлива и его излишков. Однако в любом случае в топочной камере будут присутствовать лишний воздух, азот и водяные пары топлива, которые уменьшают температуру потока и, тем самым, ухудшают условия сгорания топлива. Энергия, содержащаяся в топливе, выделяется не полностью. И выделившееся тепло используется также не полностью, так как расходуется на нагревание балластных газов в потоке. Отсюда можно сделать следующий важный вывод: чтобы повысить КПД изъятия энергии из топлива, надо уменьшить влияние балластных газов на топочный процесс и повысить температуру горения. В энергоустановках системы ПДГ нет места для размещения теплообменников, чтобы условия сгорания топлива соответствовали условиям использования выделяемого тепла. При размещении теплообменников в топочной камере условия сгорания топлива входят в противоречие с условиями теплообмена. Чем больше забирается тепла (повышается КПД использования), тем хуже условия сгорания топлива (снижается КПД изъятия энергии из топлива). Теплообменники, размещаемые в топке (холодное ядро), уменьшают там температуру, т. е. ухудшают условия сгорания топлива. При увеличении размера площади канала (для того, чтобы разместить в нём теплообменник), энергия газового потока в нём размазывается, т. е. уменьшается температура в потоке. Топливо можно сжигать в колпаке без топки. Однако так нельзя добиться хороших условий сгорания топлива: высокой температуры, оптимального обеспечения реакции горения воздухом, его перемешивания и предварительного нагрева. По этой причине топливо необходимо сжигать в ограниченном объёме, в котором можно выдержать указанные требования. В отличие от системы ПДГ, в новой системе СДГ реакция горения протекает в других условиях. 
Топочная камера 1 (рис. 3) ограничена с боков стенками, а сверху катализатором 2 (решётка из шамотного кирпича). Она имеет «сухой шов» 3, соединяющий её с колпаком. В стенках организованы полости 4, через которые из поддувала в зону над топливом через отверстия 5 подаётся вторичный воздух. Бóльшая часть вторичного воздуха подогревается, проходя через полости в стенках топочной камеры, и поступает за счёт архимедовой силы в конечную зону факела под катализатор. Воздух так же поступает через щель шириной 25 мм, имеющуюся перед топочной дверкой. Этот поток воздуха особенно востребован при растопке, когда вторичный воздух ещё не может подняться сквозь полости. В топочной камере создаётся «колпак», когда каждая частица газового потока во время свободного движения через топку имеет свою траекторию, определенную её состоянием. Другими словами, наиболее горячие частицы находятся в верхней части, а менее нагретые не могут подняться вверх. Вторичный воздух выходит из отверстий под катализатором 5, попадает в колпак и, как наиболее холодный, опускается вниз, навстречу потоку. В отличие от системы ПДГ, движение окислителя и горючих газов происходит навстречу друг другу, за счёт этого возникает турбулентность, ускоряются массовые контакты между молекулами топлива и окислителя. Катализатор придаёт потоку турбулентность и способствует повышению температуры в топочной камере за счёт отражения лучистого тепла. Такой характер турбулентного обмена определяет скорость образования горючей смеси, делая эту зону особенно важной. Частицы горючих газов соединяются с кислородом воздуха и выделяют тепло, превращаясь в углекислый газ, водяные пары и другие продукты сгорания. Горячая составляющая потока поднимается в верхнюю часть колпака, образуя там зону повышенной температуры, и воздействует на теплообменник, размещённый вне топочной камеры. Балластные газы, холодная составляющая, выталкиваются в нижнюю зону топочной камеры, откуда поступают через сухой шов в колпак и далее для вторичного использования или в трубу. Водяные пары топлива, будучи тяжелыми, не могут подняться в зону горения. Это особенно важно при сжигании топлив с большим содержанием влаги, например бурого угля, который содержит 45–55 % воды и не годится для сжигания в системе ПДГ. 
Для сравнения, на фотографии рис. 4 показано горение только что срубленных дров в топках котлов постоянного действия. В верхней части фотографии, котел с принудительным движением газов. В нижней части фотографии котел, построенный в соответствии с новой системой «свободного движения газов», в котором регистры вынесены в колпак. Котлы работают без дутья. В котле системы СДГ видно, что в высокотемпературном поле происходит равномерный нагрев дров и их термическая деструктуризация (пиролиз). В топочной камере изменяются условия сгорания топлива. Происходит отделение холодных балластных газов, за счёт этого возникает высокотемпературный процесс горения. Это обеспечивает прогрев и газификацию топлива, а также чистое горение. Смесь, не самовоспламеняющаяся при низкой температуре, становится способной к самовоспламенению при повышенной температуре. Расположение теплообменника в колпаке вне зоны горения топлива позволяет, не снижая эффективности извлечения энергии из топлива, максимально увеличить использование выделившегося тепла. При сжигании топлива в теплогенераторах новой системы СДГ и использовании воздуха в качестве окислителя увеличивается теплосодержание продуктов сгорания за счёт уменьшения влияния балластных газов на процесс окисления. Теплота сгорания сырых дров ниже, чем сухих, т. е. при их сжигании увеличивается количество балластных газов. Влияние балластных газов на процесс горения можно также проследить на примере сжигания ацетилена при газосварочных работах. Теплосодержание продуктов сгорания ацетилена зависит от вида применяемого окислителя, т. е. от количества балластных газов. Если подавать в зону горения вместо кислорода воздух, то температура реакции горения и энергия, изъятая из ацетилена, будут недостаточны для резки и сварки металла. В теплогенераторах новой системы СДГ процесс сжигания топлива естественен, саморегулируем и оптимален. Улучшаются условия сжигания топлива, тем самым повышается КПД изъятия энергии. Система СДГ получила широкое распространение и развитие в проектировании и строительстве бытовых печей и дровяных котлов. Её отличает необычайная гибкость, что позволило выпустить уже тысячи высокоэффективных конструкций бытовых печей и котлов различного назначения. Имеется возможность создания бесчисленного множества теплогенераторов различной формы, мощности и назначения, многофункциональных и многоэтажных, в том числе промышленного типа. Дровяные котлы постоянного действия показывают удивительные результаты и производительность. В их топках возникает высокотемпературный процесс чистого горения. Это обеспечивает прогрев и газификацию топлива при температуре около 1060 оС. Они уже сейчас отапливают помещения площадью в несколько тыс. квадратных метров, при этом движение теплоносителя происходит без насоса. Неоднократные измерения количества сжигаемого за сутки дров показывают, что в них содержится меньше энергии, чем выделяется котлом. Невероятно, но это факт, который надо подтвердить или опровергнуть испытаниями. Система СДГ внедряется во многих странах мира. Во всех испытаниях, проведенных в США, Канаде, Франции, Швеции, России, Германии печи нашей системы показали КПД до 90%. После их доводки в результате экспериментов, проведенных во Франции, удалось добиться высокой чистоты сгорания. Независимые испытания печи данной конструкции в Швеции, выполненные в январе 2008 г. фирмой «AF-kontrol AB», показали, что выбросы СО и органически связанного углерода существенно ниже максимально допустимых значений. Она имеет КПД более 90%. Система СДГ – это новый качественный уровень технологии сжигания биотоплив, аналога которому в мире нет, это реальное энергосбережение. В ретортах (закрытых металлических ёмкостях), обогреваемых снаружи без доступа воздуха, можно получать из органических бытовых и промышленных отходов твёрдый, богатый углеродом кокс, пиролизный газ (парогаз) и различные составляющие их переработки. Это металл из автомобильных покрышек, кабелей или других отходов, пиролизное топливо, активированный уголь и др. Кокс можно нацело перерабатывать в газ, воздействуя на него, например, водяным паром при высокой температуре. Это самый качественный газ с теплотой сгорания 2802 ккал/м3. Выделяемые газ и кокс можно сжигать, получая тепло. Газогенераторная установка системы СДГ может иметь один, два или более колпаков с ретортами, один или несколько колпаков с теплообменником и теплонакопительный колпак с топочной камерой. Каждая реторта располагается в своём колпаке, где обогревается теплом сжигаемых в топочной камере или в колпаке парогазов. Регулирование нагрева происходит за счет перераспределения потоков горячих газов, полученных при сжигании в топочной камере парогазов, или изменения количества сжигаемых в колпаке с ретортой парогазов. Получение качественных продуктов переработки биомассы в максимальном объёме, обеспечивается управляемостью процесса пиролиза в каждой реторте во всех циклах, что в других системах сделать невозможно. Установки не требуют внешней энергии. Они работают за счёт энергии, выделяемой пиролизуемым сырьём. Аналогичные по своей сути установки (модули) выпускает немецкая фирма Meta Pyrolyse-Anlagen GmbH, только они работают на электричестве. Только в этом случае они смогли добиться управляемости во всех стадиях пиролиза топлива, получения качественных продуктов и окупаемости их производства. Сейчас в мире сжигание твёрдого топлива происходит в два этапа: 1 этап – дорогостоящий и энергоемкий этап производства пеллет, брикетов и т.п.; 2 этап – сжигание пеллет, по степени автоматизации оно соответствует уровню сжигания газа и дизельного топлива. В системе СДГ можно использовать сырое топливо, так как сушка его происходит за счёт тепла отходящих газов. Исключается дорогостоящий и энергоёмкий этап подготовки топлива. Регулирование мощности горения при этом не вызывает снижения КПД. В системе СДГ имеется возможность создания механизма вакуумной сушки топлива за счёт тепла отходящих газов. Имеется также возможность довести парогаз, полученный при низкотемпературном пиролизе, до степени молекулярного измельчения и подготовить его к эффективному сжиганию или переработке. Заключение Дальнейшая работа по совершенствованию системы СДГ требует привлечения широкого круга специалистов разных специальностей, проведения экспериментальных работ, для чего требуется создание соответствующей материально-технической базы. Необходима преемственность в развитии системы СДГ, иначе Российский приоритет её будет утрачен. Эта работа требует серьёзной политической и финансовой поддержки и должна возглавляться сильным экономическим менеджером. Список использованной литературы: 1. И.С. Подгородников. Бытовые печи. Издательство МКХ РСФСР. Москва - 1960 г. 2. К. Мякеля. Печи и камины. Москва. Стройиздат 1987 г. 3. И.И. Грингауз. Паровые котлы. НКЭП СССР. Государственное энергетическое издательство. Москва 1940 Ленинград. 4. Д.Б. Гинзбург. Газификация твердого топлива. Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Москва - 1958 г. 5. Под редакцией Ю.Д. Юдкевич, С.Н. Васильев, В.И. Ягодин. Получение химических продуктов из древесных отходов. С.-Петербург 2002 г. 6. Э.Д. Левин. Теоретические основы производства древесного угля. Лесная промышленность. Москва. 1980 г. 7. А.Н. Кислицин. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. Москва. Лесная промышленность. 1990 г. О новом способе сжигания топлива в отопительных индивидуальных печах. ПРОДОЛЖЕНИЕ (Дополнение). О некоторых новых свойствах системы СДГ. Принципиальное различие двух систем заключается в следующем. В системе ПДГ частицы газов двигаются по каналам конвективной системы вверх, вниз, в сторону за счет тяги трубы смешиваются в единый поток. В системе СДГ частицы газов двигаются через колпак (конвективную систему) не только за счет тяги трубы, но и вверх в колпак за счет архимедовой силы газов, а так же на них воздействуют теплообменные процессы, происходящие в колпаке, которые охлаждают частицы и изменяют траекторию их движения. Это не учитывается при расчете движения газового потока. Водяные пары топлива, как наиболее холодные не могут подняться вверх и двигаются над топливом, взаимодействуя с раскаленным углеродом топлива. Что бы лучше понять о чем идет речь вспомним о некоторых свойствах различных частей бытовых печей (теплогенераторов), топок и конвективных систем. Основные части печей любых систем: • топка (в том числе подовая), предназначена для сжигания топлива; • конвективная система, предназначена для аккумуляции и использования теплоты отходящих газов, определяет характер движения газового потока; • Труба с естественной тягой (или механическая дутье-тяга), предназначена для удаления продуктов сгорания топлива и является общей для печей любых систем. В данной статье рассматривается работа и сравнение только топки и конвективной системы печей различных систем СДГ и ПДГ. Труба с естественной тягой рассматривается как механизм для принудительного удаления продуктов сгорания топлива в любых системах и работа ее не рассматривается. Почему в системе ПДГ нельзя создавать сложные многофункциональные печи, а в системе СДГ имеется возможность создавать бесчисленное количество энергоустановок различного функционального назначения и мощности? Теплоотдача от газовой среды к теплообменной поверхности зависит от следующих основных причин: разности температуры, площади и времени контакта, материала, формы и массы теплообменной поверхности. На тело (частицу), погруженное в газ, действует силы давления газа, равнодействующая которых направлена вверх. Это поддерживающая (архимедова) сила газа. Поддерживающая сила газа (Fa) равна весу газа в объеме погруженного в газ тела. Fa= ρgV, где ρ - плотность газа, g - ускорение свободного падения, V - объём погружённого тела. (Элементарный учебник физики, под редакцией Г.С. Ландсберга). В нисходящем канале (движении газов сверху вниз) энергия потока распределяется по сечению равномерно. Это явление называется «саморегулированием» и объясняется тем, что движущие силы газов, тяга и архимедова сила газов, направлены в разные стороны. Тяга направлена вниз, а архимедова сила газов вверх. Если в каком то месте горизонтального сечения канала температура потока выше, то там архимедова сила больше. То есть в этом месте увеличивается тормозящая сила и поток распределяется туда, где ему легче идти. Снижение температуры по сечению канала возникает у стенок каналов, где происходят теплообменные процессы, и значение ее зависит от материала стенок и формы канала и др. В восходящем канале тяга и архимедова сила газов действуют обе вверх и складываются. По этой причине движение потока по сечению канала идет неравномерно, больше там, где больше температура. Теплообменные процессы по сечению канала распределяются неравномерно. Особенно это касается каналов с большой площадью сечения. При движении газового потока по каналу конвективной системы любого направления за счет тяги трубы происходит следующее: При уменьшении сечения канала газовый поток уплотняется, скорость его движения, энергия (температура) увеличивается и, как следствие, теплообмен увеличивается. В системе ПДГ частицы газов пролетают с большой скоростью над теплообменной поверхностью конвективной системы за счет тяги трубы. Однако в этом случае увеличивается сила трения потока, возникают шум при его движении и, в конечном счете, канал не может пропустить весь объем газа возникающий при горении. Здесь следует отметить, что это касается случая, когда из топки газы идут одним путем. Если имеются и другие пути, то газы идут там, где им идти легче и тогда в канале меньшего сечения ничего из выше описанного не происходит. Например, если из топки имеются два выхода, то уменьшать сечение канала под плитой нельзя из-за уменьшения нагрева плиты; Если канал большого сечения, то поток разжижается, скорость его, энергия (температура) уменьшается. При этом имеют место теплообменные процессы при малых температурах потока. При больших сечениях вертикальных каналов в системе ПДГ, сопоставимого с горизонтальным сечением колпака в системе СДГ, газовый поток размазывается по сечению, уменьшается его температура, поток протягивается за счет тяги трубы и его тепло плохо аккумулируется в канале. В таких конвективных системах теплообмен не эффективен. В таком канале нельзя поместить теплообменник, чтобы он был эффективный. По этой причине в системе ПДГ нельзя создавать сложные многофункциональные печи. В отличие от нее в системе СДГ колпак может быть любой формы и объема. Энергия горячих газов аккумулируется, концентрируется в колпаке. Теплообмен в колпаке происходит как в едином пространстве с топкой с учетом движения газов через «сухой шов» (при равенстве дутья-тяги). Теплоотдача от газовой среды к теплообменной поверхности увеличивается при увеличении массы теплообменных поверхностей. Это в перекрытиях, углах и утолщениях стенок, где снижается температура газов. Об этом говорят и результаты экспериментов. 
Из колпака выходят наиболее холодные, отдавшие тепло газы. В колпак можно вставить теплообменник. Увеличивается время контакта горячих газов и их температура. Все это увеличивает теплообмен, то есть увеличивается КПД использования выделяемой энергии. При этом в верхней зоне колпака и у боковых поверхностях происходит снижение температуры горячих газов, за счет эффективного теплообмена. Это можно сравнить с уменьшением температуры воздуха по мере приближения к окну и стенам в зимнее время.  Это видно на графике нагрева печи по высоте, полученным Колчиным Е.В. на испытаниях печей. Печь имеет два колпака. Высота первого составляет 2/3, а второго 1/3 высоты печи. Такой же характер имеет график распределение температур выходящих газов по высоте сухого шва. Если применить материал стенок колпака с низким коэффициентом теплопроводности, то температура в верхней зоне будет наибольшей. Эффективный теплообмен происходит так же и по боковым стенкам колпака. Это дает возможность создавать бесчисленное количество энергоустановок различного функционального назначения и мощности. Ранее отмечалось, что в отличие от системы ПДГ в нашей системе использование выделенной энергии приближается к 100 %. , так как частицы горячих газов остаются в колпаке до тех пор, пока не охладятся. Это относится к случаю, когда теплообменная поверхность с теплообменником может воспринять больше энергии, чем ее производит топка. 
В подтверждение большей эффективности печи нашей системы по сравнению с печью противотока можно привести следующий практический случай. Две печи, системы СДГ и противотока, были построены в США на семинаре МНА в 2008 году, в котором мне посчастливилось участвовать. Печь противотока, прогрелась значительно хуже нашей печи даже в верхней части, хотя ее затопили раньше. Это можно посмотреть на фотографии. У нашей печи люди грелись, у печи противотока нет. Печь противотока хуже и неверно обогревает помещение. При этом, печь противотока считается лучшей в своем классе и применяется чаще во многих развитых странах мира. 
Следует отметить еще одно важное качество системы СДГ в моей трактовке (Кузнецова И.В.). Неоднократно замечено и отмечалось, что при понижении температуры выходящих газов меньше 100 Со в трубе не происходит конденсации водяных паров. Это удивительное свойство впервые было замечено при испытании печи у Жан Клода во Франции http://www.stove.ru/index.php?lng=0&rs=171. То же самое отмечалось и при других испытаниях. Требовалось так же понять и объяснить разницу в горении дров показанных на фотографии «Рис.4», а так же то, что неоднократные замеры количества сжигаемого за сутки дров в котлах постоянного действия показывали, что их энергосодержание меньше, чем энергия, выделяемая котлом. Чудес не бывает, энергия не из чего не появляется. Я не мог в то время объяснить эти явления. При испытании котла в Полушкино (поселок под Москвой), с участием доцента теплотехнического факультета УГТУ-УПИ, к.т.н. Микулы В.А., ведущего специалиста по энергоаудиту Свердловской области, получены интересные данные. Низшая рабочая теплота сгорания 12.5 кг сожженного топлива, составила 3650 ккал/кг. Теплота, выделившаяся при сгорании этого количества топлива (12,5 кг), составила 3650х12,5= 45625 ккал, а полезно использованная теплота, замеренная при испытании, составила 57141 ккал, 51341*+ 5800 ккал (теплота на водяное отопление + теплота через обмуровку). То есть от котла получено больше энергии, чем теплосодержание сожженной древесины!! Если считать с учетом возможных ошибок, вызванных применением расходомера с высокой скоростью теплоносителя и отсутствию паспортных данных по теплоемкости теплоносителя, то КПД котла может располагаться в интервале значений от 66 до 125 % и более. 51341* - В соответствии с паспортом расходомера, диапазон измерения скорости теплоносителя составляет 0,3-8 м/с. На наш интервал скоростей 0,1-0,22 м/с расходомер не рассчитан и данные не могут считаться достоверными. Ошибка замеров в этом диапазоне не известна. Известна только ошибка на нижнем пределе измерения. При скорости 0,3 м/с ошибка 10%. Таким образом, точность определения этой теплоты сомнительна. Результат данных испытаний нельзя считать достоверным, однако он в очередной раз заставляет задуматься. В виду важности вопроса этот факт требует подтверждения и объяснения, поэтому требуется продолжить испытания с участием ученых теплотехнического факультета УГТУ-УПИ, с учетом исправления указанных ими недостатков. У меня и нашего партнерства нет возможности профинансировать продолжение испытаний. Требуется средства для приобретения или аренды некоторых приборов, оплаты проезда, проживания и работы специалистов в Москве. Требуются спонсоры. Благодарность и их имена будут названы в заголовке этой статьи. Для повышения достоверности испытаний Микула В.А. рекомендует следующие меры: Для измерения скорости (расхода) теплоносителя нужно организовать принудительную циркуляцию или применить расходомер с низкой скоростью теплоносителя; Нужны точные данные по составу теплоносителя (какие вещества входят в состав и их доля…); Для снижения влияния инертности печи и системы отопления лучше увеличить длительность испытания до 24 часов; Для более точной информации по теплоте сгорания дров, нужно взять из партии использующихся дров 4 кубика (массой 1-2 г) из разных поленьев, герметично запаковать (в полиэтилен, либо в небольшие стеклянные баночки) и затем калориметрическим методом определить их теплоту сгорания. На мой взгляд, время эксперимента надо было принимать «за промежуток времени прошедший, от значения начальной температуры обмуровки котла, до конечной температуры, равной начальной». Сейчас у меня возникла гипотеза, почему происходят явления описанные выше. В разделе «Газификация» отмечается, что важным для газификации свойством кокса является его реакционная способность (активность), т.е. способность взаимодействовать с кислородом воздуха, двуокисью углерода и водяным паром. При воздействии на раскаленный кокс водяного пара между ним и углеродом в зоне газификации протекают следующие реакции: С + Н2О = СО+Н2; и С + 2Н2О = СО2 + 2Н2. По первой реакции получаются только горючие газы (50%СО и 50% Н2). Теплотворная способность смеси этих газов - 2802 ккал/нм3. По второй реакции получаются частично горючие и частично негорючие газы (33,3% СО2 и 66,7% Н2). Теплотворная способность смеси этих газов - 1714 ккал/нм3. При более высоких температурах интенсивнее протекает первая реакция. При более низких температурах, - вторая. Восстановления окиси углерода, или разложением двуокиси углерода по реакции С+СО2=2СО в нашем случае не происходит из-за отсутствия необходимой в топке температуры 1150 °С. (Д.Б. Гинзбург). В состав продуктов реакции горения входят водяные пары топлива. В нашей системе СДГ водяные пары топлива, будучи тяжелыми, не могут подняться в верхнюю зону топки, проходят над топливом и воздействуют на раскаленные угли (углерод). Происходит разложение водяных паров по выше указанным реакциям с выделением горючих газов, которые и сжигаются там. Возможно, по этой причине в трубе не происходит конденсации водяных паров топлива, а энергосодержание продуктов сгорания выше нормативной. Эти факты неоднократно наблюдались при эксплуатации котлов постоянного действия. Учитывая их важность в деле повышения эффективности использования восполняемых источников энергии, это надо подтвердить или опровергнуть испытаниями. Горение не всегда протекает до конца, т. е. сгорающее вещество не всегда присоединяет максимально возможное количество кисло¬рода. Если процесс горения не закончился, получаются горючие вещества, способные дополнительно присоединить кислород, т. е. снова гореть. (Д.Б. Гинзбург. Газификация твердого топлива. Госстройиздат, 1958 г). В конечной стадии горения, когда в топке остаются только раскаленные угли повышается уровень выхода окиси углерода СО, выше допустимых норм. Это касается теплогенераторов любых систем и подтверждается испытаниями. При воздействии на раскаленный углерод воздухом, что происходит в конечной стадии горения, в зоне газификации кислород воздуха воздействует на углерод топлива, образует двуокись углерода (про¬дукт полного сгорания) и окись углерода (продукт неполного сгорания, горючий газ) по реакциям С+О2=СО2; 2С+О2=2СО. Этим объясняется повышенный выход окиси углерода СО. Окись углерода СО загорается при температуре около 700 °С и сгорает синим пламенем по уравнению: 2СО + О2 = 2СО2+ 135 ккал. Такой температуры в топке в это время нет, и сгорания окиси углерода не происходит. В этом случае надо найти другой способ сжигания углерода. Этим способом может быть подача некоторого количества перегретого водяного пара в конечной стадии сжигания топлива. Реакция горения при низких температурах протекает по формуле С + 2Н2О = СО2 + 2Н2. Температура воспламенения водорода 350 °С (Грингауз). Такая температура, возможно, присутствует в это время в топке, водород сгорает и выделения окиси углерода не будет. Это можно подтвердить или опровергнуть только проведением опытов, выполнить которые у меня нет технической и финансовой возможности. На мой взгляд, действующая методика испытания и приборы Testo для системы ПДГ не могут быть применены для системы СДГ, так как движение газовых потоков и теплообменные процессы в этих системах различны. Выгоды от применения теплогенераторов системы СДГ показаны на примере строительства бытовых печей. Их отличает высокая эффективность, возможность создания бесчисленного множества печей с новыми полезными для людей функциями, высокие результаты испытаний по чистоте сгорания, полученные в разных странах, высочайший спрос у людей. Причем следует отметить, что проверялись рядовые многофункциональные печи, а не специально подготовленные доведенные до совершенства, в результате экспериментов, простые отопительные печи. Система ПДГ развивалась и совершенствовалась не одно столетие, в том числе в лабораторных условиях. Нам приходится развивать систему СДГ без экспериментальных работ и доводки, причем за свой счет. Следует отметить, что система СДГ в трактовке И.Кузнецова получила широкое развитие в печном деле. Однако это только вершина айсберга. Газификация топлива, это нижняя не тронутая часть айсберга, которая еще требует развития. Здесь имеются безграничные возможности переработки биотоплива и создания на этой основе различных устройств. 27.05.2013© Igor Kuznetsov"Kuznetsov's stoves" И.В. Кузнецов тел. 8 (343) 307 7303 e-mail: igor@stove.ru http://stove.ru; http://stoveur.ru |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
