По статистике, 30% населения России отапливаются печами. Азиатчина в духе незабвенного поручика Ржевского? Но в Скандинавии, Канаде, Китае эта доля еще больше. И постоянно растет, причем многие осваивают профессию печника и строят печи своими руками. По прогнозам, количество печников-любителей в мире скоро превзойдет таковое увлекающихся техническим моделированием. Дань моде? Совсем нет. Об этом еще будет сказано подробнее.
Примечание: выбор печи во многом, если не полностью, определяется свойствами доступного топлива. Поэтому рекомендуем сразу же ознакомиться с приложением «О топливе».
Что есть печь?
В справочной литературе есть множество определений печей разнообразного типа и назначения. Но попробуйте поискать ответ на вопрос: а что такое печь вообще? Ну, как?
Наш далекий пращур, отгородивший костер с боков поставленными на попа плоскими камнями, чтобы ветер не сбивал пламя в сторону и можно было, наконец-то, дожарить мамонтятину, изобрел печь – устройство, удерживающее и/или концентрирующее тепло в определенной области пространства с целью наиболее полного его использования. Плавильный тигель или варочная посудина, наоборот, удерживают в себе свое содержимое, предохраняя его от растекания и/или непосредственного контакта с окружающей средой. Поэтому микроволновка, электродуховка, индукционная варочная поверхность, гелиоконцентратор – печи в полном смысле этого слова. Так и пишут в спецификациях: духовая электрическая печь, солнечная печь.
Источник тепла не обязательно должен находиться в самой печи, но любая печь обязана собрать его в одно место и удерживать там, пока оно нам требуется. У нас далее речь более всего пойдет о бытовых печах горения – в них есть собственный источник тепла в виде устройства, в котором происходит термохимическая цепная реакция горения. Но будет уделено внимание и другим типам печей.
Примечание: печи горения часто называют пламенными, хотя в некоторых из них пламени днем с огнем не найдешь.
Устройство, где горит – топка – может быть как простой камерой, так и сложнейшим комплексом агрегатов. Но в любом случае в нем есть устье для притока кислорода воздуха (зев) и выход в дымоход – дымовое устье или просто устье.
Печь горения немыслима без дымохода, или дымового тракта. Он, собственно говоря – труба переменного сечения прямая или изогнутая (прямоточные печи) или с резкими изломами – дымооборотами (канальный дымоход, канальная печь) – или с камерами проточными (камера дожигания), или противоточными (колпаками, колпаковая печь).
Примечание: проточные дожигатели работают, как правило, с наддувом. Догорание дымовых газов обеспечивается их задержкой в резком расширении дымового тракта. В колпаке горячие дымовые газы поднимаются под его свод естественным образом, там, клубясь, задерживаются, догорают и отдают тепло телу печи. Вполне прогоревшие и немного остывшие, стекают вниз по бокам колпака и уходят в устье.
Классификация печей
Как ни удивительно, но общепринятой, не говоря уже о стандартизованной, классификации печей не существует. Даже технические энциклопедии более отделываются определениями общего плана, которые уж самодельщику точно не дадут ответа на вопрос: какую печь выбрать для самостоятельного изготовления, или как прототип для создания собственной конструкции? Попробуем разобраться «от печки».
Разные бытовые печи
Взгляните на рисунок. Там – лишь некоторые, и далеко не все, разновидности одних только бытовых печей. А на хозяйстве или в мелком бизнесе могут пригодиться и небольшие печи промышленных или специальных типов. Скажем, в муфельной печи можно производить поверхностную цементацию стальных деталей. В вагранке – переплавлять металлолом и металлоотходы, особенно цветных металлов и сплавов, в слитки и болванки, пригодные для обработки и/или имеющие гораздо большую рыночную стоимость.
Но самодельные промышленные и спецпечи – разговор особый. Мы пока ограничимся бытовыми. С чего начинать выбор? С назначения печи.
Для чего печь?
В старину дом строили от печки. Вокруг нее же строилась и вся жизнь; печь была сердцем дома, самой прочной и надежной его частью. Сейчас разновидностей печей разработано множество, и чаще всего целесообразнее оказывается подобрать печку для конкретной цели. В быту более всего используются печи следующего назначения:
- Отопительно-варочные.
- Отопительные.
- Варочные.
- Банные.
- Специальные кулинарные.
- Специальные технологические.
- Мобильные.
- Камины.
Первые три пункта разделены потому, что некоторые разновидности отопительных печей для кулинарных целей непригодны. Пример – популярная бубафоня на основе котла STROPUVA. Она неплохо греет дачу на дешевом низкоактивном (бросовом) топливе, но хотя бы бидончик воды подогреть на ней сложно. А таган, камелек или конфорочная кухонная плита конструируются так, чтобы большая часть тепла передавалась сковородкам с кастрюлями и не парила хозяйку, что особенно актуально летом.
Примечание: котел – печь с водогрейным контуром. Водогрейка может быть полнопоточной, когда вода сразу получает необходимое тепло и уходит в систему отопления, и с накопительным баком – аккумулятором, вода в котором нагревается понемногу и расходуется порциями в порядке пользования ГВС.
Полноценная отопительно-варочная печь, как правило, не позволяет встроить в нее полнопоточный водогрейный контур – вследствие интенсивного отбора тепла дымовые газы не догорают (термохимический недожог), КПД печи резко падает, что выражается в непомерном расходе топлива, усиливается осаждение сажи и образование нагара. Но водогрейку с накопителем тепла для ГВС, тоже как правило, можно встроить почти в любую печь.
Банные печи выделены из отопительных потому, что они призваны обеспечить специфический режим нагрева помещения. Специальные кулинарные также выделены из варочных общего назначения: их дело – готовить один или немногие виды кулинарных изделий, требующих особого режима термообработки. Это мангалы, барбекю, тандыры, касканы, помпейские и неаполитанские печи для пиццы, туннельные и купольные кулинарные печи, ямные печи для блюд по-охотничьи, печи под казан и т.д., и т.д.
К специальным технологическим, кроме упомянутых уже муфельной печи с вагранкой, относятся прежде всего весьма востребованные печи-калориферы для парников и теплиц (название одной из них – булерьян, или буллер – стало уже нарицательным), сушильные печи для деликатесных заготовок, домашние коптильни, духовки, хлебопекарные и кондитерские печи, печи для обжига разного рода самоделок, от отливок из акриловой смолы горячего отверждения до смальт для самодельной мозаики, ювелирные микропечки, и пр.
Мобильные печи предназначены для редких выездов на дачу, на пикник, на рыбалку и охоту, для туристов. Как правило, это отопительно-варочные печи малого веса (до 10 кг), микро- или маломощные (по теплу до 1,5 кВт и до 20 кВт соответственно), но нередко весьма изощренной конструкции. У самодельщиков популярны мобильные печки из консервных банок (печь Бонда), солнечные печи, печки-щепочницы, жирники, складные/ разборные камельки.
О каминах
Каминам у нас также будет уделено должное внимание: их эстетическая, нравственно-этическая, культурная и познавательная ценность неоспоримы. Но до наших дней камины дошли только как декоративный элемент. Как отопительные приборы они по современным требованиям никуда не годятся: КПД менее 40%, огромный удельный выброс парниковых газов и вредной неорганики, высокая пожарная опасность. В некоторых странах, и количество их все увеличивается, владельцы каминов облагаются отдельным весомым налогом, а возведение камина без разрешения влечет за собой большой штраф.
Чем топить?
Следующий элемент классификации печей – род топлива, на котором они работают. Здесь для самодельщика выделяются следующие моменты: его агрегатное состояние (газ, жидкость, твердое тело), водность, активность, удельная стоимость. При современном состоянии печного дела подобрать или доработать печь под наиболее доступное топливо не составит труда.
Удельной теплоты сгорания (теплотворной способности), как видим, не видим. Удивительно? Вовсе нет. Она автоматически учитывается в расчете удельной стоимости, см. «О топливе». И, по законам экономики, самое дешевое топливо чаще всего оказывается и самым экологичным. Печь с КПД 40%, топить которую оказывается дешевле, чем 90%-ю, скорее всего, и экологии навредит меньше.
Что важно самодельщикам: в печи на газе и промышленном жидком топливе (газ, дизель, бензин/керосин, мазут, пиролизное масло) с кондачка лучше не лезть. А лучше не лезть вовсе: конструкция если и заработает, то получится чрезвычайно опасной.
Из жидких топлив можно экспериментировать с малоактивными: отработанным моторным маслом (отработкой), темным печным топливом. Маломощные печи на отработке любители-печники из чего только не делают: из бочек, отрезков труб, газовых баллонов. Печь на отработке очень хорошо греет гараж или дачу; в последнем случае, добавив простейшую водогрейку с водяным теплоаккумулятором, получим котел на отработке и дачу с ГВС.
Твердое топливо дает полную свободу выражения творческо-печных способностей: от классической русской печи на дровах до банной железной печи-каменки и печки-слобожанки с КПД до 90%, к которой можно еще и пристроить накопительную водогрейку и устроить на ней варочную поверхность.
Любопытно попутно: среди печей старого времени КПД более 80% способны дать русская печь и китайский кан. К сожалению, они по конструкции намертво привязаны: первая – к русской избе; второй – к китайской фанзе.
Особенно любят любители печи на опилках, это своего рода тест на мастерство. Но вот на каменный уголь почему-то мало обращают внимания, а зря. Уголь – привычное, но капризное топливо, и создать угольную печь, держащую высокий КПД на протяжении всего времени сгорания топливной закладки, пожалуй, посложнее, чем опилочную. А котел на угле (или любом другом бросовом твердом топливе) с КПД выше 80% еще сложнее.
Способ теплоотдачи
Следующий принципиально важный элемент классификации бытовых печей горения – способ передачи тепла помещению и/или водогрейному контуру. Здесь прослеживается следующее:
- Излучение инфракрасных лучей (ИК).
- Конвекция.
- ИК совместно с конвекцией.
- ИК и конвекция по отдельности.
Примечание: режим непосредственной (контактной) теплоотдачи используется редко. Интенсивный отбор тепла всегда ухудшает догорание дымовых газов, снижает КПД и усиливает осаждение сажи. На непосредственной теплоотдаче работают промышленные котлы с мгновенным сгоранием, см. ниже.
Режим теплоотдачи определяется назначением и устройством обогреваемого помещения. К примеру, банная печь, кирпичная или металлическая, в начале топки должна сильно излучать ИК, чтобы прогреть стены, иначе потом пойдет тяжелый пар, а к началу помывки переходить на конвекцию, чтобы держать оптимальную температуру в парилке. Для чего в банных печах и предусматривают постоянную закладку из дикого камня с особыми свойствами – каменку.
Дачная, мобильная или временная печь должны быстро прогревать до комфортной температуры помещение с высокими теплопотерями, сохраняя при этом КПД. Для чего нужно раскаленную, интенсивно излучающую печь (буржуйку, скажем) окружить отстоящим от тела печи на некоторое расстояние металлическим экраном. Это даст режим ИК с конвекцией, и вокруг печки быстро возникнет комфортная зона, хотя по углам еще может держаться иней. Но ведь не баня, пар не нужен.
А вот жилые помещения, особенно спальни, нужно греть чистой конвекцией. Так обеспечивается наиболее равномерный прогрев, и при должной теплоизоляции стен тепло без топки продержится до утра, см. ниже. Преимущественно конвективные печи – кирпичные, а из них – классическая голландка. У нее отношение конвекции к ИК наибольшее. Именно поэтому голландская печь, несмотря на невысокий КПД (немного более 40%; у круглой голландки – до 65%) до сих пор в обиходе.
По способу теплоотдачи выделяются русская и шведская печи. Первая от совмещения ИК с конвекцией после протопки переходит более на ИК умеренной мощности, что оптимально для бревенчатой избы. Вторая сразу после растопки дает из открытой духовки мощный импульс ИК (волну жара), отогревающий вернувшихся домой после дня тяжелого труда на морозе и во влажном воздухе мужчин. Примерно так же работает и близкая ей по свойствам норвежская печь.
Режим теплоотдачи
Со способом теплоотдачи неразрывно связан ее режим. Он может быть:
- Равномерным.
- Периодическим.
- Импульсно-нарастающим.
- Импульсно-ослабевающим.
В первом работают практически все печи длительного горения. Они не требуют ревизии во время топки и пригодны для помещений, обитаемых в период бодрствования. Но для спален нужны печи с собственным теплонакоплнием, т.е. или массивные, кирпичные, или работающие на теплоаккумулятор большой емкости. Русские печи с лежанкой (полатями) сочетают в себе то и другое.
Причина – опасность угара во сне. После протопки такой печи золу из топки выгребают, а вьюшку закрывают. Такие печи (русские – классическая и Кузнецова – голландская, шведская и т.п.) работают в импульсно-ослабевающем режиме: протопка-остывание-протопка-остывание- и т.д. Чтобы такая печь держала КПД, она не должна при топке раскаляться снаружи, что достигается изготовлением ее из специальных материалов: топочной части из шамотного кирпича, а чела и облицовки – из керамики, т.е. красного кирпича, изразцов, глиняной штукатурки.
В периодическом режиме теплоотдачи печь равномерно нагревается и немного остывает. Этот режим требует периодической ревизии печей и подтопки по мере потребности. Когда-то этим занимались истопники, и от тех времен кое-где остались еще печи Утермарка (утермарковка), Грумм-Гржимайло и др. Характерная особенность таких печей – кирпичное тело в стальном кожухе и наличие т. наз. газовой вьюшки, не позволяющей горячим газам вылетать в трубу до отдачи тепла помещению. Вьюшка-задвижка в дымоходе закрывалась, как правило, только при длительных перерывах в топке.
Импульсно-нарастающий режим используется более в туристских и других походных печах. Печка относительно медленно нагревается, чтобы палатка прогрелась до обитаемости без отсыревания, держит тепло, пока группа не поужинает и не залезет в спальники, а затем сама довольно быстро гаснет и остывает, не требуя присмотра. Утром ее заранее разжигает дежурный по палатке.
Эти особенности нужно учитывать, выбирая маломощную компактную и мобильную печь для дачи. Режим работы туристских печей рассчитан на специфические условия быта туристов, а не дачников. Для дачи более подойдет буржуйка или пиролизная печь из бочки.
Примечание: в импульсно-спадающем режиме работают и банные печи быстрого прогрева для мелких и редко используемых или походных бань. Но в таком случае спад теплового импульса нужно замедлить, что достигается или наличием каменки в стационарной печи, или догоранием костра в самодельной походной бане из подручных материалов.
Горение и накопление тепла
Должный режим теплоотдачи обеспечивается как режимом горения в топке, так и степенью накопления тепла в теле печи или во встроенном в нее теплоаккумуляторе из теплоемкого материала. По теплонакоплению печи разделяются на приборы с немедленной теплоотдачей (примеры – та же буржуйка, печи длительного горения на тлении или газогенераторные) и с собственным теплонакоплением (все кирпичные печи и покупные с отдельным теплоаккумулятором). Режимов же горения в печи может быть несколько:
- Пламенный с мгновенным сгоранием.
- Пламенный с догоранием.
- Пламенный с дожиганием.
- Тление.
- Пиролиз.
На мгновенном пламени работают все промышленные печи и котлы на газе и жидком топливе. Оно, распыленное форсункой и смешанное с воздухом в горелке, полностью сгорает уже в факеле. Из любительских конструкций мгновенного сгорания известны попытки самостоятельно изготовить горелку Бабингтона, но для самодельщика это работа сложная и без гарантии успеха.
В пламенном режиме с догоранием работает большинство из печей на твердом топливе. Дымовые газы от его закладки, в топку глухую или с колосниковой решеткой и поддувалом, содержат еще много горючих веществ. Они-то и догорают либо под колпаком в колпаковой печи, либо в дымооборотах печи канальной, отдавая тепло и не оседая в виде сажи и нагара. Печь с догоранием должна быть кирпичной или глиняной, иначе дымовые газы остынут быстрее, чем догорят, и КПД вылетит в трубу, а сажа с нагаром останутся в дымоходе.
В режиме пламени с дожиганием работают самодельные печи на отработке или пиролизные (на самом деле – газогенераторные) котлы на твердом топливе с наддувом и простейшей автоматикой. Принципиальная разница только в способе создания тяги и ее регулирования: в первом случае тяга естественная и регулируется дроссельной заслонкой на воздухозаборнике топки (поддувале), а во втором – принудительная от наддува или дымососа. Тяга от дымососа регулируется также дросселем на подаче воздуха, а тяга от наддува – дросселем на дымоходе – шибером.
Процесс же горения практически одинаков: в печах на отработке топливо медленно горит в топливнике, затем его пары поступают в пиролизную камеру, где образуется много (большая часть) горючих газов, которые и сгорают в камере дожигания. В газогенераторных котлах пиролизные газы из пиролизной камеры поступают в камеру сгорания, а из нее дымовые газы – в дымоход. Он в таком случае для повышения КПД может быть с дымооборотами, но колпак уже смысла не имеет.
На тлении работают почти все печи медленного горения, работающие от одной закладки топлива 4-60 часов. Это, кроме известных «Индигирки», ГеККОН’а, булерьяна и многих других, уже упомянутые самодельные бубафоня и «Слобожанка». В этих печах пиролиз и сгорание его продуктов происходят одновременно в относительно тонком слое медленно оседающего твердого топлива.
Печи медленного горения довольно сложны по конструкции, долговечны только при использовании спецсталей, требуют сложного дымохода со сборником конденсата и краном для его слива. Использовать их для готовки и подогрева воды сложновато, но зато всеядны, вплоть до опилок и бытового мусора, а КПД может превышать 90%. Мощность – до 30-50 кВт, т.е. пригодны для дачи или небольшого жилого дома.
И, наконец, при настоящем пиролизе топливо разлагается до высокоактивных летучих компонент без доступа воздуха в герметичной стальной емкости – реторте – подогреваемой извне. Пиролизные газы собираются в накопитель – ресивер – и из него частично идут на подогрев реторты, а частично – в топку или, как было в войну, в карбюратор ДВС. В таком случае для нагрева реторты использовалось тепло выхлопных газов, пропускавшихся через теплообменный регистр в реторте. Нужно было только не забывать газовать на спусках и при езде накатом, чтобы давление в ресивере не упало ниже допустимого. Иначе после остановки не заведешься.
Чисто пиролизные тепловые установки имеют КПД ниже, чем газогенераторные с немедленным сгоранием, описанные выше. Причина – остывание пиролизных газов в ресивере и оседание там горючих компонент потяжелее, которые еще и приходилось периодически вычищать. Поэтому чистый (бескислородный) пиролиз в печном деле не используется, а «пиролизный» и «газогенераторный» стали синонимами.
Конструкция
Важнейшую роль в обеспечении КПД и нужного режима теплоотдачи играет конструкция печи. Главные ее элементы описаны выше по ходу изложения, нужно еще их до некоторой степени упорядочить:
- В кирпичных печах с собственным теплонакоплением канальная часть (дымообороты) должна следовать за колпаком, буде таковой имеется, по ходу дымовых газов. Иначе колпак превратится только в лишнюю работу и расход материалов: именно он обеспечивает догорание с более высоким, чем дымообороты, КПД.
- В печах медленного горения, наоборот, каналы (изогнутые ребра на гнете бубафони и т.п.) должны по ходу газов стоять перед колпаком. Здесь основной рабочий процесс происходит именно в каналах, а под колпаком догорают остатки, мало влияющие на КПД.
- В пиролизных печах на самотяге (без наддува и дымососа) пропускная способность устья пиролизной камеры должна быть выше, чем поддувала с полностью открытым дросселем. Т.е., от топки до дымохода давление должно быть ниже атмосферного, иначе печь захлебнется воздухом и хорошо еще, если погаснет, а может и взорваться.
- Теплообменный регистр контура ГВС нужно встраивать по ходу дымовых газов там, где они догорели, но еще горячие, либо сверху или сбоку на тело печи.
- В шведской печи теплообменник ГВС можно встраивать в духовку, но рассчитан он должен быть на отбор не более 10-15% тепловой мощности печи.
Существенно также, где происходит основное тепловыделение печи: вверху (печь верхнего нагрева) или снизу (печь нижнего нагрева). Печь верхнего нагрева, это, вообще говоря, нехорошо. Она будет эффективно греть конвекцией только помещение с хорошо утепленными стенами, а, чуть откроешь дверь, сразу потянет холодом. Поэтому решать вопрос о выборе типа печи в пользу колпаковой нужно осторожно: хотя по КПД они и лучшие среди кирпичных, но нагрев у них принципиально верхний. Конечно, мы не в XVIII веке живем, и в электрифицированном помещении проблему решает потолочный вентилятор.
О чугунных печах
Это не для самодельщиков: детали чугунных печей отливаются в промышленных условиях. Но соотношение теплоемкости и теплопроводности чугуна и его излучательная способность по ИК лучше, чем у кирпича и близки к оптимальным для печей. И что важно – чугун все-таки металл, и он сам по себе никогда не дает микротрещин, зачастую являющихся источниками угара. Кроме того, чугун термопрочен, и чугунные печи долговечны, буквально на поколения. Поэтому, если вы решили печь купить, а не строить самостоятельно, присмотритесь получше к чугункам.
В будущее – от печки
Ученые единодушны: если в течение 30-70 лет, по разным моделям, не снизить выброс парниковых газов в атмосферу в 2,5 раза, нам конец. Быстрый и страшный. После превышения критического порога повышения глобальной температуры начнется интенсивное испарение воды в океане, а водяные пары дают парник куда более эффективный, чем углекислый газ. За считанные годы жизнь на Земле станет невозможной, но процесс и дальше пойдет враскачку, и еще за 100-400 лет зеленая планета превратится в подобие Венеры.
Сумеют ли наука с техникой создать до того времени мощные, надежные и безопасные источники энергии – кто знает. Но вспомним: спасение утопающих – дело рук самих утопающих. Лучший способ спастись от утопления – научиться плавать. А при чем здесь печи? Очень даже при чем.
Глобальный КПД систем центрального отопления составляет около 70%, за счет потерь в магистралях. А улетучивающееся сквозь изоляцию труб тепло усугубляет влияние выбросов парниковых газов. Но КПД русской печи при интенсивной топке может превышать 80%, а бытовой пиролизной медленного горения – достигать 90% и более. Во сколько раз 10% потерь меньше 30%?
И это еще не все. Откроем, если осталась в загашниках, спецификацию на самую обычную кухонную газовую плиту. Там указана ее тепловая мощность, это окажется что-то около 10-15 кВт. А сколько энергии уходит на варку кастрюли борща? Можно точно не считать, и так все знают, что на кухне без вытяжки всегда жарко; летом – невыносимо. И это тепло вместе с продуктами сгорания газа – углекислым газом и водяным паром – уходит в атмосферу, портя экологию, как курочка по зернышку клюет. А если в доме есть отопительно-варочная печь, то отдельного тепла, и расхода топлива, на готовку нужно в разы меньше.
Вывод, подкрепленный расчетами, однозначен и парадоксален: в XXI веке массовый переход на печное отопление и стряпню способен сам по себе снизить выброс парниковых газов и низкопотенциального тепла втрое. Наука с техникой получают передышку и могут без спешки и нервов заняться термоядерным синтезом или чем-то пока еще неведомым, о чем и фантасты не писали.
По сайтам и форумам печников видно, что большинство из них если не прямо, то интуитивно осознает важность своего дела. Самодельные конструкции подвергаются весьма квалифицированному разбору, и неспроста. Сделать самому хорошую печь – работка еще та. «Весомая, грубая, зримая» конструкция требует не только хороших профессиональных навыков, но и глубины понимания физических законов, которую нечасто найдешь и у кабинетного научного работника со степенью. Мы надеемся, что материалы сайта «КлубПечников.Ру» и вам помогут сделать, или выбрать для покупки, печку экономную, хорошо греющую и не требующую особых хлопот по уходу за собой.
