Тепловые процессы в печи

В состав топлива входят углерод, водород, кислород и минеральные вещества. Кроме того, в топливе содержится вода в свободном состоянии. Даже сухие дрова включают в себя 8-10% воды (по массе). При горении углерод и водород соединяются с кислородом воздуха. Реакция происходит с выделением теплоты. В результате горения образуются газообразные и твердые продукты. Газообразные продукты горения - углекислый газ и водяной пар - вместе с азотом воздуха (который не принимает участия в горении), пройдя по каналам печи, уносятся в атмосферу. Твердые продукты - зола - выпадают в зольник через прозоры колосниковой решетки. Мельчайшие частицы золы, так называемые уносные частицы, проникают во внутренние каналы и постепенно засоряют их.
В бытовых печах нельзя достичь полного сгорания топлива. Попутно с углекислым газом СО² образуется оксид углерода СО или, как его обычно называют, угарный газ. Угарный газ ядовит, и вдыхание его человеком приводит к отравлению организма, а порой и к смерти. При неполном сгорании мельчайшие частицы углерода уносятся вместе с газами в атмосферу, образуя дым, и частично оседают на внутренних поверхностях дымоходов в виде сажи. Естественно, что при неполном сгорании топлива теплоты выделяется меньше, чем при полном.

Чтобы в топливнике происходило сгорание топлива, близкое к полному, необходимо обеспечить достаточный приток воздуха в топливник и своевременное удаление из него газообразных продуктов горения. Первое условие удовлетворяется за счет установки колосниковой решетки соответствующих размеров, второе - за счет устройства дымовой трубы достаточной высоты.

При сгорании одного и того же количества топлива разных видов выделяется различное количество теплоты. Чтобы можно было сравнивать топливо по этому качеству, принято понятие о теплоте сгорания.

Теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выраженное в кДж (килоджоулях), выделяемое при полном сгорании 1 кг данного вида топлива. Обычно имеют в виду так называемую низшую рабочую теплоту сгорания топлива, определяемую путем калори-метрирования без учета теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Низшая рабочая теплота сгорания относится к топливу, взятому в естественном состоянии, т. е. подвергнутому сушке или обогащению. Теплота сгорания некоторых видов твердого и жидкого топлива характеризуется следующими величинами, кДж/кг:

• Дрова сухие - 14000
• Дрова влажные - 11000
• Антрацит - 21000
• Бурый уголь - 10500
• Торф - 13000-16000
• Дизельное топливо - 42000
• Мазут - 38000

Теплоту сгорания газообразного топлива относят к единице объема, т. е. выражают в кДж/м³. Так, теплота сгорания природного газа составляет 36000 кДж/м³, а сжиженного газа (пропан-бутана) 75 000 кДж/м³. Влажность и зольность топлива, являющиеся его естественным негорючим балластом, понижают температуру сгорания топлива.

Поэтому для рационального использования топлива большое значение имеют его подготовка (подсушка) и правильное хранение.

Теплота, полученная при сгорании топлива, идет на разогрев массива печи, а часть уходит в атмосферу с отходящими газами. Накопленную теплоту печь отдает в помещение. Свойство печи запасать теплоту во время топки и постепенно отдавать ее в течение длительного времени называется аккумулирующей способностью печи.

Теплота, поступающая от стенок печи в помещение за единицу времени, называется теплоотдачей печи. Она зависит от количества сожженного за то же время топлива, от размеров внутренней тепловоспринимающей поверхности, толщины стенок печи и других факторов.

Теплоотдачу измеряют в единицах мощности, т.е. в Вт или кВт (1 Вт = 1 Дж/с). Выделение теплоты в отапливаемый объем может идти быстрее или медленнее в зависимости от теплопроводности материалов, из которых сооружена печь. Теплопроводностью называется способность материала передавать через свою толщу теплоту. Показателем теплопроводности является коэффициент, которым определяется количество теплоты, проходящей через стену из данного материала площадью 1 м² и толщиной 1 метр за 1 час при разности температур на двух сравниваемых поверхностях стены, равной 1^oС.

Размерность коэффициента теплопроводности - Вт/(мх^oС). Коэффициент теплопроводности материалов характеризует их свойства в отношении передачи теплоты. Некоторые материалы, например металлы, являются хорошими проводниками теплоты, а другие - асбест, войлок и т. п. - хорошими теплоизоляторами.

Так, сталь и чугун имеют близкие коэффициенты теплопроводности: 50-58 Вт/(мх^oС). Бетон на кирпичном щебне имеет коэффициент теплопроводности 1,05 Вт/(мх^oС), сухой песок- 0,6 Вт/(мx^oС), войлок - 0,006 Вт/(мх^oС).

На аккумулирующую способность печи в значительной мере влияет теплоемкость материалов, т. е. свойство материала поглощать теплоту при нагревании и отдавать ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость - количество теплоты в кДж, необходимое для нагревания 1 кг материала на 1^oС - кДж/(кгх^oС). Ниже приводится удельная теплоемкость материалов, которые используются при сооружении печей, кДж/( кгх^oС):

• Кирпичная кладка - 0,88
• Сталь строительная - 0,47
• Бетон на кирпичном щебне - 0,84
• Чугунные детали - 0,47
• Войлок - 1,88
• Сухой песок - 0,84

Показателем, определяющим экономичность печей, является коэффициент полезного действия (КПД). КПД печи определяют отношением количества теплоты, отданной печью в помещение, к количеству теплоты, полученной при сгорании топлива. Пример. За сутки в печи сожжено 20 кг сухих дров, а теплоотдача печи составила примерно 130 000 кДж. Теплота сгорания сухих дров - 14000 кДж/кг. Значит, от сжигания 20 кг топлива получено 280000 кДж. КПД равен отношению 130 000:280 000=0,47 или 47%. Высокий КПД достигается путем правильного расчета тепловоспринимающей поверхности дымооборотов, высококачественной кладкой, соблюдением правил эксплуатации.

Под высококачественной кладкой подразумевается кладка строго по чертежу с соблюдением технических условий. Даже небольшая оплошность при кладке приводит порой к серьезным последствиям.