ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОКОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Конференция молодых ученых – 2016 УралЭНИН, ФГАОУ ВПО «УрФУ»

УДК 683.9

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОКОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

PROSPECTS FOR THE USE OF BELL-TYPE FURNACES FOR HEATING OF DECENTRALIZED CONSUMERS

Никитин Александр Дмитриевич, инженер-исследователь каф. «Атомные станции и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19. E-mail: studentshurik@gmail.com, Тел.: +7(912)2157567

Кузнецов Игорь Викторович, председатель совета некоммерческого партнерства «Развитие системы печей Кузнецова», Россия, 620143, г. Екатеринбург, ул. Победы, 51, кв 87. E-mail: igor@stove.ru. Тел.: +7(912)2880065

Щеклеин Сергей Евгеньевич, д-р. техн. наук, профессор, зав. каф. «Атомные станции и возобновляемые источники энергии», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19. E-mail: s.e.shcheklein@urfu.ru. Тел.: +7(343)375-95-08

Alexander D. Nikitin, Research engineer, Department «Nuclear power plants and renewable energy sources», Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin, 620002, Mira street, 19, Ekaterinburg, Russia. E-mail: studentshurik@gmail.com. Ph.: +7(912)2157567

Igor V. Kuznetsov, Chairman of the Board of noncommercial partnership "the Development of stove systems of Kuznetsov", 620143, Pobedy str., 51, room 87, Ekaterinburg, Russia. E-mail: igor@stove.ru. Ph.: +7(912)2880065

Sergey E. Shcheklein, Doctor Sc., Prof., Department «Nuclear power plants and renewable energy sources», Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin,620002, Mira str., 19, Ekaterinburg, Russia. E-mail: s.e.shcheklein@urfu.ru. Ph.: ++7(343)375-95-08

Аннотация. Рассматривается перспектива использования многоколпаковых печей для отопления децентрализованных потребителей. Проведен сравнительный анализ эффективности современных дровяных печей и котлов длительного горения. Представлена методика для определения эффективности печи по прямому и по обратному балансу. По результатам экспериментальных испытаний эффективность многоколпаковых печей составляет 95%, что открывает широкие возможности для их повсеместного применения.

Abstract. Discusses the prospect of using bell-type furnaces for heating of decentralized consumers. Comparative analysis of efficiency of modern wood stoves and boilers long burning is conducted. Presents a method to determine furnace efficiency by direct and reverse balance. According to the results of the experimental tests, the efficiency of bell-type furnaces is 95%, which opens up opportunities for their widespread application.

Ключевые слова: печи, печное отопление, дровяное отопление, эффективность печей, печи Кузнецова, система свободного движения газов.

Key words: furnaces, furnace heating, wood heating, efficiency of furnaces, furnace of Kuznetsov, the system of free gas movement.

Несмотря на развитие сетей газоснабжения и электроснабжения и использования, соответственно, газа и электричества для отопления децентрализованных потребителей, доля дровяного отопления остается высокой. Дровяные печи используются для отопления зданий и приготовления пищи. Кроме этого, даже при наличии газа и электричества, повсеместно применяются дровяные печи для бань.

Рис. 1. Устройство печи и направление движения газов

Однако эффективность применяемых дровяных печей является невысокой, особенно по сравнению действия (КПД) отопительных приборов составляет 100% и до 95% соответственно. Так, КПД печи-буржуйки составляет менее 50%. Кроме этого, печи типа буржуек, которые принципиально состоят из металлической топки, имеют высокую температуру в момент горения топлива и быстро остывают при его прекращении. Поэтому для поддержания температуры в помещении такую печь необходимо часто растапливать, что представляет эксплуатационное неудобство. Повышенную эффективность и удобство в эксплуатации имеют печи длительного горения. Топливо в эти печи закладывается 1-2 раза в сутки и медленно горит в течение 6-10 часов. Однако КПД таких печей также относительно невысокий, в среднем до 85%. Обзор эффективности современных дровяных печей [1-5] представлен в таблице 1.

Таблица 1

Обзор эффективности современных печей

Тип печи	КПД, %
«Ермак-Термо» (Stoker)	более 75
«Огонь-батарея»	до 87
«Профессор Бутаков»	85
Печи длительного горения типа «Булерьян»	До 80
Пиролизный котел фирмы «Гейзер»	80-90

Альтернативой существующим дровяным печам могут служить многоколпаковые печи. Устройство и принцип действия многоколпаковой печи основан на теории «свободного движения газов», предложенной в начале ХХ века В.Е. Грум-Гржимайло. Согласно этой теории, струйки горячего газа, находящегося в колпаке, то есть в некотором объеме, ограниченном со всех сторон кроме нижней плоскости, за счет более низкой плотности поднимаются вверх; а струйки холодного газа, располагающиеся у стенок колпака, где происходит теплообмен газа с окружающей средой, за счет более высокой плотности опускаются вниз, таким образом, происходит естественное разделение горячих и холодных газов. При достаточной поверхности теплообмена горячие газы не покинут колпак, пока полностью не охладятся (выходу горячих газов будет препятствовать холодный атмосферный воздух) [6]. Кроме этого, в колпаковой печи пары воды, содержащиеся в топливе, охлаждаясь, будут опускаться в нижнюю часть колпака и взаимодействовать с углеродом топлива. В результате происходит газификация и образуются монооксид углерода и водород, которые затем сжигаются. При этом реакция газификации происходит с поглощением теплоты, но эта теплота меньше теплоты, выделяющейся при сгорании водорода и монооксида углерода, то есть суммарный тепловой эффект реакций положительный [6]. В результате КПД печи, определяемый с использованием низшей рабочей теплоты сгорания, может превышать 100%.

Схема, показывающая устройство печи и направление движения газов, изображена на рис. 1. «Сухим швом» на схеме печи называется вертикальная щель, сделанная в стенке между топкой и первым колпаком. Через сухой шов в первый колпак могут выйти условно холодные газы из топки. При избыточной тяге дымовой трубы, начало которой расположено в нижней части второго колпака, через сухой шов напрямую во второй колпак проходит атмосферный воздух, то есть горячие газы из топки печи не выходят, следовательно, значительно снижаются потери теплоты с уходящими газами.

Для определения эффективности многоколпаковой печи были проведены экспериментальные исследования. КПД печи рассчитывался по прямому и по обратному балансу.

Тепловой баланс печи описывается уравнением [7]:

где Qнр – рабочая низшая теплота сгорания топлива, Q1 – теплота, переданная от печи отапливаемому помещению, Q2 – тепловые потери с уходящим газами, Q3 – тепловые потери из-за химической неполноты сгорания топлива, Q4 – тепловые потери из-за механической неполноты сгорания топлива.

Рабочая низшая теплота сгорания топлива вычисляется по формуле:

где m – масса топлива (дров), кг; q – удельная теплота сгорания дров, МДж/кг.

Удельная теплота сгорания дров рассчитывается с учетом влажности дров [7]:

где W – влажность дров, %

При проведении исследований для определения массы дров использовались электронные весы. Влажность дров измерялась влагомером Testo 606. При испытаниях вся масса дров помещалась в топку печи полностью (то есть печь топилась одной порцией, дрова не подкладывались).

Теплота, переданная от печи помещению, вычисляется отдельно для каждой стенки печи по формуле:

где F – площадь стенки печи, α – коэффициент теплоотдачи, tп – средняя за время теплоотдачи температура стенки печи, °С; tв – средняя за время теплоотдачи температура воздуха в помещении, °С; τ – время теплоотдачи, с.

Для определения температур стенок печи и температуры воздуха в помещении использовалась многоканальная измерительная система, регистрирующая 48 значений температур с периодом в одну минуту. Каждая стенка печи была разделена на 12 равных прямоугольников, в центре каждого прямоугольника устанавливалась термопара, подключенная к измерительной системе. Время теплоотдачи определялось как промежуток времени, в течение которого средняя температура стенок печи (рассчитанная по данным системы) опускалась до начального значения (до зажигания дров). Полная теплота, переданная от печи помещению, равна сумме значений для каждой стенки.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле [7]:

Коэффициент полезного действия печи по прямому балансу равен:

Тепловые потери с уходящими газами вычисляются по формуле:

где v – скорость воздуха в поддувальном проеме, S – площадь поддувального проема, μср = 29,3 кДж/(кмоль∙К) – мольная теплоемкость газов, tдг – средняя за время горения температура уходящих газов, τг – время горения. Для определения скорости воздуха использовался анемометр Актаком АТТ-1004.

Химический недожог:

где nСО – средняя за время горения объемная концентрация монооксида углерода (СО); 12,64 МДж/м3 – удельная теплота сгорания СО. Для определения концентрации СО в дымовых газах использовался газоанализатор Testo 330LL.

Механический недожог:

где mуг – масса угля, оставшегося на колоснике и в поддувале печи.

КПД печи по обратному балансу равен:

По результатам серии испытаний КПД многоколпаковой печи по прямому и по обратному балансу совпадал и составлял 90-95%. Содержание монооксида углерода (угарного газа) в дымовых газах составляло менее 0,3%, что соответствует экологическим нормам, принятым в Европе (в частности, в Австрии). Период остывания печи составлял около суток, то есть при использовании для отопления такую печь нужно топить один раз в сутки.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что эффективность многоколпаковой печи выше всех современных типов отопительных дровяных печей и практически равна эффективности газовых котлов. Это открывает широкие перспективы по использованию таких печей для отопления децентрализованных потребителей. Помимо высокой эффективности, многоколпаковые печи имеют широкую функциональность. Существуют варианты конструкции, которые могут применяться, кроме отопления, для приготовления пищи (на плите и в камере-духовке), для копчения, в качестве банных печей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Паспорт Stoker 100-C. [Электронный ресурс]. URL:http://www.ermak-termo.ru/catalog/370/836/ (дата обращения 21.09.16)
Огонь-Батарея: отопительная печь с отличными отзывами. [Электронный ресурс]. URL: http://teplowood.ru/pech-ogon-batareya.html. (дата обращения 21.09.16)
Печи отопительные профессор Бутаков. [Электронный ресурс]. URL: http://professor-butakov.ru/pb/ (дата обращения 21.09.16)
Печь длительного горения «Клондайк НВ-150-Булерьян». [Электронный ресурс]. URL: http://bullerjan.su/order/5. (дата обращения 21.09.16)
Котел отопительный на твердом топливе «Гейзер». http://kosgeyser.ru/uploads/kotel-pasport-2015.pdf. (дата обращения 21.09.16)
Способ сжигания топлива. / Кузнецов И.В. // Патент РФ № 2553748 от 05.03.2014
ГОСТ 3000-45 «Печи отопительные теплоемкие. Метод испытания