Людство протягом століть совершенствовало конструкції опалювальних печей, в яких спочатку замислювалося спалювати доступне повсюдно тверде паливо. В цьому плані мало що змінилося, і сьогодні в ХХI столітті при наявності газу і рідкого палива ми нерідко звертаємося до традиційних опалювальним технологіям. Якось легко стає на серці, якщо в сучасному будинку крім центрального опалення є ще й гарна піч про запас. Ну, а традиційні лазні і зовсім не можуть обійтися без тепла дров'яної печі.
Для ефективного і безпечного управління дерев'яною піччю опалювача необхідно знати про тонкощі спалювання твердого палива. Багато сьогодні вже не пам'ятають, як правильно топити піч, проте експерименти в цій справі вкрай небажані. У цьому матеріалі ми постараємося максимально освітити тему горіння твердого палива.
Під твердим паливом маються на увазі дрова, кам'яне вугілля, антрацит, кокс, торф та інше. У традиційних печах все це спалюється шаровим способом на колосниках або без таких. В топку періодично завантажується паливо, а що утворюється шлак витягується. Шарової спосіб спалювання носить циклічний характер. Замкнутий цикл має декілька стадій:
- завантаження палива;
- розігрів і підсушування шару;
- виділення горючих летких речовин і їх згоряння;
- горіння твердого палива;
- Догорание залишків і охолодження шлаку (золи);
- очищення топки від шлаку.
Кожна з цих стадій має власний тепловий режим, при цьому показники при горінні палива постійно змінюються. Щоб забезпечити оптимальний тепловий режим печі, необхідно періодично підкладати нову порцію палива (шар). Момент завантаження нового шару визначається в індивідуальному порядку і залежить від багатьох факторів. Розглянемо стадії пошарового спалювання твердого палива докладніше.
Розігрів і підсушування шару супроводжується поглинанням тепла, тобто носить ендотермічний характер. Постачальником тепла є полум'я стартовою закладки з тонких сухих дров або вже що розгорівся паливо, а також гарячі стінки топливника.
Стадія займання і тління відбувається з наростаючим виділенням тепла. Надмірне надходження повітря в топку в цей період небажано, оскільки він буде охолоджувати димові гази, а, отже, довше буде нагріватися димохід. Повітряні заслінки на стадії займання і тління повинні бути лише відкриті, при цьому бажано, щоб холодне повітря подавався тільки в зону займання.
Стадія горіння потребує великих обсягах кисню повітря, тому що даний процес є ні чим іншим, як окисленням вуглеводнів. Полум'яний нагрів йде по наростаючій, і, по суті, обмежується тільки кількістю що надходить кисню. Якщо перетин димоходу недостатня, то полум'я може вибиватися з отворів подачі повітря. У такій ситуації вихід один - негайно повністю відкрити засувку димоходу і прикрити подачу повітря. Коли подача повітря зменшується, язики полум'я стають довшими і навіть можуть проникнути в димохід, що буде ознакою недожіга. Очевидно, що подається повітря в режимі полум'яного горіння необхідно розділяти на два керованих потоку. Первинний потік буде подаватися прямо в дрова, в залежності від обсягу, збільшуючи або зменшуючи швидкість виділення летких речовин; а вторинний - на факел полум'я, для регулювання повноти згоряння летучих речовин, тобто довжину язиків полум'я. Збільшення інтенсивності вторинного потоку призводить до скорочення довжини останніх аж до зникнення, але при цьому швидкість горіння дров не вповільнюється. Однак вогнева міць полум'я дров насправді не така велика, як здається. Вона здатна розігріти стінки топливника металевої печі не вище 300-400 ° С.
Горіння вугілля забезпечує нагрівання металевого паливника до червоного - це найбільш екзотермічна стадія. Ефект тепловиділення збільшується при збільшенні подачі первинного повітря (пропускання через шар). Вторинне повітря на даному етапі не потрібен. Вугілля вигорятимуть швидше, якщо подати в топку сирих чурок: відбудеться реакція газифікації вугілля водяною парою. Якщо дрова сирі, то стадія горіння і тління відбуваються практично одночасно.
Види паливних камер і процес спалювання дров
У простій пічної топці камінного типу з глухим подом процес горіння проходить з надлишком повітря, оскільки площа відкритого порталу зазвичай в 8-15 разів більше площі перетину димаря. У зв'язку тим, що великі обсяги засмоктуваного повітря не дають трубі каміна нагріватися вище 60-80 ° С, тяга в них значно менше, ніж в печах з дверцятами (250-400 ° С).
Для акценту на полум'яному горінні використовують вводи вторинного повітря в потік летючих речовин. Реалізації даного режиму спалювання дров допомагають також конструкції з колосникових гратами. Вони гарні, перш за все, тим, що забезпечують подачу кисню в будь-яку область шару. Однак велика кількість повітря, що поступає знижує температуру стінок димового каналу, а, отже, тягу і конвективну тепловіддачу. Дане явище можна мінімізувати, прикривши периферію колосникових грат подом, залишивши область продувки тільки в центрі.
Колосникові печі здатні розвивати велику потужність, однак втримати їх від розгону непросто. При коефіцієнті подачі повітря дорівнює одиниці стінки печі розігріваються до красна, і дрова починають газифікуватися по наростаючій. Полум'я стає настільки багато, що воно потрапляє в трубу і в цьому випадку потрібно збільшити подачу повітря, що в свою чергу викликає ще більшу газифікацію і розігрів. Піч заспокоїться сама по собі тільки після виходу летючих речовин з дров'яної закладки. Горіння вугілля після цього вже добре піддається регулюванню.
Важливо зрозуміти, що основною причиною розгону печі розгону є розігріті до високої температури металеві стінки, які вже не відбирають тепло дров, при цьому останні починають гріти самі себе. Не допустити розгону печі можна, якщо при протопки тримати заслінку труби відкритою тільки наполовину, а коли з топки стануть лунати характерні газові хлопки, - відкрити дверцята топливника і одночасно повністю відкрити трубу. Від різкого появи надлишку повітря стінки печі стануть остигати, а коли вони перестануть світитися, можна буде закрити дверцята топливника і повітрозабір. Димохід знову прикривається наполовину. Від цього піч плавно перейде в режим тління.
Важливий момент, що впливає на розгін печі, - порція закладаються дров. Щоб зменшити ймовірність умов розгону, дрова потрібно закладати невеликими порціями від 1 до 3 кг за один раз. При цьому, чим більше діаметр поліна, тим більшою може бути маса закладки. За допомогою регулювання подачі повітря потрібно намагатися не допустити перегрів стінок. Розгін печі небезпечний, перш за все, тим, що може привести до викривлення або прогорання металевих частин печі.
В першу чергу від розгону страждає нижня частина стінок топливника. Якщо металева піч раз від разу розганяється, то стінки можна зсередини захистити вогнетривкою цеглою на висоту 20-30 см. Помилкою буде обкладка стін зовні, тому що це призведе до ще більш сильного розігріву металу. Проблему розгону повністю знімає водяна сорочка - котел. Однак якщо говорити банних печах, то таке рішення підходить не для саун, а для хамама.
Наскрізні прогари топливника або приховані тріщини реально небезпечні при спонтанному розгоні металевої печі. Якщо при нормальному режимі горіння вони будуть працювати як повітрозабірні отвори, то в режимі розгону стануть «соплами», через які стануть вириватися назовні палаючі летючі речовини.