Процессы в конвективных системах печей

Теплота на поверхностях топливника отопительных печей отчасти аккумулируется, обычно, лучистой энергией. Оставшаяся же часть тепловой энергии, в результате действия тяги, уходит в атмосферу в виде дымовых газов. Назначение конвективных поверхностей печей заключается в использовании теплоты дымовых газов.

Поверхности, которые располагаются в газоходе и обогреваются подвижным потоком разогретых дымовых газов, называются конвективными поверхностями. Горячие дымовые газы, вследствие соприкосновения с поверхностями каналов, передают своё тепло надтопочной части.

Основная масса печей имеет газоход в виде единого газового тракта, который формируется из разветвленных систем каналов, выложенных из кирпича. Газовый тракт проходит от дымоотводящего проема топливника до места крепления тела печи к дымоотводящей трубе. Конвективная система представляет собой комплекс дымооборотов, включающий сеть вертикальных и горизонтальных каналов, которые соединены между собой и исполняют роль аккумуляторов теплоты отводимых газов. Место расположения конвективной системы носит название конвективной зоны.

Для оптимального использования тепловой энергии дымовых газов дымообороты обязаны накапливать тепло газов так, чтобы на выходе в атмосферу температура их была немного выше температуры начала конденсации газов, а также превышала уровень, за которым начинается обильное отложение сажи на стенках каналов. Именно обеспечения таких условий стараются достичь при конструировании конвективных зон.

Чтобы извлечь максимальную пользу от теплоты отводимых газов, необходимо наращивать площади поверхностей, воспринимающих тепло в конвективных зонах печей. Увеличение площади достигается за счёт повышения количества каналов и их длины. Осуществление отбора теплоты поверхностями конвективной системы от дымовых газов называется процессом теплообмена.

Характер движения газов оказывает значительное влияние на теплообменный процесс. Движение дымовых газов делят на ламинарное и турбулентное.

Отличительной особенностью ламинарного движения является слоистое перемещение потока, т.е. слои газов не перемешиваются. Общий газовый поток включает в себя большое количество струек газа, которые перемещаются параллельно поверхности канала. При ламинарном режиме обмен теплоты между каждой отдельной струйкой и стенкой поверхности кавитации происходит в основном за счет теплопроводности. Но, так как воздух является плохим проводником тепла, при ламинарном течении газов активность теплообмена невысока. Как следствие, можно сформулировать первое правило для создания конвективных печных систем: скорость передвижения газов должна быть таковой, чтобы достигалась турбулентность потока, которая содействует активному поглощению теплоты поверхностью газоотводящих каналов.

Что же касается турбулентного режима, то при таком движении происходит активное перемешивание топочных газов, что приводит к возникновению завихрений, в результате чего теплообмен происходит намного эффективнее, в отличие от теплообмена ламинарного режима.

Возникновение турбулентного режима характеризуется такими факторами, как: сечение и шероховатость поверхности канала, скорость газа, содержание в газе твердых частиц.

Размеры сечения канала оказывают прямое воздействие на скорость передвижения газа при его неизменном объеме. Иными словами: скорость движения потока тем больше, чем меньше сечение канала. Но, в таком случае, растёт сопротивление движению газа со стороны газохода. Длина конвективной системы, участки, на которых меняется направление движения потока, и изменения сечений каналов также оказывают влияние на сопротивление.

Сопротивления движению потока газа разделяют на линейные (возникают на прямых отрезках газохода) и местные (препятствия, которые возмущают поток). Чтобы свести к минимуму линейные сопротивления, тепловоспринимающие поверхности необходимо скрупулезно выравнивать, а толщина швов кладки должна быть не более 5 мм. Очертания всех местных сопротивлений, будь то повороты, сужения или расширения должны быть плавными. Ведь резкая смена скорости потока ведёт к образованию из дымовых газов сажи, что, в свою очередь, приводит к росту сопротивления газового канала.

После определения характера течения газов в конвективной системе, выявляют пригодность величин поверхностей теплоотдачи и теплопоглощения к эксплуатационному режиму печи. При недостаточной площади теплопоглощающей поверхности, печь не достигнет нужной теплопроизводительности, а поверхность газового тракта будет быстро разрушаться в результате перегрева. Если площадь тепловоспринимающей поверхности слишком высока, уходящие газы могут значительно остыть, что приведёт к образованию конденсата. Как следствие – резкое снижение тяги, попадание дыма в помещение и понижение прочности кладки. На основе сказанного можно сформулировать второе правило для создания конвективных печных систем: теплоотдающая и теплопоглощающая поверхности должны быть одинаковых площадей.

И, в заключении, третье правило для создания конвективных печных систем: длина газового тракта определяется в соответствии сопротивлению газового потока, а также температуры конденсации паров, присутствующих в газе.