Строим печь с высоким КПД: особенности, топливо, способы топки

Отопление на дровах — тяжелый труд. Дрова необходимо заготовить, высушить, принести — все это занимает время и требует сил. Поэтому рачительный хозяин всегда старается использовать энергию каждого полена максимально.

Как повысить КПД

Проектируя или видоизменяя систему дровяного отопления дома, следует помнить основное правило — все элементы должны быть соразмерны, оптимальны и составлять гармоничную систему. Огромный топливник при небольшом теплосъеме снизит уровень КПД, и наоборот, излишний теплосъем приведет к проблемам в эксплуатации.

Понятие «коэффициент полезного действия» означает, сколько выделяемой при горении энергии передается в виде тепла в отапливаемое помещение. На эту характеристику оказывает влияние ряд факторов:

• Исправность и чистота печки.
• Вид сжигаемого топлива.
• Режим сжигаемого топлива.
• Способ теплопередачи.
• Эффективность теплосьема.
• Наличие дополнительных приставок к топливу.

Исправность печки

Значительное снижение эффективности печи происходит при неправильном ее использовании. Существуют различные способы сжигания дров, и если топить неправильно, тепловая энергия будет теряться.

Отложившаяся на стенках теплообменника сажа является отличным теплоизолятором. Чтобы повысить КПД печи, нужно периодически, раз в 2 месяца, чистить все важные части от сажи.

Внимание! Сажа в каналах печи и дымоходе может загореться, не допускайте скопления отложений в системе отопления. Возгорание сажи — частая причина пожаров!

Правильное топливо для печи

Известно, что различные породы древесины дают разное количество тепла. Повысить КПД печки можно, применяя правильное топливо. Большей теплотворной способностью обладают твердые сорта древесины — дуб, акация, ясень. Кроме плотности, важной характеристикой является влажность дров. Дрова с влажностью 15% считаются оптимальными, но таких показателей можно добиться либо используя сушильную камеру, либо естественной сушкой под навесом на протяжении 2-3 лет в проветриваемых штабелях.

Оптимальные режимы горения

Режим сжигания топлива также важен. Эффективно сжигать топливо можно по-разному:

1. В режиме пиролизного разложения и дожига газов.
2. В режиме оптимального быстрого горения с достаточным доступом кислорода.
3. Послойное сгорание топлива сверху вниз.

Пиролизный режим

При сжигании топлива в пиролизном режиме, КПД печи возрастает за счет долгого времени горения. Топливник разделяется на две камеры — камера тлеющего горения, где в медленном режиме дрова разлагаются на пиролизные горючие газы, и камера дожига газов. Технически это выглядит так:

1. В топливник закладываются дрова, первоначально горение происходит в жарком режиме с подачей большого количества воздуха. Этот этап необходим, чтобы создалась жаровая подушка на дровах, а также прогрелся дымоход и вторичная камера дожига.
2. Дверца топливника закрывается. Подача воздуха ставится минимальная — чтобы хватило на тление. Дрова разлагаются на дымные пиролизные газы, которые проходят через раскаленную камеру дожига.
3. Во второй камере есть воздуховоды вторичного воздуха. Они направлены на катализатор — массивный раскаленный керамический или металлический предмет. В некоторых печах в роли катализатора выступает стенка вторичной камеры.
4. Относительно холодные пиролизные газы, проходя через катализатор, нагреваются, смешиваются с воздухом и сгорают.

Таким образом достигается полное сгорание дров. КПД установок на пиролизном горении может достигать 85 — 90 %.

Минусы такого способа сгорания дров:

1. Сложность реализации оптимального горения.
2. Невозможность переделки уже существующих топок.
3. Холодные газы в дымоходе превращаются в конденсат, который заливает дымоход.

Преимущества такого способа сгорания:

1. Длительность работы на одной закладке. В печах булерьян одной закладки достаточно, чтобы она горела 5 — 8 часов.
2. При правильной конструкции топки КПД высокий.
3. Постоянность вырабатываемой энергии.

Форсированное сгорание

Быстрое сгорание дров в топливнике с достаточным количеством воздуха будет оптимальным только при наличии крупного теплообменника, который может быстро запасти и удержать большое количество тепла. Идеально в этом случае использование в качестве теплоносителя воду, и большой утепленный бак в роли теплоаккумулятора.

Чтобы сжечь большое количество топлива в оптимальном режиме, потребуется зольная камера и колосниковая решетка. Организовать их можно в любой уже существующей топке из двух пластин металла или кирпичей. Устройство зольника в уже готовой топке уменьшит объем, но добавит КПД сжигания.

Как это работает:

1. В камеру сгорания закладывается сразу большое количество топлива, которое будет сгорать во всем массиве снизу вверх.
2. После растопки закрывается основная дверца, открывается дверца зольника, регулируется горение.
3. Пламя должно быть ровным, жарким, без рывков детонации и хлопков. Цвет пламени — соломенный с красными или голубыми прожилками.
4. В таком экспресс-режиме горение продолжается, пока не образуются угли. Дверца зольника прикрывается, топка работает в медленном режиме.

Особенности применения:

• Печь с колосниковой решеткой можно превратить в подовую, закрыв колосник листом металла.
• Обеспечить хороший теплосъем могут каналы из кирпича или массивная колпаковая конструкция. Неправильное соотношение мощной топки и небольшого теплообменника приведут к «выдуванию» значительного количества тепла на улицу.
• Нельзя применять такой режим при плохой тяге — это приведет к дымлению внутрь помещения.
• Не каждая топка может выдержать жар сгораемых сухих дров. Простой красный кирпич или тонкий металл могут прогореть или выкрошиться. По возможности, применяйте такой режим в футерованых шамотным кирпичом топках.

Постепенное сгорание топлива

Быстрого режима с послойным горением дров можно достичь, используя специальные системы подачи воздуха. Это решение реализовано в котлах длительного горения «Стропува», но вполне подойдут для переоборудования простые топки.

В топку вставляется один или несколько воздуховодов из труб. Их назначение — подать воздух к месту сгорания. Воздуховоды идут от дверцы к верху топливника. На вертикальных участках воздуховодов нарезаются щелевые отверстия. Топка работает так:

1. В топку плотно укладываются дрова, их можно пересыпать опилками или торфом. Сверху закладки разжигается растопка из бумаги и щепок. Пока не разгорится, топка работает в режиме обычной подовой печи.
2. Когда растопка разгорится, плавно закрываем проем топки уплотнительным металлическим листом. В листе имеются отверстия для воздуховодов. Лист должен прилегать плотно, чтобы исключить попадание воздуха в толщину топлива.
3. Топливо горит, используя воздух из воздуховода. Горение оптимальное, но дает небольшое количество тепла.
4. Топливо сгорает постепенно, в первую очередь выгорает вблизи воздуховода. Если топливо выгорело далеко от трубки, воздух может не дойти до очага горения. Стоит расположить равномерно несколько воздуховодов, подсоединенных к одному заборному отверстию.

Преимущество у такого способа сгорания только одно — длительный период автономной работы. Повышение КПД достигается благодаря режиму постепенного горения, даже небольшой теплообменник способен уловить тепло и передать его в комнату. Этот способ отлично подойдет для модернизации буржуек и котлов на дровах, но для кирпичных печей не подойдет. Преимуществом также будет простота переоборудования уже существующих топливников — любой человек моет спроектировать и изготовить воздуховоды и уплотнительную пластину из труб и листового металла.

Минусы этого способа сжигания дров:

• Сложность загрузки дров.
• Сложность растопки.
• Сложность контроля интенсивности пламени — открыть и «глянуть» не получится. Придется использовать косвенные методы — градусник в теплообменнике.
• Невозможность «подбросить» дровишек.

Оптимизация теплосъема

Поднять КПД системы отопления можно, сняв большое количество тепла и передав его в помещение. Сделать это можно двумя способами:

1. Инфракрасным излучением — от горящего пламени или раскаленных стенок.
2. Нагрев воздух или воду в топке.

Открытым пламенем традиционно отапливались очаги в Европе. Модный камин имеет низкий КПД, но он использует только инфракрасное излучение. Свет горящего пламени в обычных печках идет на нагрев стенок топливника. В большинстве случаев нагрев топливника не несет пользы. Использовать часть тепла, излучаемого при ярком горении, можно при прозрачной дверце большой топки. Использовать простое стекло не получится — оно может лопнуть. В дверцы вставляется жаропрочное стекло.

Эффективными показали себя печки калориферного типа. Зимний дворец, Эрмитаж, Арсенал отапливались печами Уттермарка. Сгорающее топливо нагревало трубы, в которых двигался воздух. Такое отопление позволяло получить фантастические результаты по скорости и эффективности. Проложив в топке сухотрубы, можно быстро прогреть помещение сухим теплым воздухом. В жилых помещениях можно использовать принудительный наддув, приток из улицы и увлажнение. Так можно получить возможность регулировать не только температуру, но и влажность, а также количество углекислого газа. Минус — сложность реализации в готовых кирпичных печах.

Вставив в печь контур центрального отопления, можно повысить теплосъем и эффективно передать тепло по всему зданию. Повышение КПД отопления в этом случае достигается увеличением площади теплообмена, в трубу вылетает меньше тепла.

Строим печь с высоким КПД

Рассмотрим примеры постройки печей с нуля, в которых блестяще выполнен подход к повышению КПД.

Кирпичная колпаковая печь Кузнецова

Повышение КПД этой печи осуществляется полным и жарким сгоранием топлива, вторичным сжиганием пиролизных газов, свободным движением газов, большой площади теплообмена. Большая масса кирпичей отлично накапливает и сохраняет тепло. Колпаковая конструкция в народе называется «жадной» — температура выходящих газов ниже, чем у обычных канальных печей.

Чтобы построить такую печь, нужно следовать следующим шагам:

1. Готовим проект печи. Готовые проекты есть в свободном доступе, их можно доработать под свои нужды.
2. Подготовка инструментов и материалов. Молоток каменщика, кельма, уровень, отвес, углошлифовальная машинка с алмазным диском — больше для постройки кирпичной печи не нужно. Закупаем красный печной кирпич и огнеупорный шамотный — для футеровки топки. Температура в топке может подниматься выше 900 градусов, красный кирпич вполне может выкрошиться. Дверцы лучше выбрать литые чугунные, с уплотнителями и стеклом. Глину можно накопать в ближайшем карьере, развести с песком.
3. Готовим фундамент. Для этого определяем место, выкапываем котлован и заливаем бутобетоном. Верхний уровень фундамента должен быть на 14-15 см. ниже уровня пола. Печь лучше расположить в центре дома, обязательно рассчитать прохождение дымохода через перекрытия.
4. Выкладываем первые ряды печи на цементный раствор, остальная печка кладется на глиняный. Между кирпичом и фундаментом прокладываем теплоизоляцию и гидроизоляцию. Первый ряд — самый важный, по его углам будут ориентироваться все плоскости печи.
5. Завязываем зольник и боковые каналы. Учитываем размер дверок для прочистки. Если их нет — укладываем кирпич на ребро, он будет вышибным.
6. Перекрываем зольник, укладываем первый ряд шамота. На под топки укладываем чугунный колосник, под который выбирается паз в кирпиче с зазором 1.5 см.
7. Выкладываем топку огнеупорным кирпичом. Между шамотом и красным кирпичом предусматриваем зазор. Удобно прокладывать упаковочный картон в качестве шаблона. Шамот кладется на огнеупорную мертельную глину. При кладке шамота у задней стенки делается сухой шов — кладка без раствора с зазором 1 см. Он нужен для облегчения растопки и доступа вторичного воздуха.
8. Выкладываем стенки печи, выполняем подвертки ходов. Устанавливаем дверцу на анкерные пластины или проволоку.
9. Перекрываем топку, формируем первый колпак. Контролируем уровнем все горизонтальные и вертикальные плоскости. Затираем швы изнутри влажной рукавицей.
10. Выкладываем второй колпак, перекрываем его двумя рядами кирпича — перекрышей.
11. Выводим дымоход, Лучше всего использовать прямую кирпичную насадную трубу, гильзованную и утепленную перлитом.
12. Сушим печь 2 месяца при открытых прочистных дверцах, после выводим ее на режим частыми, но мелкими протопками. Это необходимо, чтобы печь не потрескалась.
13. Для повышения КПД системы отопления, в первом колпаке можно заложить теплообменник из труб. Тепло в колпаке держится долго, поэтому теплоноситель будет долго и равномерно нагреваться внутри массивной печи.

Колпаковая печь Кузнецова — яркий представитель принципа быстрого сгорания дров, накопления тепла в массиве печи и постепенной его отдачей от нагретых стенок инфракрасным способом в помещение.

Печь «Булерьян» — лидер по КПД среди металлических печей

Металлическая печь длительного горения «Булерьян». Высокий КПД этой печи обеспечивается пиролизным режимом горения, топка этой печи состоит из сухотруб. Температура выходящих из воздушных нагревателей газов не превышает 150 — 200 градусов, воздух не пережигается и не сохнет. Если Булерьян топить неправильно, в жарком режиме, его КПД можно сравнить с любой буржуйкой.

Для постройки Булерьяна нам потребуются навыки металлообработки, умение делать герметичные сварные швы. Соответственно, потребуется сварочный аппарат (лучше полуавтомат MIG), углошлифовальная машинка, слесарный и измерительный инструмент. Для сгибания труб потребуется трубогиб, но его можно заменить большим рычагом.

• Материалы для печи найти не сложно — нужно 10 — 14 отрезков труб для каркаса, листовой металл, заготовки для дверцы и петель.
• Первым делом сваривается каркас из согнутых по шаблону труб. Получается своеобразная «грудная клетка», промежутки между «ребрами» нужно герметично заварить.
• Внутрь получившегося каркаса устанавливается полка вторичной камеры. Ее вымеряем при помощи картонного шаблона, изгибаем и привариваем. После привариваем последние ребра, прокладываются трубки вторичного воздуха.
• Глушим торцы получившегося цилиндра, из камеры дожига выводим дымоход, в переднем торце привариваем круглую дверцу. Уплотняем стык дверцы замком, заполненным асбестовым шнуром.
• Приделываем шиберы-регуляторы на дымоходе и заборнике воздуха.
• Печь готова к установке. При подключении важно помнить, что дымоход может сильно нагреваться. Медленная топка может привести к образованию конденсата, поэтому лучше применять гильзованный дымоход из нержавейки.

Печь «Булерьян» — яркий представитель калориферных печей длительного горения без теплоаккумулятора, с быстрой передачей тепла в воздух. Топить ее нужно в пиролизном режиме, с минимальной подачей воздуха.

Экспериментальные народные методы повышения КПД

Существует информация, что КПД печи можно повысить, если в зону горения топлива подавать разогретый пар. Горение воды — явление спорное, вызывает удивление. Пользователи систем сжигания воды утверждают, что отдача тепла повышается на 20%. Природа явления такова: вода подается через топку в зону сгорания топлива.

От высокой температуры происходит разложение воды и повторное ее сгорание, что добавляет температуру в топливнике, экономит газ.

Повысить КПД печи на дровах можно, изготовив приставку-топливник ракетного типа. Горение в такой топке происходит внизу, дрова установлены горизонтально и опускаются под своим весом в зону горения. Горение яркое, и возникает благодаря тяге. Пользователи таких топок заявляют о экономии дров и большом времени самостоятельного горения.

Дополнительные факторы улучшения отопления в доме

Улучшить отопление дома можно не только доработкой топки и теплосъема. Снизив теплопотери здания, можно добиться более значимых результатов. Установить качественные окна, утеплить перекрытия и стены, поставить систему рециркуляции и рекуперации воздуха порой дешевле, чем переделывать систему отопления.

При усовершенствовании отопления стоит использовать только испытанные способы улучшения сгорания топлива. При этом лучше подсчитать экономию и затраченные на переоборудование средства.