Коэффициент полезного действия бытовых печей для отопления загородного дома имеет принципиальное значение не только для быстрого нагрева помещения, но и для стоимости топлива, дров, угля, газа. На КПД печи влияет множество факторов от смолистости и зольности дров до типа печи, её внутреннего и внешнего строения, материалов топки и самой печи, расположения и формы её дымохода, камеры сгорания, контура вентиляции и т.п. Все эти вещи должны влиять на оптимальный выбор печи для вашего загородного дома. О выборе печки с наилучшим КПД ниже (текст будет изложен со слегка научным подходом, но без этого не обойтись, чтобы выбрать себе лучшую печь осознанно, опираясь на практические экспериментальные данные): 

vabuphetopazad1

Причины энергетических потерь при горении топлива в печи

Дрова в топливнике сгорают, как правило, не полностью. Так, некоторая часть дровяного топлива /до нескольких процентов/ остается в топке /или в зольнике/ в виде недогоревших углей. Еще несколько процентов дровяного топлива теряется в виде несгоревшего белого дыма /дегтей/ и черного дыма /сажи/. Эти энергетические потери учитываются “коэффициентом полезного действия топливника” /ГОСТ 2127-47/.

В свою очередь, тепло от сгоревших дров улавливается в печи тоже не полностью. Часть тепла “бесполезно” выбрасывается в виде горячих дымовых газов в атмосферу. Эти энергетические потери учитываются “коэффициентом полезного действия конвективной системы”. Сразу заметим, что “бесполезное тепло” все же полезно тем, что выполняет жизненно важную функцию нагрева дымовой трубы для формирования гравитационной тяги. И при чрезмерном сокращении количества “бесполезного” тепла можно получить дымление печи или даже полную неработоспособность печи ввиду нехватки воздуха на горение дров в топливнике.

Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как он измеряется

Коэффициентом полезного действия (КПД) печи называется отношение количества “полезного” тепла /то есть утилизируемого неким целевым образом/ к “общему” количеству тепла /равному фактической теплотворной способности заложенных в печь дров/. КПД печи равен произведению коэффициента полезного действия топливника и коэффициента полезного действия конвективной системы. В свою очередь коэффициент полезного действия конвективной системы может быть условно подразделен на многочисленные целевые коэффициенты полезного действия, например, в части функций отопления, горячего водоснабжения, приготовления пищи на варочной плите и т.п. /по ГОСТ 9817-95/.

Так, выделяющееся в топке тепло W0 может тратиться, в частности, на нагрев теплоемких стенок q^ /на тепловую аккумуляцию/, на нагрев проточной /фильтрующей/ каменки q2, на нагрев непроточной каменки в контейнере q3, на нагрев духовки q4 /хлебной камеры/, на нагрев варочной плиты q5, на нагрев помещения теплыми теплоемкими стенками печи qe, на нагрев помещения раскаленными нетеплоемкими стенками печи q7 и т. п. . Соответственно, мгновенные /текущие/ численные соотношения qj/W0 представляют собой составляющие КПД в части различных функций. Остатки тепла = (W0 — iqj) печью не усваиваются и выбрасываются в атмосферу. Общий мгновенный КПД системы составляет Zq/W0.

Коэффициенты полезного действия выражаются исключительно в энергетических единицах. Коэффициенты полезного действия являются чисто техническими характеристиками, относящимися строго к конкретной конструкции и конкретному приему протопки печи. Величины КПД определяются формально /по неким нормативным или договорным методикам измерений/ и могут отличаться в разных странах и в разных организациях.

Отчего зависит изменение КПД в разных типах печей

vabuphetopazad2

1. Во-первых, ясно, что мгновенные отношения qj/W0 не остаются постоянными во времени и меняются в ходе протопки печи. В результате общий мгновенный КПД печи Iqj/W0тoжe меняется во времени. Значит, чтобы охарактеризовать теплотехнические способности печи неким единым /например, суммарным за период протопки или за сутки/ значением КПД, мгновенные значения lqj/W0 приходится усреднять неким способом /возможно, не совсем корректным/.

2. Во-вторых, КПД уменьшается в ходе протопки печи ввиду нагрева внутренних стенок и сокращения тепловых потоков на теплосъемные элементы. Это означает также, что при протопке нагретой печи КПД окажется ниже, чем при протопке исходно холодной печи. Напомним, что отечественный стандарт ГОСТ 2127-47 определял КПД применительно к печам, постоянно прогретым в режиме “натопа”, а европейский стандарт EN 15250 — применительно к печам, предварительно не нагретым.

3. В-третьих, мгновенные отношения C\P\N0, а значит, и мгновенные значения КПД могут изменяться в ходе протопки не только из-за нагрева стенок, но и из-за смены стадии горения дров — перехода с пламенного режима на режим горения углей. На стадии пламенного горения дров горячие дымовые газы /и даже пламя/ могут проникать далеко в конвективную систему, а на стадии горения углей лучистое тепло поглощается преимущественно стенками топливника. Поэтому мгновенные значения КПД в части нагрева стенок конвективной системы максимальны именно в начале протопки. Это особенно важно в случае открытых каминов, где необходим быстрый прогрев дымовой трубы для создания достаточной тяги. Значит, пламенный механизм горения дров более предпочтителен для создания и поддержания тяги дымовой трубы, а механизм горения углей на поверхности древесины более предпочтителен для нагрева стенок камина.

4. В-четвертых, мгновенные отношения C|j/W0 = CljSj(Tr — Tc)/W0, где Sj -площадь теплового контакта, зависят не только от температуры стенок Тс , но и от температуры дымовых газов Тг, которые в свою очередь зависят от коэффициента избытка воздуха. Поэтому, в начале протопки мгновенные значения КПД быстро достигают больших величин, затем постепенно падают ввиду нагрева стенок /и снижения температуры дымовых газов из-за уменьшения доли пламенного тепловыделения/, а затем быстро падают из-за снижения температуры дымовых газов при увеличении коэффициента избытка воздуха на этапе догорания углей. Напомним попутно, что увеличение коэффициента избытка воздуха приводит к снижению относительной доли лучистого нагрева топливника в пользу конвективного нагрева каналов.

5. В-пятых, мгновенные отношения C|j/W0 = CljSj(Tr — Tc)/W0 зависят от величин коэффициентов теплопередачи Clj/не путать с коэффициентами избытка воздуха а, обозначаемыми той же буквой/, а значит, от характера конвекции /свободной или принудительной/ и от линейной скорости газов. Подробнее о конвекции и движении газов в разных типах печей, отличающихся по строению ниже:

Зависимость теплоотдачи и КПД от типа и строения каналов печи и образования газового потока в дымоходе

vabuphetopazad3

1. Канальная система печи. В цилиндрическом канале длиной L и диаметром d теплоотдача в стенку равна q = a(TTdL)(Tr — Тс), а тепловая мощность газового потока с теплоемкостью Ср, с плотностью рис линейной скоростью V равна W0 = Cpp(TTd2)VTr. В таком случае КПД канала равен q/W0 = A(a/d)(L/V), где = (Тг — Тс)/ТгСрр. Отсюда следует, что КПД канальной системы повышается при уменьшении диаметра канала d, при увеличении длины канала L и уменьшении линейной скорости V. То есть, КПД канальной системы повышается при увеличении времени пребывания дымовых газов в канале t = LA/.

Однако, при ламинарной принудительной конвекции коэффициент теплопередачи a зависит от линейной скорости и от длины канала = 2,3(V/L)°>5. Поэтому КПД канальной системы в этом случае равен q/W0 = A2(a/d)(L/V)°>5 и пропорционален корню квадратному из времени пребывания горячих газов в канале t°>5.

2. Полостные системы печи. Что касается полостных систем, то их можно условно рассматривать как расширение канала. Если имеются последовательные участки трубы с разными диаметрами, то по тракту течения сохраняется не линейная скорость газа, а его массовый поток G = p(TTd2)V. Тогда КПД пропорционален q/W0 = A3adL/G, то есть КПД растет с увеличением диаметра трубы /то есть в полостях/ и с уменьшением массового расхода дымовых газов.

3. Колпаковые печи. Что касается колпаковых систем, то при высокой инерционности горячий газ попросту “выплескивается” из колпака как струя фена из стакана. Необходимое время пребывания горячих газов в ламинарном колпаке ориентировочно оценивается в несколько секунд. Большое значение имеет способ ввода горячего газа в колпак. При низкой скорости ввода в холодный колпак горячий газ тотчас ламинарно всплывает вверх /как и в канальной оборотной системе/, поэтому в этом случае справедливы вышеизложенные соображения. А при большой скорости ввода горячий газ по инерции проскакивает колпак и, соударяясь со стенкой колпака, образуют турбулентную циркуляцию, что приводит к немедленному разбавлению входящего горячего газа холодными газами в колпаке и снижению величины КПД колпака.

Какую систему печи выбрать, канальную, полостную или колпаковую, какая из них наиболее оптимально подходит вашим нуждам, решать вам. Все они имеют преимущества и недостатки, критичные для разных условий эксплуатации, но, чтобы Вам было легче определиться, приводим ниже практический расчет экономичности и эффективности бытовых печей.

Определение показателя эффективной экономичности бытовой печи для загородного дома

В качестве показателя экономичности печи часто используют понятие КПД, определяемое через тепловые потери с отходящими дымовыми газами, то есть без уточнения причины “полезности” /неважно, где и как/ уловленного печью тепла. Такой показатель удобен тем, что его можно определить по температуре и химическому составу отходящих газов /см. пункт 8.3.11 по ГОСТ 9817-95/. Такой до предела формализованный КПД обычно называют “эффективностью” печи /EN 15250-2007 — “efficiency as ratio of total heat output to total heat input during the burning period”/. При этом возникает вопрос о том, сможет ли это уловленное печью /аккумулированное/ тепло поступить в какое-либо полезное целевое использование — уйдет ли оно “бесполезно” через фундамент и дымовую трубу или пойдет, например, для полезного отопления помещения в форме “медленной” /суточной/ теплоотдачи теплоемкой печи.

Так, при КПД, равном нулю, температура отходящих газов составляла бы 1980°С по ГОСТ 9817-95, но только при коэффициенте избытка воздуха, равном единице, поскольку при коэффициенте избытка воздуха, например, равном двум, температура отходящих газов уменьшилась бы до уровня, примерно вдвое более низкого. То есть, зная расчетную температуру и измеряя температуру отходящих газов и коэффициент избытка воздуха можно рассчитать теплопотери с отходящими газами, а затем и примерный общий энергетический КПД /эффективность/ печи. В частном случае типичной величины коэффициента избытка воздуха 2,5 и типичной влажности дров 30% КПД /эффективность/ печи можно оценить по формуле КПД (%) = 100 — 0,12T, где T — температура газа в дымовой трубе в °С.

 

Как развивалась моментальная фотография и фотопечать от Polaroid к Fujifilm Instax Mini. Источник: