Читайте в статье
Тяга человека к комфорту привела к тому, что вместо пещер начали строить красивые утепленные дома с хорошей системой вентиляции, а на смену очагу пришли различные типы печей, более эффективно изымающие тепло из огня и отдающие его долгое время.
Одним из современных типов печей являются двухколпаковые, в основе работы которых лежит система свободного движения газа (СДГ), основы которой заложил еще Ломоносов, написавший в 1742 году диссертацию «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном».
Принцип работы колпака
В основе работы колпака (купола) лежит гидравлическая теория движения газов, согласно которой движение пламени и дыма в печах полностью идентично поведению жидкости низкой плотности в среде жидкости высокой плотности.
Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, необходимо более подробно рассмотреть, какие процессы происходят в топке печи и что выходит из нее. Любое твердое топливо само по себе не является горючим веществом, ведь сгорают вышедшие из него пиролизные газы.
Во время нагрева дров или угля начинается процесс пиролиза, то есть термического разложения, результатом которого становится выделение газов, содержащих углерод, водород и другие компоненты. Когда эти газы смешиваются с кислородом, начинается реакция окисления с выделением тепловой энергии и образованием пламени.
Часть пиролизных газов сгорает рядом с твердым топливом, поддерживая высокую температуру, другая же часть окисляется внутри топки, а третья уходит через хайло (так печники называют отверстие для выхода дымовых газов из топки) неизмененными.
Кроме того, благодаря избыточной тяге внутрь топки засасывает гораздо больше кислорода, чем необходимо для поддержания горения, из-за чего часть газов продолжает окисляться с выделением тепла даже после выхода из зоны горения.
В результате получается смесь множества газов с различной температурой, которые ведут себя в полном соответствии с гидравлической теорией.
То есть чем горячее газ, тем больше его подъемная сила и тем выше он стремится подняться, при этом холодные фракции:
- не участвующий в горении воздух (азот и прочие вещества);
- сгоревшие и уже потерявшие большую часть тепловой энергии пиролизные газы;
- охладившиеся во время движения по каналам или колпаку печи окислы и иные продукты горения
благодаря менее высокой температуре обладают меньшей подъемной силой, а значит не могут вытеснить самые горячие фракции и проходят под ними.
В канальных печах вся эта смесь газов идет по одному пути, постепенно перемешиваясь и быстро теряя температуру, из-за чего эффективность реакции окисления быстро падает, а значит смесь перестает подогревать сама себя.
В колпаковых же печах все происходит иначе. Самые горячие фракции скапливаются под верхом камеры, обеспечивая как нагрев стенок и крыши печи, так и подогрев менее горячих фракций, что активизирует окислительные процессы. Самые же холодные газы вообще не поднимаются в колпак, проходя мимо него и сразу же уходя либо во второй колпак, либо в трубу. Этот процесс называют «эффектом газовой вьюшки».
Газовая вьюшка
Главной проблемой любых канальных печей является чувствительность к открытию дверцы топливника, поэтому во время подкладывания дров холодный воздух быстро проходит через топку и, не успев нагреться, попадает в каналы, охлаждая их стенки.
Это относится и к режиму печи после окончания топки – в канальных устройствах необходимо закрывать задвижку дымохода (вьюшку) и поддувальную дверцу, чтобы полностью остановить движение воздуха внутри каналов. Если же не сделать этого, то скорость остывания печи возрастет в 2–5 раз.
В купольных отопительных приборах не закрытые вьюшка и поддувальная дверца если и ускорят остывание, то лишь на 5–10 %, Если же печь совмещена с установленным отдельно, то есть не являющимся ее частью отопительным щитком, то закрытая вьюшка и приоткрытое поддувальце снизят скорость охлаждения щитка, благодаря чему он будет греть дольше, чем при полном прекращении движения воздуха.
Это связано с невысокой температурой газов, проходящих через отопительный щиток, поэтому за время стандартной топки он не успевает нормально прогреться.
После окончания топки холодный воздух проходит через топочную камеру медленно, поэтому успевает нагреться, затем дополнительно нагревается, проходя через каналы, соединяющие колпаки. В результате его температура составляет 150–350 градусов, что вполне достаточно для подогрева прогретого отопительного щитка и поддержания температуры дымохода.
Равномерный нагрев
Одним из недостатков колпаков является неравномерный нагрев во время топки, ведь температура верхней части купола растет гораздо быстрей, чем нижней. Но даже это можно сделать преимуществом, к примеру, сложить верхнюю часть колпака в полкирпича, а нижнюю в четверть, что выровняет скорость прогрева поверхности.
Если же верх и низ купола сложены одинаково, то уже к окончанию топки температура начнет выравниваться, а примерно через час отличие нагрева нижней и верхней частей будет составлять лишь несколько градусов, то есть почти не ощутимо.
Тем не менее, неравномерность нагрева канальных печей и отопительных щитков еще больше, особенно если все каналы одного сечения, в этом случае скорость их нагрева и температура обратно пропорциональны расстоянию до топки.
Частично компенсировать этот эффект получается за счет изменения размера каналов, то есть первый делают самым большим, нередко 2 кирпича (24х24 см) или даже больше, а сечение последнего примерно полкирпича (12х12 см).
В трехканальных печах такой принцип реализовать несложно, а вот в пяти и более канальных правильно подобрать сечение каждого канала непросто, из-за чего первый канал постоянно перегрет, а последние плохо нагреваются.
Ведь при одинаковой площади в двухколпаковых устройствах появляются два очага нагрева, а значит общий прогрев происходит более равномерно и у печей или щитков с вертикальным расположением куполов к концу топки температура выравнивается.
Минимальное сопротивление потоку газов
Горячие газы, выходящие из хайла, находятся в окружении холодного атмосферного воздуха, поэтому стремятся вверх. Попав внутрь колпака, они частично отдают ему свое тепло, после чего их плотность повышается, но они все еще легче атмосферного воздуха. В результате постоянно поступающие горячие газы образуют циркуляцию, выдавливая вниз остывшие фракции, которые, попав в канал второго колпака, опять стремятся вверх, снова формируя тягу.
Этот процесс облегчает запуск холодной печи, ведь сопротивление движению газов в колпаках гораздо меньше, чем в каналах, поэтому удается обойтись без принудительного прогрева дымохода и нескольких каналов, что приходится делать в «Шведках» и «Голландках».
Минимальное сопротивление движению газов на порядок снижает вероятность образования обратной тяги во время сильного ветра или перемены погоды. Кроме того, запустить купольную печь в теплое время года гораздо проще, чем канальную, ведь даже небольшого нагрева дымовых газов хватает, чтобы продавить холодный воздух внутри колпака, поэтому дым не идет в помещение.
Образование участков с наполненным СО
Во время топки печи внутри колпака происходит постоянное движение газов, которые разделяются по плотности и температуре, это приводит к образованию отдельных скоплений угарного газа, который может выйти наружу через неплотные швы кладки. Поэтому требования к квалификации печников, ставящих купольные печи гораздо выше, чем к тем, кто делает канальные, ведь в канальных нет разделения потока на фракции, а значит не образуется очагов скопления СО.
Это порождает еще одну проблему – при сгорании топлива в режиме сильной нехватки воздуха (так называемое экономное горение), количество СО в колпаке резко возрастает, поэтому резкое открытие топочной дверцы и вброс свежего воздуха могут привести к взрыву газа.
Справедливости ради, взрывы канальных печей, особенно при обросшем сажей дымоходе, происходят гораздо чаще. Тем не менее, если печник не умеет делать швы толщиной 3–5 мм, то обязательно оштукатуривайте или закрывайте кожухом печь, чтобы избежать выброса угарного газа через щели.
Тепловой режим и образование конденсата
В топке происходит термическое разложение древесины или угля и сжигание пиролизных газов с выделением тепловой энергии, которая частично уходит в первый колпак, частично усваивается стенками топливника. По мере нагрева стенок, кирпичи и кладочный раствор в них постепенно увеличиваются в размерах за счет температурного расширения, которое у них почти одинаково, но чуть-чуть отличается.
Время стандартной топки составляет 1–2 часа, за это время стенки печи впитывают столько тепловой энергии, что тепловое расширение находится в допустимых пределах. Перетоп, то есть увеличение времени топки или закладка избыточного количества горючего, приводит к выделению избыточного тепла.
Это приводит к более сильному температурному расширению, когда даже небольшая разница в этом параметре начинает влиять на кладку печи, то есть ее рвет, между кирпичами образуются трещины, через которые потом выбрасывает угарный газ и подсасывает воздух.
После топки дымовые газы поступают в первый купол, который тоже сильно нагревается. Если печка рассчитана правильно, то даже при сильной топке и небольшом перетопе перегрева первого колпака не происходит, если же тепловой режим нарушен, то даже при стандартной топке купол вскоре порвет, ведь он усваивает больше тепловой энергии, чем способен отдать комнатам.
Второй колпак никогда не перегревается, вместо этого возникает другая, не менее серьезная проблема. В физике существует понятие «Точки росы», то есть определенной температуры, при которой водяной пар в составе воздуха или других газов переходит в жидкое состояние.
Вне зависимости от температуры проходящих через второй колпак газов, температура стенок оказывается ниже точки росы, поэтому на них оседает конденсат. Этот процесс происходит в любой печи, даже самой лучшей, поэтому проблема не в самом конденсате, а в том, что происходит с ним дальше.
В одном случае стенки нагреваются, он перестает оседать, жидкость испаряется, а выпавшие с ней водрастворимые вещества образуют на стенках налет.
В другом же случае стенки нагреваются недостаточно и происходит одно из двух:
- конденсат перестает оседать, потому что температура стенок превысила точку росы, но при этом не высыхает, а постепенно разъедает кладку;
- конденсат не только не высыхает, но продолжает оседать все время топки, из-за чего уже за 2–3 года полностью разрушает кладку.
Эти же процессы происходят в дымоходе и дымовой трубе, но из-за гораздо меньшей температуры газов их влияние намного сильней. Считается, что для нормальной работы дымохода температура проходящих через него газов должна составлять 150–250 градусов, в зависимости от степени его утепления.
Если оба колпака изымают больше тепла, дымоход и труба долго не прослужат, поэтому очень важно обеспечивать баланс генерации тепловой энергии топкой и ее усвоения всеми потребителями.
Сравнение печей Кузнецова, Подгородникова и других авторов
Несмотря на то, что все двухколпаковые печи работают по одному принципу, каждый известный автор придавал своим творениям и порядовкам к ним какие-то общие черты. К примеру, все конструкции Кузнецова оснащены сухим швом, а многие еще и подачей подогретого вторичного воздуха.
Сухой шов – это щель в топливнике, соединяющая его с выходным каналом дымохода, благодаря чему холодные фракции, попав в топку, даже не доходят до хайла, а сразу же уходят в дымоход.
Зато подача воздуха выше зоны пиролизного разложения приводит к более интенсивному горению пиролизных газов, благодаря чему выделяется больше тепловой энергии, а на стенках каналов и колпаков оседает меньше сажи. Во всяком случае, так заявляют сам Игорь Викторович Кузнецов и его ученики.
Подгородников считал лучшим отопительным прибором русскую печь, поэтому усовершенствовал ее, разработав множество моделей и порядовок теплушек. В отличие от творений Кузнецова печи Подгородникова были по силам даже печникам невысокой квалификации, а возможные изъяны кладки скрывало оштукатуривание.
Были и другие авторы, а авторство некоторых интересных и эффективных разработок установить невозможно, потому что они стали результатом многочисленных доработок разных специалистов, каждый из которых вносил что-то свое.
Если же сравнивать такие печи между собой, то единственное реальное преимущество «Кузнецовок» заключается в более красивом внешнем виде, а эффективность и надежность, в первую очередь зависят от:
- высоты и состояния дымохода;
- качества топлива:
- правильного порядка топки;
- теплопотерь дома.
Топка с двухколпаковым отопительным щитком
Не всегда есть возможность объединить топку и отопительный щиток в единую конструкцию, поэтому иногда их устанавливают раздельно, но недалеко друг от друга. В этом случае действуют те же природные законы, что и в двухкупольной печи, то есть свободное движение газов, газовая вьюшка и т. д.
Если топка окажется недостаточно мощной, то второй колпак и расположенный за ним дымоход будут слабо прогреваться, а значит неизбежно выпадение конденсата и их разрушение.
Если же мощность топки окажется избыточной, то либо ее придется использовать с меньшей, чем возможно, закладкой топлива, либо неизбежен перегрев и разрушение первого колпака и канала, соединяющего его с топкой. Эти правила применимы к топкам любого типа, включая камины.
Различные типы конструкций
Все конструкции можно разделить на следующие типы:
- теплушка;
- отопительная;
- отопительно-варочная;
- банная;
- с дополнительным камином;
- с водогрейным устройством;
- с нижним прогревом;
- с лежанкой;
- с хлебной камерой и духовкой.
«Теплушки»
«Теплушки» Подгородникова построены по мотивам традиционной русской печи, но, в отличие от оригинала, прогреваются до уровня пола. Первый колпак образован горнилом, то есть подовой топкой с арочным сводом.
Отличительная черта такой топки – огромные по сравнению с другими конструкциями размеры при одинаковой тепловой мощности. Под печи выложен с небольшим поднятием задней части, это не только улучшает сгорание дров, но и защищает каналы, по которым дым уходит во второй колпак, от падения туда углей и золы.
Второй колпак выполнен в виде каналов под верхней частью печи, расположенной на шанцах, то есть кирпичных столбиках, расставленных на определенном расстоянии друг от друга.
Поскольку четко очерченного канала, соединяющего образованное несколькими отверстиями в поду хайло и подвертку дымовой трубы, нет, а газы благодаря большому объему свободного пространства могут двигаться в любую сторону, то такой канал тоже можно считать колпаком.
Поскольку вход во второй колпак расположен сверху, то горячие по отношению к температуре второго колпака газы сначала скапливаются сверху, затем по мере остывания идут вниз, выдавливая воздух, и уходят в расположенную в самом низу подвертку дымовой трубы.
Меньшая толщина стен второго купола обеспечивает равномерный прогрев всей конструкции, а «Теплушка» Подгородникова эффективно греет всей своей поверхностью.
Еще одним преимуществом, доставшимся в наследство от русской печи, является лежанка, на которой можно спать. Но учитывая, что размеры таких отопительных устройств редко превышают 1,6 м, то спать на столь короткой площадке неудобно, если же увеличить ее длину, то получится настоящая лежанка русской печи.
Отопительные
Чаще всего отопительные печи, лишенные дополнительного функционала, делают по схеме, предложенной Подгородниковым, то есть топка и пространство над ней образуют первый купол, а над ним установлен второй.
Главными преимуществами такой схемы являются:
- простота конструкции (минимум каналов и поворотов);
- прямоугольная форма;
- минимальная ширина (2,5 кирпича с футеровкой).
Благодаря прямоугольной форме ее не только проще выкладывать, но и можно оббить листовой жестью, чтобы надежно защитить от утечек угарного газа. Небольшая ширина делает эту печку пригодной даже для маленьких домов, но вот для отопления большого дома потребуется усложнять конструкцию, или меняя размер отопительного прибора, или добавляя к нему отопительные щитки.
Главными недостатками такой конструкции являются:
- неравномерный прогрев;
- холодная нижняя часть.
Первым в этой конструкции нагревается верхний колпак, лишенный футеровки, а значит с менее толстыми стенами, но уже примерно через 1,5–2,5 часа температура верхнего и нижнего куполов уравнивается, после чего остывают они с одинаковой скоростью.
Все, что расположено ниже колосниковой решетки, то есть первые 3–6 рядов, остаются холодными. Некоторые печники пытаются устранить этот недостаток, проводя канал дымохода под зольником, но это усложняет конструкцию и увеличивает сопротивление движению газов, то есть лишает отопительный прибор главных преимуществ.
Отопительно с варочной плитой
Эта конструкция наиболее универсальна, ведь такой отопительный прибор не только обогревает дом, но и подходит для готовки еды, при этом топка и оба купола, хоть и находятся внутри общего корпуса, все же отделены друг от друга каналами. Такая конфигурация позволяет изготавливать печи разной формы, пригодные для самых различных целей.
Существует множество моделей и порядовок отопительно варочных двухколпаковых печей, но в подавляющем случае они все устроены по следующему принципу:
- Топка вынесена в сторону и оснащена чугунной плитой.
- Первый колпак расположен сбоку от топки и нередко оснащен хлебной камерой или духовкой.
- Второй колпак расположен над первым, причем может сильно выступать вбок, благодаря чему его лицевая часть полностью совпадает с лицевой частью топки.
Банные
Основным отличием банной печи (Печь Кузнецова для бани) от любой другой является «каменка» — открытая или закрытая духовка, заполненная жадеитом или другим подходящим камнем, выдерживающим воздействие воды.
Часто вместе с «каменкой» в нее встраивают котел для нагрева воды и камин, расположенный со стороны предбанника. В такой конфигурации получается универсальный отопительно-водогрейный прибор, оснащенный основной колосниковой топкой и различным дополнительным функционалом.
Купола располагают один над другим, «каменку» пристраивают сбоку первого колпака, котел рядом или над вторым, камин же выполняет чисто декоративную функцию.
С дополнительным камином
Такие печи обеспечивают больший эстетический комфорт, однако камин никогда не используют в качестве основного источника тепла. Это связано с тем, что поток входящего в него воздуха ничем не ограничен, а тяга избыточна, чтобы избежать выброса дыма в помещение, благодаря чему температура дымовых газов гораздо ниже, чем даже у подовой топки русской печи.
В большинстве случаев камин подключен к дымоходу напрямую, ведь из-за низкой температуры дым из него за 1–2 часа не прогреет колпаки, а значит в них и дымоходе образуется конденсат.
С водогрейным устройством
В качестве водогрейного устройства используют различные баки и регистры (теплообменники), включая чугунные батареи и изогнутые трубы. Если водогрейное устройство является частью системы отопления (СО), то его встраивают в первый колпак и, реже, в топку.
Расположенный в топке регистр нагревает воду 5–15 часов, в зависимости от:
- мощности топки;
- эффективности горения в ней;
- соотношения объемов воды в регистре и СО;
- теплопотерь дома.
Второй вариант менее эффективен, хоть и пользуется популярностью благодаря простоте реализации, ведь он сильно охлаждает шамотное ядро, а значит снижает температуру горения и выходящего из топки дыма. Это, в свою очередь, ведет к снижению эффективности окисления пиролизных газов (в какой-то мере можно компенсировать подачей подогретого вторичного воздуха над зоной открытого горения) и увеличенному сажеобразованию.
В любом случае, встраивание теплообменника сразу же увеличивает потребление тепла печкой, а значит повышает требования к тепловой мощности топки, то есть попытка врезать регистр или бак в обычную двухколпаковую печь приведет лишь к сокращению срока службы дымохода.
Ведь дополнительное потребление тепла приведет к выходу из второго колпака слишком охлажденного дыма, а значит он не сможет прогреть дымоход, что и станет причиной постоянного выпадения конденсата.
С нижним прогревом
В печах, у которых первый колпак является частью топливника, а второй расположен над ним, реализовать полноценный нижний прогрев невозможно, ведь нет движения дымовых газов ниже уровня топки. Если же хотя бы один колпак расположен сбоку, то выход дыма из него можно организовать на уровне пола, благодаря чему получится полноценный нижний прогрев.
Попытка совместить два вертикальных купола с третьим, образованным каналами, либо сильно усложнит конструкцию (ведь необходимо так организовать движение дымовых газов, чтобы избежать перегрева первого колпака), либо приведет к сильному образованию конденсата в дымоходе. Кроме того, придется увеличивать мощность топки, иначе она не сможет нормально прогреть все колпаки и дымоход с трубой.
С лежанкой
Хорошо прогретая лежанка не только благотворно влияет на организм, но и увеличивает общую теплоотдачу печи, что необходимо учитывать во время проектирования или переделки чужого проекта.
В отличие от лежака русской печи, который расположен поверх горнила, лежанка представляет собой один длинный U-образный канал, который увеличивает сопротивление движению газов, а значит для печей с лежанкой нужна более сильная тяга.
В зависимости от конструкции, лежанку подключают в разных местах, но чем ближе к топке, тем выше температура входящих в нее газов, а значит сильней нагрев.
С хлебной камерой и духовкой
Хлебная камера и духовка – неотъемлемые элементы большинства отопительно-варочных печей. Несмотря на то, что эти устройства выполняют схожие функции, принцип их работы сильно отличается.
В закрытом состоянии влияние этих приборов на тепловой режим печи незначительно, особенно если в них ничего не загружено, но выпечка хлеба увеличивает содержание водяного пара, а значит немного повышает точку росы, что необходимо учитывать при проектировании двухколпаковых печей.
С одним колпаком и отдельно стоящим отопительным щитком
Печи такого типа эффективны там, где нет возможности сложить вертикальную печь необходимого размера, к примеру, для обогрева дома общей площадью 50–100 м2 с тремя или четырьмя комнатами, расположенными вокруг центра.
В этом случае печь с первым колпаком и чугунной плитой будет обогревать одну или две комнаты, а отопительный щиток с колпаком, оснащенным рассечками, эффективно согреет оставшиеся комнаты, если расположить его в стене между ними.
Обсуждения на форумах
В этом разделе вы найдете ссылки на форумы, пользователи которых обсуждают различные вопросы, связанные со строительством и эксплуатацией двухколпаковых печей.
Вот эти ссылки:
- forum.stovemaster.ru.
- www.forumhouse.ru.
- www.nn.ru/community.
- www.ugolokforum.ru.
- www.saveyou.ru.
- stroiteli.info.
- dacha.wcb.ru.
Где брать порядовки?
Если вы решили сложить такую печь самостоятельно или с помощью печника, то вам потребуются порядовки, то есть порядные схемы укладки кирпича. Найти их вы можете как на форумах, ссылки на которые найдете в предыдущем разделе, так и на различных сайтах.
К примеру, на сайте Игоря Кузнецова вы найдете порядовки многих моделей, разработанных им и его командой, причем платить за них не придется, это принципиальная позиция Игоря Викторовича.
Порядовка двухколпаковой печи
Предлагаем посмотреть и при необходимости скачать порядовку двухколпаковой печи, созданную автором этой статьи на основе личного опыта.
Можно ли сложить такую печь своими руками?
Теоретически, сложить своими руками двухколпаковую печь из кирпича сможет даже начинающий печник, особенно если есть готовый дымоход с дымовой трубой и порядовки. Если же до этого никогда не ставили печи самостоятельно, то рекомендуем прочитать книгу Иосифа Самуиловича Подгородникова «Бытовые печи двухколпаковые».
Кроме того, вам поможет наша статья о самостоятельной кладке печей Кузнецова (Печь Кузнецова своими руками). В этих источниках вы найдете достаточно информации, после чего останется лишь закрепить ее сначала на каких-нибудь простых печах, а потом приступать к возведению двухкупольной конструкции.
Полезное видео
В видео ниже автор подробно рассказывает об устройстве и принципе работы двухколпаковых печей:
Заключение
Двухколпаковые печи заметно превосходят по эффективности и экономичности традиционные «голландки» и «шведки», ведь в основе их работы лежит принцип свободного движения газов.
Благодаря гибкости архитектуры таких отопительных приборов, их можно приспособить для обогрева любых домов маленького или среднего размера.
