Печи Кузнецова — работа и особенности конструкции

Печи инженера Кузнецова известны не только на родине, но и во всем мире с 60-х годов прошлого века. Причем актуальность разработок полувековой давности нисколько не стала меньше, а наоборот — печи Кузнецова все более популярны. Целью модернизации старинной конструкции русской печи при не столь значительном изменении ее внутреннего устройства было создание отопительного агрегата с более высоким КПД при экономии топлива. Возможно, это было предвидение — поскольку тенденция к удорожанию всех видов энергоресурсов, в том числе и биологического топлива, упорно говорит о том, что экономить ресурсы нам придется, и со всей серьезностью? Но полвека назад слова «энергоэффективность» и «энергонезависимость» в контексте жилого дома были не так знакомы, как сегодня.

Внешний вид колпаковой печи Кузнецова практически не отличается от моделей традиционных русских печей. Но теплотехнические параметры несколько иные — всего один пример:

• для обогрева дома, имеющего площадь до 100 м2, достаточно одной колпаковой печи Кузнецова, вырабатывающей примерно 4-5 кВт
• по справочным данным: для отопления данного объема нужен агрегат с показателем не менее 10 кВт тепловой мощности

Плюсы печей Кузнецова:

• Очень высокий КПД, применительно для печей, работающих на дровяном топливе — не менее 80%
• Топливо сгорает при высоких температурах
• Печь работает на всех видах твердого топлива — древесина, каменный и бурый уголь, брикеты и т.д.
• Сгорание топлива до минимального зольного остатка, как следствие — не только экономия топлива, но и упрощение эксплуатации, поскольку чистить печь от золы нужно намного реже
• При периодичности топливных закладок в кузнецовку всего два раза в сутки можно иметь тепловой режим в доме, выгодно отличающийся даже от режима квартир с центральным отоплением. Квартира в многоэтажке имеет более частые температурные колебания, чем частный дом, отапливающийся печью Кузнецова, дающей равномерную тепловую отдачу между топками
• Совмещение печи Кузнецова и водяного отопления дома несложно и часто применяется на практике. Внутри топки устанавливают трубчатый теплообменник и соединяют его с трубопроводом отопительного контура. Основной плюс — теплотехника и теплоотдача печи при модернизации остаются неизменны, без малейших снижений эффективности
• Конструкция кузнецовки позволяет устраивать невысокие дымоходы, причем снижения тяги при этом не происходит. Данный факт несколько удивляет тех, кто впервые знакомится с конструкцией и работой данных печей
• Особенности внутренней конструкции печей Кузнецова позволяют устанавливать агрегат практически в любых помещениях любых размеров, независимо от того, для чего помещение предназначено. И в кухнях, и в общих комнатах печь выглядит солидно и эстетично, и органично вписывается во многие интерьеры
• Самая интересная и необычная в контексте домовой печи особенность кузнецовки: можно не закрывать вьюшку. Эта важнейшая деталь печи и одно из условий безопасной повседневной эксплуатации — для печи Кузнецова нужна только в том случае, если наступает внештатная ситуация. Дело в том, что когда процесс сгорания топлива подходит к завершению и начинается остывание, тяга в каналах печи перераспределяется самопроизвольно, «автоматом»

Перераспределяется тяга по особой схеме, которая является уникальной особенностью конструкции печи. В устройство введены каналы, которые называются низовыми. По этим низовым каналам воздушные потоки, подчиняясь тяге, проходят рядом с нагретыми частями печи. При наличии огня в топливном отсеке печи этот огонь «притягивает» на себя часть воздушных потоков

По материалоемкости печи данной конструкции также имеется интересный факт: колпаковая печь Кузнецова имеет больше свободного пространства внутри, она более «пустая» по сравнению с большинством многоканальных моделей. Порядовки могут иметь вариации, но по расчетам видно, что печь Кузнецова требует меньше стройматериала для возведения, примерно в 1,4-1,5 раза на единицу вырабатываемого тепла.

Особенности устройства печи Кузнецова

Известно, что устройство дымоходных труб в виде длинных и узких канальных конструкций имеет одной из целей — экономию. Вихревой поток раскаленных дымовых газов не доберется до выхода из дымоходной трубы, пока не оставит всю свою энергию и тепло в печи. Все классические печи, имеющие сложные многооборотные дымоходные каналы (например, пятиоборотные голландские печи) имеют в той или иной степени турбуленцию потоков в своих сложных трубах. Печь часто гудит зимой, эту «музыку» слышали все, кто отапливается большими печами.

Конструкции оборотных протяженных дымоходных каналов и длинных дымовых труб работают на то, чтобы заставить дымовой газ отдать все тепло внутри печки — в теории. Но на практике часто получается не совсем так, и в итоге отклонений КПД печи дает процент меньше ожидаемого — до 55-60%. Причина одна — большая часть энергии все же улетает в атмосферу через дымоход. Выделение тепла огромно, но в канальной конструкции только его часть идет на нагрев теплоносителя в теплообменнике и на обогрев воздуха помещения. Другая часть летит в трубу, по разным схемам, но ни одна из этих схем устраивать не может:

1. Раскаленный турбулентный поток вылетает в трубу, практически не успев остынуть
2. Дымовой газ остынуть успевает, но слишком быстро — и дымовые остатки в твердых частицах просто огромны, а сажевые наслоения заставляют чистить дымоход чаще, чем планировалось

Даже непонятно, какой из вариантов менее желателен. Когда инженеры-теплотехники шутят, то можно услышать сравнение канальной конструкции печи ни много ни мало, а с ядерным реактором. А вот кузнецовки сравнивают с термоядерным, причем вся выданная топливом энергия и все тепло идут в обогреваемое помещение. Но более важно то, что тепловой энергии выделяется необходимое количество — столько, сколько нужно и не более. Такая схема возможна по причине особой организации движения дымового газа — он не крутится многократно в каналах, а подается в тело печи сразу.

Колпаковая модель печи, сравнение

Колпаковая печь как модель известна давно, и в печах кузнецова используется та же схема — внутренняя полость печи устроена таким образом, чтобы топочных газ перемещался свободно. Но одновременно организован и пиролиз, и в результате топливо сгорает до мельчайших частиц.

Если рассматривать как пример двухколпаковую печь Кузнецова, то пиролизный процесс, причем саморегулирующийся, идет сразу под первым колпаком. Схема «регулировки» такова: как только горючее в топливной камере разгорается сильнее, заполняющий колпак топочный газ двигается книзу. Сдерживаемый колпаком газ не может уйти кверху, и не просто увеличивается в объеме, а становится плотнее и давит всей массой на огонь, который при этом не может не терять часть интенсивности. В результате процесс горении стихает до определенного значения, и давление газов ослабевает, затем весь процесс повторяется.

По мнению специалистов, в идеале двухколпаковые печки должны иметь круглое сечение. Тогда вторым колпаком будет служить наружный свод, или стенка агрегата, где будут нейтрализоваться генераторные газы — угарный газ СО и окиси азота. В дымоходную трубу при этом будет выходить только водяной пар и углекислый газ. Но при этом круглое сечение печи создает некоторые проблемы при возведении и эксплуатации:

1. Чистка круглой печки — неудобна, это отмечают владельцы таких печей
2. Дверцы смонтировать сложнее, чем в плоской стенке

В результате поступают практичнее — соединяют оба колпака дымоходом, установив их друг над другом. КПД при этом будет меньше, порядка на 2-3%. при желании интегрировать печку в отопительную водяную систему дома или иметь горячую воду от печи — проточные теплообменники устанавливают под вторым колпаком, а не под первым, который дает основной выход тепловой энергии. второй свод имеет температуру нагрева всего от 300 до 400 градусов, поэтому теплообменник выбирается сравнительно попроще, в том числе и по материалу. кроме того, под вторым сводом не будет сажевых наслоений, и металл встроенного теплообменника прослужит дольше.

Модификаций печей Кузнецова разработано очень много — причем не исключительно домовые печи для обогрева жилья. Имеется целый ряд моделей для бань, печки с лежанками. Отдельное место занимает популярная линейка отопительно-варочный печей. Но по принципу внутреннего устройства — все варианты сходны.

Некоторые нюансы по возведению печи Кузнецова:

• Тело печи возводят из красного печного кирпича, марка не ниже М150
• Для топочного отдела необходим жаростойкий и огнестойкий кирпич, практически единственный вариант — шамот. Марка Ш-5; Шб-8, размеры не имеют особого значения, поскольку топка конструкционно не связана с телом печи
• Вся конструкция топки должна быть отделена от тела печи, вариант — плавающая конструкция. Причем не просто отсутствует перевязка печных и шамотных кирпичей, а оба модуля принципиально отделены — недопустимы никакие крепежи, выступы или опорные части. Раствора между шамотной кладкой и печным кирпичом также быть не должно, а только компенсационные зазоры, заполняемые жаростойким материалом (базальтовый, каолиновый или другие виды картона или ваты). Причина — слишком большая разница характеристик теплоемкости и линейного теплового расширения шамота и керамики. Усилия и деформации в зоне контакта нагретого до высоких температур шамотного и керамического кирпича настолько велики, что приводят к разрывам в кладке стен печки. Разделение и устройство по плавающему принципу эту проблему решает.

Небольшой минус колпаковых печей — при уменьшении их объема немного снижается и КПД, даже при выборе идеальной формы печки — круглой в сечении. В небольших комнатах устанавливают обычно небольшие печи, поэтому некоторое снижение эффективности неизбежно. Интересная альтернатива изготовить печь Кузнецова из металла пока не имеет достойного воплощения в жизнь. Конструкция и форма кузнецовки никак не обуславливает напряжений сдвига, и это только один довод в пользу сварного металлического корпуса печи. Стоимость материала, конечно, слега пугает, но более дешевый чугун невозможен по причине массивности и хрупкости, в том числе и некоторой тепловой хрупкости.

Модель кузнецовки из стального листа, окрашенная порошковой краской — перспектива заманчивая, но и технические проблемы имеются, и одна из них — сложности выполнения эффективной футеровки сводов небольших печек. А первый колпак кузнецовки имеет под сводом очень высокие температуры, топочные газы слишком сильно раскалены и без футеровки металл долго не выдержит. Таким образом, кирпич для моделей печей Кузнецова пока не имеет конкуренции.