Металлические бытовые печки - по простому буржуйки - имеют давнюю историю. Они появились тогда, когда черный металл (железо, сталь, чугун) стал доступен для широкого применения.
Применялись много во всяких сложных и экстремальных ситуациях - для отопления палаток, временных и стационарных сооружений, казарм, вагонов "теплушек", жилых домов и квартир при отсутствии централизованного или штатного отопления. В великую отечественную войну блокадный Ленинград отапливался во многом буржуйками.
Даже при печном отоплении, но при недостатке топлива существовала практика отапливать только одну комнату, максимально утепленную, печкой буржуйкой. И сейчас многие "выживальщики" или просто предусмотрительные люди имеют в запас в качестве резервного источника тепла подобную металлическую печку-буржуйку того или иного типа.
Существует несколько устоявшихся стереотипов и мифов про особенности таких печек - что они низкоэффективные, "сжирают" много топлива, отапливают в основном атмосферу, греют пока в них подкидывают дрова и тому подобное.
Попробуем разобраться, подтвердить или опровергнуть эти особенности используя базовые знания и понятия по теплотехнике, теплообмену, процессам горения и особенностям используемого твердого топлива. Затем рассмотрим различные конструкции, представленные на рынке - от чугунных печек 40-х и 50-х годов и до современных.
Топливная эффективности или КПД (коэффициент полезного действия). Топливо (в нашем случае твердое) содержит в себе определенный запас энергии, который при его сжигании выделяется в виде тепла. Часть этой энергии тратится полезно, в нагрев отапливаемого помещения, воздуха, воды, а часть безвозвратно улетает в трубу. Небольшая часть энергии теряется при химическом недожоге, часть в так называемом "провале", но мы рассмотрим только наиболее значимые. Про дополнительные потери - только в привязке к определенным конструкциям.
Наиболее часто используется древесное топливо - дрова или брикеты.
Теплотворная способность сухого древесного топлива с влажностью близкой к нулю - 4400 ккал/кг. Это - так называемая "низшая" теплотворная способность - без конденсации влаги из продуктов сгорания. Она же и есть практическая, т.к. высшую реализовать сложно. Древесное топливо редко бывает влажностью, близкой к нулю. И теплотворная способность влажного топлива меньше, нежели сухого, на теплоту испарения воды. Упрощенная эмпирическая формула теплотворной способности Q=4400-W*50, где W - относительная влажность древесного топлива. Для свежеспиленной древесины (относительная влажность 50%) это дает теплотворную способность в 1900 ккал/кг. Для наших целей вполне достаточно ограничится двумя величинами - теплотворная способность сухого древесного топлива 4000 ккал/кг, сырого - 2000 ккал/кг.
Попробуем теперь оценить количество энергии, содержащейся в древесном топливе, например в одном, средней величины, сухом хвойном полене средней величины - длина 40 см, ширина 10 см, толщина 5 см. Объем 2 дм3 (2 л). Плотность сухой сосны - примерно 500 кг/м3 (500 г/дм3), масса/вес нашего полена 1 кг. Энергии содержит 4000 ккал. Много это или мало? С чем можно сравнить?
Тут стоит вспомнить само определение калории, откуда оно взялось. 1 калория это энергия (тепловая энергия или количество тепла) которое нагревает 1 грамм воды на 1 градус. Наше полено, если его энергию использовать со ста процентным КПД (что не реально) позволит нагреть 40 л воды на 100 градусов. Если ближе к реалиям и взять КПД в 50% (это очень хороший КПЛ для бытовых устройств) то 20 л воды на 100 градусов.
Оценим немного иначе. В наше время любой человек достаточно хорошо представляет, что такое электрический обогреватель, допустим, на 1,5 кВт и что он может обогреть.
Упрощенный перевод - 1 мега калория (1Мкал) примерно равняется 1 кВт*ч (мощность в 1 кВт отдаваемая в течении 1 часа). Обо всех этих величинах мощности и энергии мы поговорим позже. В нашем полене содержится 4 Мкал энергии. С учетом реального КПД - 2 Мкал. То есть 2 кВт*ч тепловой энергии. По теплу - немного больше часа работы вышеприведенного обогревателя.
Вернемся к эффективности печки. Количество энергии в топливе мы можем оценить - взвесить сжигаемые дрова, измерить или просто прикинуть влажность и примерную теплотворную способность. А вот измерить количество полезно отданного в помещение тепла от печки - это сложно. Тепло отдается лучистым теплообменом - напрямую нагревая инфракрасным излучением окружающие печку предметы, конвективным теплообменом - нагревая воздух и организуя его движение по помещению. И одну и вторую составляющую измерить сложно.
Есть косвенный способ, который дает очень неплохие результаты. Для этого нужно измерить не полезное тепло, а потери - то тепло, которое улетает в трубу. Там то же существует несколько вариантов - например измерить расход дымовых газов и их температуру - но расход измерить довольно сложно. Упрощенный вариант - просто измерить температур уходящих газов в дымовой трубе и усредненную температуру в топке печки. Для этого хорошо подходит термопара хромель алюмель, в простом варианте тестер (мультиметр) с термопарой.
Мультиметр с термопарой
Термопара при измерении в топке, конечно, пострадает (ее изоляция) но наука иногда требует жертв (шутка).
Если мы измерили температуру газов в дымовой трубе 250 градусов Ц (вполне реальная величина на практике) и средняя температура в топке 500 градусов (например, по объему пять точек - 500 градусов, 300, 400, 700 и 600 градусов) а окружающая температура 0 градусов, то оценочный КПД не выше 0,5 (50%).
До проведения измерений, только по конструктиву печки, можно оценить ее совершенство, соответствие заявленным параметрам, но для этого нужен опыт по работе с твердым топливом.
Весь процесс работы металлической печки состоит из трех основных этапов: эффективно сжечь топливо, без недожога, но с минимальным коэффициентом избытка воздуха, снять тепло с продуктов сгорания на металлическую стенку и передать тепло от металлической стенки на окружающий воздух и окружающие предметы.
Для эффективного сжигания топлива нужен колосник оптимальной площади - 0,05 м2 на 10 кВт тепловой мощности, топочный объем - 0,025 м3 на 10 кВт тепловой мощности. Для снятия тепла на металлическую стенку нужна теплообменная площадь - от 1 м2 на 10 кВт тепловой мощности и хороший коэффициент теплопередачи, который достигается скоростью и турбулентностью течения газов. Теплосъём с наружной поверхности воздухом - аналогично - площадь и коэффициент теплопередачи.
На этом вводную первую часть закончим, в следующих будем рассматривать конкретные изделия.