Строим печи колпаковой системы Кузнецова И.В. различного функционального назначения!

Устройство печей Кузнецова (популярный ролик с поправками от автора)

Довольно многим известен ролик, который указан в этой статье. Автором идеи на сколько мне известно (могу ошибаться) был участник семинаров Мирошников Роман с группой единомышленников и данный ролик стал очень популярен среди печников разного уровня. В YouTube я часто вижу в комментариях критику в сторону некоторых формулировок и решил поделиться той информацией, которой хотел поделиться с вами Кузнецов Игорь Викторович, но по неизвестным мне причинам он не смог воплотить данные исправления в реальность. Возможно автор системы потерял файл с исправлениями или забыл об этой информации и не стал больше возвращаться к вопросу, а я считаю, что такая информация не должна быть утеряна, которая не даст коверкать и портить имя Кузнецова!

Просмотрим сам ролик об устройстве печей Кузнецова (желательно одновременно слушать видео и просматривать текст ниже):

Статья создана на сайте: http://russtove.com

Поправки Кузнецова:

Трудно представить человеческую цивилизацию без огня, наверное самого древнего химического процесса, которому люди научились управлять. Благодаря сжиганию топлива в печах, отапливается жилье, готовится пища и многое другое. Обычный воздух состоит из смеси не связанных газов, 78% азота, примерно 21% кислорода и примерно 1% других газов. Основное топливо для печи – древесина. В её состав входит углерод, водород, вода и другие вещества. Если нагревать топливо, то из него выделяются водяные пары и газы. Происходит разделение его на летучую часть и твёрдый остаток. В основном – это углерод. Летучая часть топлива состоит из смеси углерода и водорода, и называется углеводородом. Процесс горения – это соединение углеводорода топлива с кислородом воздуха, сопровождающееся выделением тепла. Продуктом реакции горения являются смесь не связанных двух раскаленных газов. Это диоксид углерода (углекислота) СО2, от сгорания углерода и водяные пары Н2О от водорода. На рис. 1:22 мин. с левой стороны добавить к символам СО2, символ Н2О. Это полезные продукты реакции сгорания, источники тепла. Имеются так же балластные газы, это избыточное количество воздуха с повышенным содержанием азота, не принявшего участия в горении, а так же водяные пары топлива. 

Продуктом реакции горения являются углекислоты, водяные пары, азот, как составляющая часть воздуха и избыточное количество воздуха, не принимавшего участие в реакции – это балластные газы. 
Они участия в горении не принимают, а только нагреваются за счет теплоты сгорания углерода и водорода, забирая полезное тепло. По этой причине, это вредные газы.
Сгорание топлива может быть полным и не полным. Главным условием для полного сгорания топлива, являются достаточное количество кислорода, высокая температура в топке, хорошее перемешивание углеводорода с кислородом. При полном сгорании одного килограмма углерода топлива в результате соединения одной части углерода и двух частей кислорода, выделяется 7940 ккал/кг С, 8137 калорий тепла и образуется одна часть углекислоты безвредного газа, знакомого всем по газированной воде При сгорании и водорода 2579 ккал/нм3 Н2 тепла. На рис. 2:06 мин. в левой части (полное сгорание топлива) добавить реакцию горения водорода Н2+1/2О2=Н2О+2579 ккал/нм3 Н2 и символ воды Н2О рядом с символами углекислоты СО2.
Если кислорода не достаточно или температура в топке ниже необходимой, происходит неполное сгорание топлива и в результате соединения одной части углерода и одной части кислорода, выделяется 2428 ккал/кг С калорий тепла и образуется одна часть оксида углерода – угарного газа. Теплотворность топлива при полном и неполном сгорании топлива существенно отличается. При полном сгорании углеводорода один килограмм углерода выделяет 8137 ккал калорий, а при неполном горении – 2428 ккал. Разница почти в 3,5 раза! 
Прежде, чем рассмотреть устройства печей, дадим определение конвекции. Под конвекцией мы будем понимать процесс теплопередачи, при котором нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, отдавая тепло, наоборот остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. Любая бытовая печь состоит из топки, конвективной системы и трубы. В топке происходит сжигание топлива для аккумуляции и использования теплоты отходящих раскаленных газов используется конвективная система, определяющая характер движения газового потока. Для удаления продуктов реакции сгорания служит труба, которая является общим элементом для печей любых систем. Мы будем классифицировать бытовые печи по механизму движения газового потока. Широкое распространение в мире получили печи системы принудительного движения газов. В такой печи движение газов в топке происходит за счет тяги трубы. В печах системы ПДГ (принудительного движения газов) полезные и вредные продукты сгорания смешиваются в единый поток, имеют одинаковую температуру. Снижается температура потока газов. В связи с этим ухудшаются условия сгорания топлива. На теплообменник поступает охлажденный поток. Снижается КПД печи.
 
Конструкция топливника в такой печи не обеспечивает максимальную температуру в топке, что приводит к неполному сгоранию топлива, а значит – снижение КПД печи. 
Кроме того, горячие и остывшие потоки газа смешиваются в единый поток. За счет такого смешения снижается общая температура газового потока. Эффективность печи сильно снижается тем, что не успевшие отдать тепло газовые потоки, принудительно удаляются из конвективной системы через дымоход. В печах системы свободного движения газов топка объединена со специальным колпаком конвективной системы. Основная идея базируется на том, что струйки горячего газа в окружении холодного всплывают вверх, как более лёгкие, а струйки охлажденного газа опускаются вниз. Горячий воздух, генерируемый в топке постоянно поднимается в колпак, передавая тепло его стенкам, а немного остывший, но всё же горячий воздух, вытесняемый более горячими потоками опускается вниз и переливается во второй колпак. Движение теплового потока в такой системе происходит за счёт теплообменных процессов практически без тяги трубы. 
Принцип подобного строения печи сформулировал член-корреспондент академии наук СССР, профессор Владимир Ефимович Грум-Гржимайло. 
Решить вопрос оптимальной организации естественного движения газов в печах свободного движения газов удалось Игорю Викторовичу Кузнецову. 
Давайте рассмотрим устройство печи Кузнецова. Для создания действительно эффективной отопительной системы, не достаточно просто достичь максимального сгорания топлива. Полученное тепло нужно уметь максимально эффективно использовать. Если в традиционной печи аккумуляторами тепла, полученного при сгорании топлива являются каналы и стенки дымохода, то в печи Кузнецова для аккумулирования тепла используется колпак – закрытое сверху и с боков пространство. В такой колпак и устанавливается топка, объединенная с ним через сухой шов и отверстие в единое пространство. Топка с боков ограничена стенками, а сверху катализатором, - решёткой из шамотного кирпича. Колосник, через который в топку попадает первичный холодный воздух имеет небольшой размер. В стенках топки имеются каналы, через которые из поддувала подается подогретый вторичный воздух. Вторичный воздух поступает в топку и через специальную щель перед топочной дверкой. Эта щель служит для подачи вторичного воздуха, когда стенки топки не прогреты.
охлаждения дверцы топки и препятствует выбросу дыма в помещение при открытии дверцы. Сам колпак разделяется специальной перегородкой на собственно колпак и подъемный канал, в верхней части которого имеется выходное отверстие. При растопке печи воздух поступает в топливник, через колосник. В верхней части топливника печи Кузнецова расположена решетка из шамотных брусков. По мере нагревания топливника, подогретый вторичный воздух начинает поступать в зону горения и через боковые каналы. 
Происходит реакция горения между углеводородом и кислородом воздуха. Процессы горения горючих газов выражаются с помощью химических уравнений. Соотношения веществ вступающих в химическую реакцию выдерживаются, как и их состав. То есть в реакцию вступают углерод- С, водород-Н2, с кислородом- О2, в количестве определенном химическим уравнением. То есть горение в колпаке происходит при избытке воздуха равном единице. Другие вещества вступить в реакцию не смогут.
В результате ее возникает смесь не связанных между собой новых газов: это раскаленный диоксид и водяные пары;
 
А так же условно холодные балластные газы. Это избыточное количество воздуха с повышенным содержанием азота, не принявшего участия в горении, а так же водяные пары топлива. 
Произойдет разделение газов. В условиях колпака горячие газы поднимутся вверх, а холодные газы опустятся вниз. По аналогии смесь песка и опила разделиться в воде. Условно холодные газы опускаются вниз через зоны с низкой температурой. Такие зоны находятся вблизи поверхностей теплообмена». Это обеспечивает чистое и эффективное бездымное горение.
 
Особенность шамотного кирпича – это способность выдерживать температуру до 1300оC. Если в традиционной печи не проучаствовавшие в процессе горения газы сразу выводятся в дымоход, то в печи Кузнецова эти газы дополнительно обогащенным подогретым воздухом из боковых каналов проходят через раскаленную шамотную решетку – катализатор и практически полностью сжигаются, обеспечивая полное сгорание топлива. Благодаря такой системе дожига, пламя в печи Кузнецова имеет вытянутую факельную форму в отличие от пламени в топливнике традиционной печи, а дым над трубой печи Кузнецова из-за отсутствия частичек несгоревшего топлива практически невидим. 
В печи Кузнецова топливник и колпак объединяются в единое пространство с помощью так называемого сухого шва. Сухой шов – это вертикальная щель в задней части топливника шириной 2-3 см. Через сухой шов раскаленный газ из топливника перетекает в колпак. Именно благодаря сухому шву в самом начале образование газового потока возможно отделение балластных газов. Более холодные балластные газы не смешиваясь попадают в колпак через нижнюю часть сухого шва и прямиком уходят в подъемный канал. Горячие газы проходя через верхнюю часть сухого шва попадают в колпак и отдают ему часть своего тепла, затем остывая они опускаются вниз и вытесняются поступающими более горячими газами в подъемный канал колпака. 
Вследствие того, что балластные газы удаляются из зоны горения, а вторично подогретый воздух обеспечивает достаточное количество кислорода в топливнике, в печи Кузнецова возникает высокая температура, способствующая полному сгоранию топлива. 
Помимо углерода и кислорода в реакции горения принимают участие и водяные пары. Водяные пары топлива выделяющиеся в процессе горения топлива, будучи условно тяжелыми, опускаются в нижнюю часть топки, где не могут подняться вверх, проходят над топливом и вступают в реакцию с раскаленным углем. В результате ее возникают горючие газы, которые сгорают в топке, выделяя дополнительное тепло. Существенно снижается конденсация водяных паров в трубе, где температура газов меньше 100оC. Благодаря этому трубы в печах Кузнецова не плачут.
При полном сгорании топлива углерод вступает в реакцию с водяными парами, образуя углекислоту и водород. При полном сгорании топлива, когда углерод вступает в реакцию с водяными парами,  
Для оценки эффективности топливника печей разных систем используют коэффициент полезного действия – КПД топливника, - это отношение количества тепла, которое выделяется в топливнике во время топки, к количеству тепла, которое могло бы выделиться при полном сгорании топлива. КПД колпаковой печи Кузнецова достигает 93%. Для сравнения КПД большинства современных печей не превышает 70-80%, а от традиционной печи всего лишь 30%. 
В печи Кузнецова интенсивный обогрев помещения происходит через стенки колпака. Именно в колпаке целесообразно устанавливать теплообменники системы отопления, при этом встроенный змеевик не влияет на температуру горения в топке. В классической печи теплообменник размещается либо в топке, либо сразу за ней, а это автоматически понижает температуру горения. В результате топливо сгорает не полностью, тепла меньше, сажи больше. 
Газовый поток в подъемном канале первого колпака всё ещё имеет высокую температуру, поэтому над первым колпаком в печи Кузнецова располагается второй, по системе «двухъярусный колпак», разработанной Иосифом Самуиловичем Подгородниковым. Принцип действия тот же, - горячий газовый поток заполняет колпак, нагревая его стенки. Потоки остывшего газа из подъемного канала второго колпака удаляются через дымоход. Рассмотренные принципы построения тепло-генераторной системы Кузнецова сочетают в себе высокоэффективный способ сжигания топлива и аккумулирования тепла. Одно из главных достоинств этой системы, - это невероятная гибкость, позволяющая проектировать и строить многофункциональные печи любого размера, формы, печи с новыми свойствами и функциями. В колпак легко могут быть установлены электрические нагреватели, котел для нагревания воды, плита или духовой шкаф для приготовления пищи, духовка для нагревания камней, значительный теплоаккумулирующий массив, парогенератор, тепловая вставка для калориферного отопления и многое другое.
 
И.В. Кузнецов 16.06.2014
P.S. При копировании поправок к видеоролику просьба не забывать источник: http://russtove.com
Все цветовые поправки с выделениями были указаны под диктовку автором системы. С уважением, Евгений Марцинюк!