Печь Франклина: История и устройство

Введение

Тип камина

Печь Франклина – это камин с металлической футеровкой, названный в честь Бенджамина Франклина, который изобрел её в 1742 году. Она имела полый дефлектор в задней части (для передачи большего количества тепла от огня в воздух помещения) и использовала принцип "обратного сифона" для направления горячих дымов вокруг дефлектора. Печь была разработана для обеспечения большего тепла и меньшего количества дыма по сравнению с обычным открытым камином, но не пользовалась большим спросом до тех пор, пока не была усовершенствована Дэвидом Риттенхаусом. Она также известна как "циркуляционная печь" или "пенсильванская печь".

История

Двумя отличительными особенностями печи Франклина были полая преграда (металлическая панель, направляющая поток дымовых газов) и дымоход, работавший как перевернутый сифон.

Баффлеры в каминах

Баффлеры использовались для увеличения длины пути, который воздух в комнате или дым от огня должны были проходить через систему воздуховодов, тем самым позволяя передавать больше тепла воздуху в комнате или от дыма. В частности, воздуховоды можно было устанавливать в кирпичной кладке вокруг очага: холодный воздух из комнаты поступал в нижнюю часть воздуховода, нагревался горячими стенками воздуховода, поднимался и, наконец, выходил из верхней части воздуховода, возвращаясь в комнату. Чем длиннее был путь, проходимый воздухом, тем больше тепла передавалось от огня воздуху. Аналогично, чем длиннее был воздуховод, через который дым от огня должен был пройти, прежде чем достичь дымохода, тем больше тепла передавалось от дыма воздуху в комнате. Использование баффлеров для извлечения большего количества тепла из огня и его дыма не было новым. В 1618 году Франц Кесслер (ок. 1580–1650) из Франкфурта-на-Майне, Германия, опубликовал книгу «Holzsparkunst» (Искусство экономии дров), в которой была представлена печь, в которой дым от огня вынужден был извиваться через пять камер, расположенных одна над другой, прежде чем попасть в дымоход. Кесслер также описал закрытую отопительную печь, которая, как и печь Франклина, имела баффлер непосредственно за огнем, тем самым увеличивая длину пути, который дым от огня должен был пройти, прежде чем достичь дымохода. В 1624 году французский врач Луи Савот (1579–1640) описал камин, который он построил в Лувре. Воздуховоды проходили под огнем, за ним и над ним в очаге. Холодный воздух в комнате поступал в нижнее отверстие воздуховода, нагревался, поднимался и возвращался в комнату через верхнее отверстие воздуховода. В 1713 году француз Никола Гогер (ок. 1680–1730) опубликовал книгу «La Mécanique du Feu» (Механика огня), в которой представил новые конструкции каминов. Гогер окружил очаг полыми пространствами. Внутри этих пространств были установлены баффлеры. Холодный воздух из комнаты поступал в эти пространства через нижние отверстия, нагревался, огибая баффлеры, и возвращался в комнату через верхние отверстия. В печи Франклина полый баффлер был расположен внутри и в задней части печи. Баффлер представлял собой широкую, но тонкую чугунную коробку, открытую внизу для воздуха в комнате и имеющую два отверстия по бокам, в верхней части. Воздух поступал в нижнюю часть коробки и нагревался как огнем, так и дымом, обтекающим переднюю и заднюю стороны коробки. Затем нагретый воздух поднимался внутри баффлера и выходил через отверстия в его боковых стенках. Таким образом, баффлер Франклина выполнял как минимум две функции: как и печь Кесслера, он увеличивал длину пути, который дым от огня должен был пройти, прежде чем достичь дымохода, позволяя извлекать больше тепла из дыма; и, как и камин Гогера, он размещал воздуховод рядом с огнем, который нагревал воздух в комнате посредством конвекции.

Baffles were used to lengthen the path that either a room's air or a fire's fumes had to flow through ductwork, thereby allowing more heat to be transferred to the room's air temperatures or from the fire's fumes. Specifically, ducts could be installed within the brickwork around a hearth; cool room air would then enter the lower end of a duct, be heated by the hot walls of the duct, rise, and finally exit from the duct's upper end, and return to the room. The longer the path through which the air flowed, the more heat would be transferred from the fire to the air. Similarly, the longer the duct through which a fire's fumes had to flow before reaching the chimney, the more heat would be transferred from the fumes to the room's air. The use of baffles to extract more heat from a fire and its fumes was not new. In 1618, Franz Kessler (c. 1580–1650) of Frankfurt am Main, Germany published Holzsparkunst (The Art of Saving Wood), featuring a stove in which the fumes from a fire were forced to snake through five chambers, one above the other, before entering the chimney. Kessler also documented an enclosed heating stove that, like Franklin's stove, had a baffle directly behind the fire, thereby lengthening the path that the fire's fumes had to travel before reaching the chimney. In 1624, a French physician, Louis Savot (1579–1640), described a fireplace that he had built in the Louvre. Ducts passed under, behind, and above the fire in the hearth. Cool air in the room entered the lower opening of a duct, was warmed, rose, and returned to the room through the duct's upper opening. In 1713, Frenchman Nicolas Gauger (c. 1680–1730) published a book, La Mécanique du Feu (The Mechanics of Fire), in which he presented novel designs for fireplaces. Gauger surrounded the hearth with hollow spaces. Inside these spaces were baffles. Cool room air entered the spaces through lower openings, was warmed as it snaked around the baffles in the spaces, and returned to the room through upper openings. In Franklin's stove, a hollow baffle was positioned inside and near the rear of the stove. The baffle was a wide but thin cast iron box, which was open to the room's air at its bottom and two holes on its sides, near its top. Air entered the bottom of the box and was heated both by the fire and by the fumes flowing over the front and back of the box. The warmed air then rose inside the baffle and exited through the holes in the baffle's sides. Franklin's baffle thus performed at least two functions: like Kessler's heating stove, it lengthened the path that the fire's fumes had to follow before reaching the chimney, allowing more heat to be extracted from the fumes; and like Gauger's fireplace, it placed a duct near the fire, which heated the room's air via convection.

Обратные сифоны в каминах

Некоторые ранние экспериментаторы полагали, что если огонь в камине соединить с дымоходом U-образным каналом, то горячие газы, поднимающиеся по дымоходу, будут вытягивать дым и пары огня сначала вниз по одной ножке U, а затем вверх по другой ножке и в дымоход. Франклин назвал это «воздушным сифоном» или «обратным сифоном». Этот перевернутый сифон использовался для того, чтобы направить горячие пары огня вверх по передней и вниз по задней части полой перегородки печи Франклина, чтобы извлечь из паров максимальное количество тепла. Самым ранним известным примером такого перевернутого сифона был камин Франца Кесслера 1618 года. Огонь горел в керамическом ящике. Внутри ящика и за огнем находилась перегородка. Перегородка заставляла дым от огня опускаться за перегородку, прежде чем выйти в дымоход. Целью было извлечь как можно больше тепла из дыма, увеличив путь, который дым должен был пройти до дымохода. Камин принца Руперта (1619–1682) 1678 года также включал перевернутый сифон. Руперт установил подвесную железную дверцу между колосниковой решеткой и дымоходом. Чтобы дым и продукты горения могли выйти через дымоход, они сначала должны были опуститься ниже края дверцы, а затем подняться вверх по дымоходу. Другим ранним примером перевернутого сифона была печь, выставленная в 1686 году на ежегодной ярмарке Foire Saint Germain в Париже. Ее изобретатель, Андре Далем (1643–1727), назвал ее бездымной печью (furnus acapnos). Печь состояла из железной чаши, в которой сжигалось топливо. От дна чаши отходила труба, поднимающаяся вверх в дымоход. Сразу после розжига огня в чаше горячий воздух начинал подниматься по трубе, а затем вверх по дымоходу, создавая нисходящий поток в чаше, который затягивал огонь и его пары вниз в чашу. Как только тяга устанавливалась, она поддерживалась самостоятельно, пока горел огонь. Печь Далема могла сжигать дрова, ладан и даже «уголь, вымоченный в кошачьей моче», при этом выделяя очень мало дыма или запаха. Эти результаты показали, что огонь можно использовать в помещении, не задымляя весь дом. Печь Франклина имела перегородку непосредственно за огнем, которая заставляла дым от огня течь вниз, прежде чем он достиг дымохода. Для этого требовался U-образный канал в полу за печью, чтобы дым мог поступать из печи в дымоход. Таким образом, печь Франклина включала в себя перевернутый сифон.

Some early experimenters reasoned that if a fire in a fireplace were connected by a U shaped duct to the chimney, the hot gases ascending through the chimney would draw the fire's smoke and fumes first downwards through one leg of the U and then upwards through the other leg and the chimney. This was what Franklin called an "aerial syphon" or "syphon revers'd". This inverted siphon was used to draw the fire's hot fumes up the front and down the back of the Franklin stove's hollow baffle, in order to extract as much heat as possible from the fumes. The earliest known example of such an inverted siphon was the 1618 fireplace of Franz Kessler. The fire burned in a ceramic box. Inside the box and behind the fire was a baffle. The baffle forced the fire's fumes to descend behind the baffle before exiting to the chimney. The intention was to extract as much heat as possible from the fumes by extending the path that the fumes had to follow before they reached the chimney. The 1678 fireplace of Prince Rupert (1619–1682) also included an inverted siphon. Rupert placed a hanging iron door between the fire grate and the chimney. In order to exit through the chimney, the fire's fumes and smoke first had to descend below the edge of the door before rising through the chimney. Another early example of an inverted siphon was a stove that was exhibited in 1686 at the annual Foire Saint Germain, Paris. Its inventor, André Dalesme (1643–1727), called it a smokeless stove (furnus acapnos). The stove consisted of an iron bowl in which the fuel was burned. A pipe extended from the bowl's bottom and then upwards into a chimney. Shortly after starting a fire in the bowl, hot air would begin to rise through the pipe and then up the chimney; this created a downward draft through the bowl, which drew the fire and its fumes down into the bowl. Once the draft was initiated, it was self sustaining as long as the fire burned. Dalesme's stove could burn wood, incense, and even "coal steept in cats piss" yet produce very little smoke or smell. These results showed that fires could be used inside a room, without filling the house with smoke. Franklin's stove contained a baffle directly behind the fire, which forced the fire's fumes to flow downward before they reached the chimney. This required a U shaped duct in the floor behind the stove, so that the fumes could flow from the stove into the chimney. Thus Franklin's stove incorporated an inverted siphon.

Исследования и разработки Франклина

Книга Гогера об его инновационных конструкциях каминов была переведена на английский язык как Fires Improv'd: Being a New Method of Building Chimneys, So as to Prevent their Smoaking (1715) французским иммигрантом в Англию, Жаном Теофилем Дезагулье (1683–1744). В послесловии к книге Дезагулье «Курс экспериментальной философии» (1744) Дезагулье вновь кратко описал камины Гогера и упомянул свою собственную работу в этой области. Франклин прочитал обе книги Дезагулье и разработал собственные проекты печей, способных производить больше тепла с меньшим количеством дыма. В 1742 году Франклин завершил свой первый проект, в котором были реализованы новые научные концепции о тепле, разработанные голландским врачом Германом Боерхааве (1668–1738), сторонником идей Исаака Ньютона. Он закупал оборудование у местного пионера чугунного производства Уильяма Брэнсона из Рединга, штат Пенсильвания. Франклин хотел, чтобы его печи были доступны каждому, радуясь народному признанию его мастерства и отказываясь от патентов. Это сочетание обстоятельств привело к тому, что первые печи Франклина были изготовлены на литейном заводе Reading, принадлежавшем местной семье Ван Лир. Два года спустя Франклин написал брошюру, описывающую его конструкцию и принцип ее работы, чтобы продать свой продукт. Примерно в это же время заместитель губернатора Пенсильвании Джордж Томас предложил Франклину запатентовать его конструкцию, но Франклин так и не запатентовал ни одну из своих разработок и изобретений. Он считал, что «поскольку мы получаем большие преимущества от изобретений других, мы должны быть рады возможности служить другим своими изобретениями, и делать это свободно и щедро». В результате многие другие смогли использовать конструкцию Франклина и усовершенствовать ее. Хотя его печь предназначалась для двойной цели – приготовления пищи и обогрева помещения, со временем и появлением новых конструкций печей, основное применение печи Франклина стало заключаться в обогреве помещения. Многие другие усовершенствовали конструкцию печи Франклина, но и по сей день большинство американских каминов имеют коробчатую форму, похожую на печь Франклина. Исключением является камин Рамфорда, разработанный Бенджамином Томпсоном.

Gauger's book on his innovative fireplace designs was translated into English – Fires Improv'd: Being a New Method of Building Chimneys, So as to Prevent their Smoaking (1715) – by a French immigrant to England, Jean Théophile Desaguliers (1683–1744). In a postscript to Desaguliers' book A Course in Experimental Philosophy (1744), Desaguliers again briefly described Gauger's fireplaces and mentioned his own work on the subject. Franklin read both of Desaguliers' books and developed his own designs for a stove that could provide more heat with less smoke. In 1742, Franklin finished his first design which implemented new scientific concepts about heat which had been developed by the Dutch physician Herman Boerhaave (1668–1738), a proponent of Isaac Newton's ideas. He supplied his equipment from a local iron pioneer William Branson from Reading, PA. Franklin wanted his stoves to be available to everyone, relishing popular appreciation of his handiwork and eschewing patents. This combination of events led to the first Franklin stoves being manufactured by Reading furnaces, which was owned by the local Van Leer family. Two years later, Franklin wrote a pamphlet describing his design and how it operated in order to sell his product. Around this time, the deputy governor of Pennsylvania, George Thomas, made an offer to Franklin to patent his design, but Franklin never patented any of his designs and inventions. He believed "that as we enjoy great advantages from the inventions of others, we should be glad of an opportunity to serve others by any invention of ours, and this we should do freely and generously". As a result, many others were able to use Franklin's design and improve it. Although his stove was intended to have the double purpose of cooking and heating a room, as time progressed and new stove designs became available, the Franklin stove's main use became to heat a room. Many others improved on the Franklin stove design, but to this day, most American fireplaces are box shaped, similar to the Franklin stove. The exception is the Rumford fireplace, developed by Benjamin Thompson.

Конструкция печи

Печь была высотой около 30 дюймов (76 см), имела форму коробки. Передняя часть была открытой, за исключением декоративной панели в верхней части коробки. Заднюю часть коробки следовало разместить в нескольких дюймах от дымохода (трубы). На нижней панели было несколько отверстий для выхода дыма; они были соединены с дымоходом. Панели крепились друг к другу железными винтами через предварительно отлитые ушки. Внутри находилась небольшая тонкая прямоугольная призма, которая направляла дым в отверстия. Все пластины были сделаны из железа. Печь Франклина продавалась плохо. Проблема заключалась в обратном сифоне: дым должен был проходить через холодный дымоход (установленный в полу), прежде чем попасть в трубу; в результате дым слишком охлаждался, и печь не имела хорошей тяги. Обратный сифон работал бы должным образом только при постоянном горении огня, чтобы температура в дымоходе была достаточно высокой для создания тяги. Более поздняя версия, разработанная Дэвидом Риттенхаусом, решила многие проблемы оригинальной печи Франклина и стала популярной. Однако слава Франклина оказалась больше, чем слава Риттенхауса, поэтому в истории печь Франклина запомнилась, а не печь Риттенхауса. Меньшая печь Латроба, часто называемая Балтиморским обогревателем, была запатентована в 1846 году и приобрела популярность.