Введение
Устройство, используемое для выработки тепла или приготовления пищи.
Плита или печь – это устройство, которое генерирует тепло внутри или на своей поверхности для локального обогрева или приготовления пищи. Плиты могут работать на различных видах топлива, таких как электричество, природный газ, бензин, древесина и уголь. В связи с обеспокоенностью загрязнением воздуха предпринимаются усилия по улучшению конструкции плит. Пеллетные печи – это тип печей с чистым сгоранием. Герметичные печи – это другой тип, который сжигает древесину более полно и, следовательно, уменьшает количество продуктов сгорания. Другой способ снижения загрязнения воздуха – добавление устройства для очистки выхлопных газов, например, фильтра или дожигателя. Исследования и разработки более безопасных и менее вредных для окружающей среды плит непрерывно развиваются. Керамическую и другую посуду для приготовления пищи сначала ставили на открытый огонь; в конечном итоге, размещение посуды на опоре, например, на основании из трех камней, привело к появлению плиты. Плита из трех камней до сих пор широко используется во всем мире. В некоторых регионах она развилась в U-образную конструкцию из высушенной глины или кирпича с отверстием спереди для топлива и воздуха, иногда с дополнительным небольшим отверстием сзади.
Ранние проекты
Самая ранняя задокументированная печь была создана в Эльзасе, Франция, в 1490 году. Она была полностью выполнена из кирпича и черепицы, включая дымоходную трубу. Примерно в то же время древние египтяне, евреи и римляне использовали каменные и кирпичные печи, отапливаемые дровами, для выпечки хлеба и других основных продуктов питания. Эти конструкции не сильно отличались от современных печей для пиццы. Позднее скандинавские печи имели длинный полый железный дымоход с железными перегородками, предназначенными для увеличения пути прохождения отходящих газов и извлечения максимального количества тепла. Русские печи до сих пор часто используются в северных странах, поскольку они имеют шесть толстостенных каменных каналов. Эта конструкция часто располагается на пересечении внутренних перегородок, с частью печи и канала внутри каждой из четырех комнат; огонь поддерживается до тех пор, пока печь и каналы не прогреются, после чего огонь гасится, а каналы закрываются для сохранения тепла. В колониальной Америке для выпечки пирогов и другой выпечки использовались кирпичные печи в форме улья. Контроль температуры тщательно осуществлялся путем сжигания соответствующего количества дров до золы, а затем проверки путем введения руки внутрь, добавления дров или открытия дверцы для охлаждения.
Из чугуна
В 1642 году в Линне, штат Массачусетс, была построена первая чугунная печь. Эта печь была не более чем чугунной коробкой без колосников. В 1735 году французский дизайнер Франсуа Кувиллье разработал печь Castrol, или "печь для тушения", которая стала самой ранней зарегистрированной дровяной печью. В 1740 году Бенджамин Франклин спроектировал "Пенсильванский камин", в котором были воплощены основные принципы отопительной печи. Печь Франклина использовала колосниковую решетку для сжигания дров и имела сдвижные дверцы для регулировки тяги, или потока воздуха. Благодаря своим компактным размерам, печь можно было установить в большой камин или использовать отдельно, в центре комнаты, подключив ее к дымоходу. Разработанная в период нехватки дров, она требовала четверть объема топлива, необходимого для обычного камина, и могла быстрее нагреть помещение. По всей Северной Америке печь Франклина получила широкое распространение, обогревая фермерские дома, городские резиденции и пограничные хижины. В 1795 году граф Рамфорд создал особенно популярную версию, с одним источником огня, но позволяющую независимо регулировать температуру для нескольких горшков одновременно, при этом обогревая помещение. Ее основным недостатком был слишком большой размер для большинства жилых кухонь. Примерно через пять лет Исаак Орр из Филадельфии, штат Пенсильвания, создал первые круглые чугунные печи с колосниками для приготовления пищи. Печь-пузатик берет свое начало в начале 1800-х годов и была вдохновлена печью Франклина, разработанной двадцать лет ранее. В 1833 году Джордан А. Мотт спроектировал печь с нижним горением для сжигания антрацитового угля. Первая серийно выпускаемая газовая плита, изобретенная англичанином Джеймсом Шарпом, появилась на рынке лишь через три десятилетия. К концу века печи стали популярными, поскольку ими было легче управлять и они требовали меньше обслуживания, чем дровяные или угольные печи.
Индукция
Первые патенты на индукционные плиты датируются началом 1900-х годов. Демонстрационные модели были представлены подразделением Frigidaire компании General Motors в середине 1950-х годов на передвижной выставке GM в Северной Америке. Индукционная плита демонстрировалась в процессе нагрева кастрюли с водой, при этом между плитой и кастрюлей была помещена газета, чтобы продемонстрировать удобство и безопасность. Однако эта модель так и не была запущена в серийное производство. Современная реализация в США началась в начале 1970-х годов, работы проводились в Центре исследований и разработок Westinghouse Electric Corporation в районе Черчилль, недалеко от Питтсбурга. Результаты этих работ впервые были представлены публике на конгрессе Национальной ассоциации строителей домов в Хьюстоне, штат Техас, в 1971 году в рамках экспозиции отдела потребительских товаров Westinghouse. Автономная одноконфорочная плита получила название Cool Top Induction Range. В ней использовались параллельно соединенные транзисторы Delco Electronics, разработанные для автомобильных электронных систем зажигания, для создания тока частотой 25 кГц. Компания Westinghouse решила изготовить несколько сотен единиц для развития рынка. Эти модели получили название Cool Top 2 (CT2) Induction ranges. Разработка велась в том же научно-исследовательском центре командой под руководством Билла Морленда и Терри Маларки. Стоимость плиты составляла 1500 долларов (8260 долларов США в 2017 году), в комплект входил набор высококачественной посуды из Quadraply – нового ламината, состоящего из нержавеющей стали, углеродистой стали, алюминия и еще одного слоя нержавеющей стали (от внешней стороны к внутренней). Производство осуществлялось с 1973 по 1975 год и было прекращено, совпав по времени с продажей подразделения потребительских товаров Westinghouse компании White Consolidated Industries Inc. Современные индукционные плиты продаются многими производителями, включая General Electric, LG Corporation, Whirlpool Corporation, IKEA и Samsung.
Приготовление пищи
Кухонная плита, варочная панель или кухонная печь – это кухонный прибор, предназначенный для приготовления пищи. Кухонные плиты используют прямое тепло для процесса готовки и могут также включать в себя духовку, расположенную под плитой или сбоку, для выпечки. Традиционно они работали на дровах; самым ранним известным примером была печь Castrol. Более современные модели, такие как популярная серия Rayburn, предлагают возможность использования дров или газа.
Нагрев
Печи также используются для обогрева. Изобретение Бенджамина Франклина в 1740 году способствовало широкому распространению современных отопительных печей и каминов. Сегодня дровяные печи часто используются для обогрева домов, и их ценят за экономичность по сравнению с углем и газом, а также за связь с традициями наших предков.
Древесина
Дровяная печь (или печь на дровах, или камин-дровяник в Великобритании) – это отопительный или кухонный прибор, способный сжигать древесное топливо и топливо из биомассы, полученное из древесины, такое как брикеты из опилок. Как правило, прибор состоит из закрытой топки из цельного металла (обычно чугуна или стали), часто футерованной огнеупорным кирпичом, и одного или нескольких регуляторов подачи воздуха (которые могут управляться вручную или автоматически в зависимости от модели печи). Первая дровяная печь была запатентована в Страсбурге в 1557 году, за два столетия до промышленной революции, которая сделала железо дешевым и распространенным материалом, поэтому такие печи были предметами роскоши и постепенно получили распространение. Дровяные печи до сих пор широко используются в менее развитых странах.
Сжигание угля
В течение почти полутора столетий в промышленном мире наиболее распространенной печью для отопления была угольная печь, сжигающая уголь. Угольные печи выпускались в различных размерах и формах, и работали по разным принципам. Уголь горит при значительно более высокой температуре, чем древесина, поэтому угольные печи должны быть сконструированы для выдерживания высоких температур. Угольная печь может сжигать как дрова, так и уголь, но дровяная печь может не сжигать уголь, если не оборудована колосником. Колосниковая решетка может быть съемной или представлять собой "дополнительную опцию". Это объясняется тем, что угольные печи оснащаются колосниковой решеткой, позволяющей части воздуха, необходимого для горения, поступать под топливо. Пропорция воздуха, подаваемого сверху/снизу огня, зависит от типа угля. Бурый уголь и лигнит выделяют больше горючих газов, чем, например, антрацит, и поэтому требуют больше воздуха над огнем. Соотношение воздуха над огнем и под огнем необходимо тщательно регулировать для обеспечения полного сгорания. Уголь, особенно антрацит, стал популярным выбором в 1800-х годах в Соединенных Штатах, поскольку он горел при высокой температуре и при этом производил мало сажи. К 1860 году антрацитовый уголь использовался в качестве решения топливного кризиса, с которым столкнулись Соединенные Штаты, примерно в 90% домов. Газовые плиты подвергаются критике из-за экологических проблем, связанных с выбросами метана и использованием природного газа, опасности утечки угарного газа и сложности очистки. Например, исследование, проведенное в январе 2022 года под руководством Стэнфордского университета, показало, что утечка метана из газовых плит оказывает на климат воздействие, сопоставимое с выбросами углекислого газа примерно 500 000 автомобилей, работающих на бензине.
Современные конструкции
В связи с растущей обеспокоенностью по поводу загрязнения воздуха, вырубки лесов и изменения климата, предпринимаются новые усилия по улучшению конструкции печей, а также снижению выбросов вредных веществ в окружающую среду. Всемирная организация здравоохранения задокументировала значительное количество смертей, вызванных дымом от домашнего очага. Повышение эффективности позволяет пользователям печей тратить меньше времени на сбор дров или другого топлива, реже страдать от эмфиземы и других заболеваний легких, распространенных в задымленных помещениях, одновременно сокращая вырубку лесов и загрязнение воздуха. Кукурузные и пеллетные печи и котлы относятся к типу печей, работающих на биотопливе. Высушенное зерно кукурузы, также известное как кукурузная пеллета, выделяет столько же тепла, сколько и древесная пеллета, но производит больше золы. "Снаружи кукурузные и древесные пеллетные печи выглядят одинаково. Благодаря высокой эффективности им не требуется дымоход; вместо этого они могут быть оборудованы вытяжной трубой диаметром 102 мм, проходящей через наружную стену, что позволяет устанавливать их в любой комнате дома". Пеллетная печь – это тип печи с чистым сгоранием, использующая небольшие биологические топливные пеллеты, которые являются возобновляемым и экологически чистым видом топлива. Отопление дома с помощью пеллетной печи является альтернативным способом, который в настоящее время используется по всему миру, и особенно быстро развивается в Европе. Пеллеты производятся из возобновляемых материалов – как правило, древесной пыли или обрезков. В Северной Америке более полумиллиона домов используют пеллетные печи для отопления, и, вероятно, такое же количество в Европе. В пеллетной печи обычно используется шнек для подачи пеллет из бункера в камеру сгорания. Воздух для сгорания подается электрическим вентилятором. Розжиг автоматический, с использованием потока воздуха, нагреваемого электрическим нагревательным элементом. Скорость вращения шнека и скорость вентилятора могут регулироваться для изменения мощности отопления. Другие эффективные печи основаны на принципе печей с верхним поддувом (T LUD) или газогенераторных печей, принцип которых был применен и популяризирован доктором Томасом Ридом, и которые используют в качестве топлива небольшие ветки, щепки, стружку, листья и т.п. Эффективность таких печей очень высока – до 50 процентов – по сравнению с традиционными печами, эффективность которых в среднем составляет от 5 до 15 процентов. Печи, работающие на спирте, например, на этаноле, предлагают еще один современный и экологически чистый вариант. Печи на этаноле получили распространение благодаря работе проекта Gaia в Африке, Латинской Америке и странах Карибского бассейна.
Неподвижность
Герметичная печь – это дровяная печь, предназначенная для контролируемого сжигания твердого топлива, традиционно дров, для обеспечения эффективного и управляемого расхода топлива, а также стабильной температуры отопления или приготовления пищи. Она изготавливается из листового металла и состоит из цилиндрической камеры сгорания с отверстиями для подачи воздуха, которые можно открывать и закрывать, и дымохода длиной в метр или более. Эти печи чаще всего используются для отопления зданий зимой. Дрова или другое топливо загружают в печь, поджигают, а затем регулируют подачу воздуха для контроля процесса горения. Воздух поступает либо на уровне загрузки топлива, либо ниже него. Выхлопные газы (дым) из печи обычно выходят на несколько метров выше камеры сгорания. Большинство современных герметичных печей оснащены заслонкой на выходном отверстии, которую можно закрыть, чтобы направить выхлопные газы во вторичную камеру сгорания, расположенную в верхней части печи – нагретый отсек, где продолжается процесс дожигания. Некоторые герметичные печи имеют каталитический нейтрализатор – платиновую сетку, установленную на выходном отверстии печи для дожигания несгоревших остатков топлива, поскольку газы горят при значительно более низкой температуре в присутствии платины. Для начала работы с герметичной печью необходимо оставить заслонку и вентиляционные отверстия открытыми до образования угольного слоя. После этого заслонку закрывают и регулируют подачу воздуха, чтобы замедлить горение дров. Правильно загруженная и контролируемая герметичная печь может безопасно гореть без дополнительного внимания в течение восьми часов и более. Эти особенности обеспечивают более полное сгорание древесины и уменьшение выбросов вредных продуктов сгорания. Также обеспечивается регулировка интенсивности горения путем ограничения подачи воздуха и создание тяги в дымоходе. Это приводит к высокой эффективности использования топлива. Герметичные печи – это более совершенная версия традиционных дровяных печей.
Регулирование выбросов
Многие страны принимают законы, направленные на контроль выбросов. С 2015 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) ввело Регламент по печам на древесину III фазы в США, требующий, чтобы все производимые печи на древесину ограничивали выбросы твердых частиц до 4,5 грамма в час для печей с вторительным дожиганием или 2,5 грамма в час для печей с каталитическими конвертерами. Тестирование эффективности дровяных печей ограничено двумя основными методами: использованием дров для "колыбели" и штабелированных дров. В 2020 году печи, тестируемые с использованием дров для "колыбели", должны гореть со скоростью не более 2,0 грамма в час. С 2020 года тестирование эффективности также может проводиться со штабелированными дровами, при этом выбросы не должны превышать 2,5 грамма в час. Согласно аналитическому документу EPA о штабелированных дровах, эти изменения направлены на улучшение существующих методов тестирования с целью последующей разработки эталонного метода EPA для печей, работающих на штабелированных дровах, и, возможно, для центральных систем отопления (например, гидронических обогревателей/котлов и печей с принудительной подачей воздуха). Температура горения в современных печах может повышаться до такой степени, что происходит вторичное и полное сгорание топлива. Правильно спроектированная и эксплуатируемая каменная печь производит незначительное количество или вообще не производит твердых частиц в выхлопных газах и не способствует образованию креозота в дымоходе или дымовых трубах. Некоторые печи достигают выбросов всего 1–4 грамма в час. Это примерно на 90% меньше дыма, чем от старых печей, и соответствует практически полному отсутствию видимого дыма из дымохода. Это достигается главным образом за счет обеспечения максимального сгорания топлива, что приводит к полезному КПД 60–70%, в отличие от менее чем 30% для открытого камина. Полезный КПД определяется как количество тепловой энергии, передаваемой в помещение, по сравнению с количеством энергии, содержащейся в древесине, за вычетом энергии, необходимой центральному отоплению для компенсации проблем с воздушным потоком. Законопроект SB 1256, запрещающий продажу одноразовых баллонов с пропаном в Калифорнии, будет представлен на утверждение губернатору Гэвину Ньюсому. В случае подписания закона запрет вступит в силу в январе 2023 года и станет первым в своем роде в Соединенных Штатах. SB 1256 направлен на полный отказ от использования этих баллонов к 2028 году; законодательный акт был одобрен как Ассамблеей штата, так и Сенатом. Газовые плиты широко используются туристами для приготовления пищи, освещения и обогрева, а использованные баллоны часто скапливаются возле мусорных контейнеров на кемпингах. Законопроект спонсируется Калифорнийским советом по управлению продукцией, некоммерческой коалицией местных органов власти, с целью сокращения отходов и уменьшения количества скопившихся баллонов. Компания Worthington Industries, производитель баллонов с пропаном, возражает против законопроекта, утверждая, что он создаст неудобства для туристов и не повысит уровень переработки баллонов с пропаном. Компания также утверждает, что перезаполняемые баллоны стоят в три раза дороже одноразовых.
Исследования и разработки
Поиск более безопасных и чистых печей остаётся для многих важной, хотя и не слишком заметной областью современных технологий. Кухонные плиты, широко используемые по всему миру, особенно в развивающихся странах, представляют собой пожароопасность и, что ещё хуже: по данным Всемирной организации здравоохранения, полтора миллиона человек ежегодно умирают от отравления дымом в помещениях, вызванного неисправными печами. Другие инженерные организации (см. Envirofit International, Колорадо, США) и благотворительные фонды (см. Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Калифорния) продолжают проводить исследования и продвигать усовершенствованные конструкции кухонных печей.