Русские печи и маcивные отопительные устройства: история и принципы работы.

Введение

Отопительное устройство

Каменная печь (также называемая масляной печью) – это устройство для обогрева внутреннего пространства посредством лучистого тепла, путем улавливания тепла от периодического сжигания топлива (обычно дров), и последующего излучения тепла при относительно постоянной температуре в течение длительного времени. Каменные печи, облицованные плиткой, называются кокль-печи (также плиточные или керамические печи). Эта технология существовала в различных формах, начиная с неоледникового и неолитического периодов. Археологические раскопки обнаружили следы использования древними жителями горячего дыма от костров в их подземных жилищах для обогрева жилых помещений. Эти ранние формы эволюционировали в современные системы. Обнаруженные свидетельства, датируемые 5000 годом до нашей эры, в виде массивных блоков каменной кладки, использовавшихся для удержания тепла, предвосхитили ранние формы очагов, которые служили многофункциональными источниками тепла. В дальнейшем появились римские гипокаусты и австро-германские кокль-печи (кахелофены, буквально «плиточная печь» или «каменная печь»), использующие дым и выхлопные газы от одного огня. В Восточной и Северной Европе и Северной Азии эти печи развивались в различных формах и под разными названиями: например, русская печь ([[:ru:Русская печь]), финская печь (на финском языке: pystyuuni или kaakeliuuni, «плиточная печь», или pönttöuuni, «трубчатая печь» для версии с металлической обшивкой) и шведская печь (на шведском языке: kakelugn, «плиточная печь»), связанная с Карлом Юханом Кронштедтом. Китайцы разработали тот же принцип в своей печи-кровати Кан. Каменная печь определяется ASTM International как «вентилируемая система отопления, преимущественно из каменной кладки, имеющая массу не менее , исключая дымоход и основание печи. В частности, каменная печь специально разработана для улавливания и хранения значительной части тепловой энергии от огня, использующего твердое топливо, в массе печи посредством внутренних каналов теплообмена, обеспечивает быстрое и более полное сгорание заряда твердого топлива, смешанного с достаточным количеством воздуха, при высоких температурах для снижения выбросов несгоревших углеводородов, и имеет достаточную массу и площадь поверхности, чтобы при нормальных условиях эксплуатации температура внешней поверхности печи (за исключением области, непосредственно окружающей дверцу загрузки топлива) не превышала .»

A masonry heater (also called a masonry stove) is a device for warming an interior space through radiant heating, by capturing the heat from periodic burning of fuel (usually wood), and then radiating the heat at a fairly constant temperature for a long period. Masonry heaters covered in tile are called cocklestoves (also tile stoves or ceramic stoves). The technology has existed in different forms, from back into the Neoglacial and Neolithic periods. Archaeological digs have revealed excavations of ancient inhabitants utilizing hot smoke from fires in their subterranean dwellings, to radiate into the living spaces. These early forms have evolved into modern systems. Evidence found from 5,000 BC of massive blocks of masonry used to retain heat foreshadowed early forms of fire hearths that were used as multifunctional heating sources. Later evolutions came in the Roman hypocaust and Austro German cocklestove (kachelofen, literally 'tile oven', or steinofen, 'stone oven'), using the smoke and exhaust of a single fire. In Eastern and Northern Europe and North Asia, these stoves evolved in many different forms and names: for example the Russian stove ([[:ru:Русская печь), the Finnish stove (in Finnish: pystyuuni or kaakeliuuni, 'tile oven', or pönttöuuni, 'bowl oven' for the metal clad version) and the Swedish stove (in Swedish: kakelugn, 'tile stove') associated with Carl Johan Cronstedt. The Chinese developed the same principle into their Kang bed stove. A masonry heater is defined by ASTM International as "a vented heating system of predominantly masonry construction having a mass of at least , excluding the chimney and masonry heater base. In particular, a masonry heater is designed specifically to capture and store a substantial portion of the heat energy from a solid fuel fire in the mass of the masonry heater through internal heat exchange flue channels, enable a charge of solid fuel mixed with an adequate amount of air to burn rapidly and more completely at high temperatures in order to reduce emission of unburned hydrocarbons, and be constructed of sufficient mass and surface area such that under normal operating conditions, the external surface temperature of the masonry heater (except in the region immediately surrounding the fuel loading door(s)), does not exceed ."

Характеристики

Огреватель для каменной кладки изготавливается из каменной кладки, такой как кирпич (огнеупорный кирпич), тальковый камень, плитка, камень, штукатурка или комбинация материалов, а не из стали или чугуна. Обычно для выдерживания его веса требуется специальная поддержка. Он состоит из топочной камеры и каналов или перегородок для теплообмена, которые обеспечивают дополнительную площадь поверхности. Они поглощают тепло от горячих выхлопных газов перед их выходом в дымоход. Когда огреватель не топится, соединение с дымоходом иногда снабжается заслонкой для предотвращения утечки тепла вверх по дымоходу; тепло затем излучается от каменной кладки. Нагрев каменной кладки занимает больше времени, чем нагрев металла; однако, после прогрева огреватель излучает это тепло в течение гораздо более длительного периода времени и при гораздо более низкой температуре, чем металлическая печь (металл горячий только во время горения топлива и некоторое время после этого). Рядом с каменным огревателем можно строить сиденья и даже кровати, поскольку его внешние поверхности достаточно прохладны для безопасного прикосновения. Благодаря медленному выделению тепла каменный огреватель может быть более удобным вариантом для отопления дома, чем металлическая дровяная печь. Тепловое напряжение является серьезной проблемой при строительстве каменных огревателей. Разница температур внутри каменного ядра огревателя может привести к неравномерному расширению. Опытный печник знает, как учитывать это напряжение при проектировании и строительстве огревателя, предотвращая тем самым растрескивание внешней поверхности из-за неравномерного расширения. Существует два основных способа решения этой проблемы. Один из них – создание зазора между внутренним ядром огревателя и его внешней "оболочкой". Другой – строительство более монолитной конструкции с использованием предварительного напряжения для механической компенсации расширения и сжатия. Скорость, с которой печь, каменная или иная, достигает нужной температуры, определяется конкретной толщиной и характеристиками используемых материалов. Металлические печи с быстрой реакцией нагреваются быстрее и подходят для быстрой регулировки температуры в помещении. Печи с медленной реакцией нагреваются дольше, но они лучше подходят для длительных периодов холодной погоды, поскольку они накапливают и отдают тепло в течение более длительного времени. Кахелофен использует лабиринт каналов, созданный из огнеупорного кирпича, для медленного выпуска газов и дыма из дровяного огня, позволяя огнеупорному кирпичу максимально удерживать тепло от газов и дыма. Керамическая плитка, окружающая печь, также служит изоляцией для удержания тепла. Такие печи тщательно проектировались таким образом, чтобы минимальное количество тепла терялось, только столько, сколько необходимо для прогрева дымохода и поддержания надлежащей тяги. Огнеупорный кирпич, используемый в строительстве, удерживает на 80% больше тепла, чем черные металлы, такие как чугун, при этом его теплопроводность в 45 раз ниже, чем у железа или стали. Упоминается с 1878 года. Обогреватель с металлической облицовкой не прижился в Швеции, но стал самым популярным типом каменного огревателя в Финляндии. Металл обычно оставляли необработанным и изготавливали из оцинкованного листового металла, его также можно было окрашивать. Огреватель для каменной кладки с металлической облицовкой известен как pönttöuuni на финском языке и plåtugn в шведскоязычных регионах. В строительстве вместо цемента использовался глиняный раствор, а выход из дымохода часто размещали у основания огревателя, чтобы огреватель мог стоять отдельно из-за движения, вызванного тепловым расширением и сжатием. Преимущества облицовки огревателя листовым металлом включают почти полное устранение утечек дыма в помещение, что позволяет чаще топить огреватель и при более высоких температурах, чем его плитчатый аналог, который может трескаться и пропускать дым при аналогичной эксплуатации. Металлическую поверхность также легко содержать в чистоте. Кольца многоразовые, и когда каменный огреватель изнашивается, его можно разобрать и перестроить с использованием новых кирпичей. Pönttöuuni до сих пор производится в Финляндии. Современные разработки включают стеклянные дверцы и вторичное сжигание дымовых газов путем подачи свежего воздуха над пламенем, что помогает соответствовать современным стандартам. Огреватель может быть построен из различных материалов, отличных от традиционного кирпича. Кирпич по-прежнему используется, но в современных огревателях топочная камера изготавливается из высокотемпературного огнеупорного кирпича, а остальная часть огревателя – из более дешевого кирпича. В традиционных огревателях внутренняя поверхность топочной камеры часто покрывалась глиняным раствором для защиты.

A masonry heater is made of masonry such as brick (firebrick), soapstone, tile, stone, stucco, or a combination of materials, rather than steel or cast iron. It usually requires special support to bear its weight. It consists of a firebox and heat exchange channels or partitions that provide additional surface area. These absorb heat from the hot exhaust gases before the gases exit into the chimney. When not being fired, the connection from the masonry heater to the chimney sometimes has a damper to prevent heat from escaping up the chimney; the heat is then radiated from the masonry. Masonry takes longer to heat than metal; however, once warm, the heater will radiate this heat over a much longer period of time and at a much lower temperature than a metal stove would use (the metal is hot only when there is a fire burning inside the stove and for a short time thereafter). Seating and even beds can be built adjoining the masonry stove; this is possible because the heater's exterior surfaces are cool enough to touch safely. The characteristic of slow heat release can make a masonry heater a more convenient option for heating a house than a metal wood stove. Heat stress is a major concern during the construction of masonry heaters. Differences in temperature inside the masonry core of the heater can result in differential expansion. A skilled heater mason knows how to provide for this stress when designing and constructing the heater, thereby preventing uneven expansion from causing cracking in the exterior. There are two general ways this concern is addressed. One is to incorporate a gap between the inner core of the heater and its outer "skin". The other is to build a more monolithic design with post tension aspects to mechanically compensate for expansion and contraction. The speed with which a stove, masonry or otherwise, achieves the right temperature is determined by the specific thickness and characteristics of the materials used in its construction. Very responsive metal heaters warm up faster and are good for quicker adjustments to indoor temperature. Less responsive heaters take longer to warm, but they are better suited for long periods of cold weather because they store and provide heat over a longer period. A kachelofen uses a maze like passage created out of firebrick to release gases and smoke from the wood fire slowly, allowing the firebrick to retain as much heat as possible from the gases and smoke. The ceramic tile surrounding the stove also acts as insulation to retain heat. Such stoves were carefully designed so that the minimum amount of heat would escape, only as much as needed to warm the flue to maintain a proper air draught. The firebrick used in the construction holds 80% more heat than ferrous metals such as cast iron, while its heat conductivity is 1/45 that of iron or steel. dating to 1878. The metal clad heater did not catch on in Sweden, but became the most popular masonry heater type in Finland. The metal was typically left bare and was constructed from galvanized sheet metal, it could also be painted. The metal clad masonry heater is known as a pönttöuuni in Finnish and plåtugn in Swedish speaking regions. Clay mortar instead of cement was used in the construction, the chimney exit was often placed at the base of the heater so that the heater could be free standing due to movement from thermal expansion and contraction. Advantages of covering the heater in sheet metal include the near elimination of smoke leaks into the room, in turn allowing the heater to be fired more often and to hotter temperatures than its tiled counterpart, which could develop cracks and leak smoke if treated in a similar way. The metal surface was also easy to keep clean. The rings are reusable and once the masonry heater was worn out it could be torn down and rebuilt with new bricks. The pönttöuuni is still in production in Finland. Modern developments include glass doors, and the secondary combustion of flue gasses via the introduction of fresh air above the flames help meet modern standards. The heater might be built from different materials other than the traditional brick. Brick is still used but in modern heaters the firebox itself is made from high temperature firebrick, the rest of the heater is made from cheaper bricks. In traditional heaters the inside of the firebox was often covered with clay mortar for protection.

Источники топлива

Поскольку каменные печи работают при высокой температуре и быстро сжигают топливо, они могут использовать любые сухие, колотые дрова, обычно определенного диаметра. Иногда для их растопки эффективно применяют траву, солому и сено. В Восточной Европе распространена практика модификации этих печей для подключения к газовой сети и использования газа в качестве топлива. Некоторые современные модели оснащены электрическими нагревательными элементами, подключенными к термостату. Электрический обогрев необходим для предотвращения повреждения здания от замерзания, если оно остается без присмотра на длительный период зимой.

Современное развитие

Некоторые современные печи-каменки не имеют внешней облицовки из керамической плитки. Вместо этого огнеупорный кирпич покрывается жаростойкой штукатуркой. Стеклянная дверца позволяет наблюдать за горящим огнем. Как и прежде, после прогорания дров, нагретая масса печи продолжает отдавать тепло, однако размеры дымовых каналов в современных печах-каменках рассчитываются более точно для повышения эффективности и увеличения теплоотдачи при меньшем расходе дров. Некоторые современные печи-каменки изготавливаются из талькохлорита, который отличается особенно высокой теплоемкостью. В Финляндии также используют оливин.