Печь Кузнецова колпаковая

Немного теории

Традиционные домашние печи с варочными плитами, «голландки» и «шведки», невзирая на конструктивные различия, объединяет между собой одна общая особенность. Она влияет на эффективность работы этих тепловых приборов — это естественная тяга дымохода. Без тяги не будет функционировать ни одна из большинства известных печей, недалеко ушли в этом отношении и твердотопливные котлы.

Оговоримся: ни одна, кроме кузнецовской, ведь только детища Игоря Владимировича не требуют для своей работы естественной тяги.

Секрет эффективной работы, что отличает двухколпаковые печи Кузнецова от всех прочих, кроется в принципе свободного перетекания газов, для которого не нужна дополнительная энергия извне.

Очень подробно и доступно об этой теории изложено в статьях, размещенных изобретателем на страницах собственного веб-ресурса www.stove.ru. Там же в открытом доступе есть проекты печей, уже введенных в эксплуатацию. Мы рассмотрим теорию вкратце, сравнивая традиционный способ сжигания твердого топлива с процессами, происходящими в колпаковой печи. Итак, в обычной или канальной печи типа «голландки» движение воздуха и продуктов сгорания обусловлено наличием тяги в дымоходной трубе.

Естественная тяга является внешним фактором, действующим в зависимости от:

  • перепада высот между входом в поддувало и верхним срезом трубы;
  • разницы температур наружного воздуха и дымовых газов;
  • ветровой нагрузки.

То есть, тяга присутствует даже в том случае, когда отопитель бездействует, лишь бы была открыта заслонка. В рабочем режиме печи тяга усиливается многократно, скорость газов резко возрастает. В результате в топку поступает много воздуха, температура горения падает, КПД сжигания дров уменьшается. Ограничивая доступ воздуха заслонкой, мы заставляем топливо тлеть при недостатке кислорода, что тоже не является оптимальным режимом для извлечения тепловой энергии из древесины.

Правильная печь с высоким КПД должна отнимать максимум тепла у продуктов горения, чтобы оно не вылетало в дымовую трубу. На практике это реализовать не так просто и вот почему:

  • при открытой заслонке раскаленные газы быстро движутся по кирпичным каналам, не успевая передать стенкам теплоту;
  • если заслонку прикрыть, то скорость потока уменьшится, но материал каналов не способен вобрать всю выделяющуюся теплоту и передать ее в помещение, поэтому часть энергии все же вылетает в трубу.

По этим причинам КПД использования почти всех существующих печей редко достигает 60%. В разработках Кузнецова успешно решены обе проблемы, КПД сжигания топлива и КПД использования выделяющейся теплоты находятся на уровне порядка 80%. Подобный показатель может выдать далеко не всякий котел, работающий на твердых видах топлива. И.В. Кузнецов изложил основы конструирования печей в соответствии с принципом свободного перетекания газов, который мы рассмотрим ниже.

Схема печи Кузнецова

С целью визуализировать принцип действия печи, приведем примитивный пример. Представьте небольшой костер, горящий на открытом пространстве. Доступ воздуха неограничен, но температура горения невысокая, а тепло беспорядочно рассеивается во все стороны. Если накрыть пламя большим чаном — колпаком, оставив внизу достаточный просвет, то костер не погаснет, но характер процесса изменится.

Раскаленные газы естественным образом поднимутся в верхнюю зону чана и создадут препятствие неограниченному потоку воздуха извне. И только отдавая тепло стенкам чана, они будут охлаждаться, опускаться к проему и постепенно выходить наружу, уступая место более нагретому потоку. Таким образом, в зону горения попадет ровно столько воздуха, сколько нужно для сжигания топлива. Разогретые газы не могут быть вытеснены холодным воздухом, пока не остынут сами, процесс становится саморегулирующимся.

Фокус в том, что строительство печей по системе Кузнецова происходит с использованием не одного колпака, а двух, соединенных между собой вертикальным каналом. Цель такого усовершенствования – решить проблему с эффективной передачей теплоты сжигания в пространство помещения. Продукты горения с высокой температурой поднимаются под свод первого колпака, отдавая теплоту его стенкам. В результате газы охлаждаются и начинают опускаться вниз под собственным весом и давлением восходящего горячего потока из топки.

В оптимизации процесса И.В. Кузнецов пошел еще дальше, он изобрел метод разделения потока газов по температуре еще на первом этапе процесса – сразу после топливника. Для этого пространство колпака отделяется от топки перегородкой, не доходящей до самого свода. Благодаря этому горячий поток с ходу попадает в верхнюю зону. Для газов с низшей температурой предназначается сухой шов в печах Кузнецова, устроенный в перегородке в виде щели заданного размера. Суть процессов изображена ниже на схеме печи:

В результате под первым колпаком образуется постоянное турбулентное движение газов с равномерным распределением по температуре. Это приводит к тому, что в печь не может попасть больше воздуха, чем требуется, его «не пустят» горячие продукты под сводом и перегородка. В таких условиях топливо сгорает целиком, оставляя отход в соответствии с зольностью.

Во втором, верхнем колпаке, происходит такое же движение. Продукты с низкой температурой стелются понизу, в то время как горячие газы поднимаются под свод и продолжают остывать, передавая энергию кирпичным стенкам. Охладившись, они опускаются вдоль вертикальной перегородки, после чего попадают в дымоход.

В верхнем и нижнем колпаках постоянно присутствует давление газов, под его воздействием они и побуждаются к естественному движению, тяга дымоходной трубы не нужна.

Печки для бани

Принцип работы банных печей Кузнецова остается неизменным – естественное перемещение газов через два колпака. Другое дело, что здесь присутствует каменка, которую нужно хорошенько прогревать для получения качественного пара. Разработчиком предложено и по сей день используется оптимальное техническое решение, где каменная засыпка располагается в духовке из жаропрочной стали. Духовка располагается непосредственно над топливником.

Тепловая энергия, аккумулирующаяся в нижнем и верхнем колпаках, используется для подогрева воды и отопления не только помещения парной, но и всех прилегающих комнат. Змеевик для воды устанавливается под первым колпаком таким образом, чтобы его можно было легко отремонтировать или заменить. Место установки можно определить, изучив чертежи печей.

Помимо готовых модификаций банных печей И.В. Кузнецов дает рекомендации по их правильной установке, по планировке помещений с целью выбора оптимального варианта. Также есть возможность выбора, среди разработок имеются как малые печи для протапливания небольших бань, так и более серьезные модели с большими баками для нагрева воды.

Печи с водяным отоплением

Современные печи Кузнецова с водяным отоплением серии КИК (кирпичные котлы) представляют особый интерес. По сути, это колпаковый котел, выложенный из кирпича и обладающий неплохим КПД – порядка 70—80%, то есть, аналогичным своим железным «собратьям». Как достигается столь высокая эффективность, было нами описано выше.

В тело печи встраивается 1 или 2 регистра из стальных труб (в зависимости от мощности). Готовые модификации котлов имеют ряд мощностей 17, 34 и 63 кВт. Кроме того, автором предлагаются и двухконтурные модели с возможностью подогрева воды для хозяйственных нужд. В своих рекомендациях по строительству подобных обогревателей И.В. Кузнецов указывает, что для повышения экономичности и эффективности работы корпус кирпичного котла стоит утеплить базальтовым волокном.

В большинстве купольных моделей печей внедрено современное техническое решение, обеспечивающее дожигание горючей составляющей дымовых газов. С этой целью под свод верхнего колпака или другое место, в зависимости от конструкции, организована подача вторичного воздуха. При использовании древесины соответствующего качества такой тепловой прибор будет функционировать как пиролизная печь.

Мы изложили множество полезных теоретических сведений о «кузнецовках», но претворить теорию в кирпич и раствор, а затем и в тепловой прибор не так уж просто. В консультациях на эту тему большую помощь может оказать сам изобретатель или другой человек из его команды. Если у вас имеется желание и хотя бы небольшой опыт в печном деле, то колпаковая печь Кузнецова, сделанная своими руками, обязательно порадует вас своей безупречной работой.

Хочу поделиться опытом создания системы отопления. При реконструкции старого деревенского дома дошло дело до отопления. Дом не большой по нынешним меркам (сруб пятистенок 5х7.5 с цокольным этажом на 2/3 в земле), но вопросу отопления постарался уделить должное внимание.

Рассматривал несколько вариантов, в том числе печное отопление, газовое, электро , котел на угле. Вариант с газом бесспорно удобный, но затраты на подключение и монтаж очень велики. Учитывая то, что в доме не планируется круглогодичное проживание, неизвестно когда окупятся эти затраты. Во-вторых топить дровами, как оказалось если и не выгоднее, то как минимум по ежемесячным затратам сравнимо с отоплением газом. Хотя хлопотнее. К тому же есть большой запас угля, который нужно как-то реализовать и возможность покупать горбыль за копейки. Электро-отопление рассматривали только с точки зрения резервного или для поддержания комфортной температуры в ночное время, когда стоимость электроэнергии минимальна. Старое водяное отопление с котлом в печи не подходило по причине обветшалости и необходимости сливать/заливать воду с наступлением первых заморозков. А это уже ограничивает дачный сезон. Хотелось иметь возможность приезжать иногда и зимой и поздней осенью. Да и слить полностью воду из старой системы проблематично, где-то остаются пробки, засоры. Заливать “незамерзайку” не представлялось возможным, т.к. это потребовало бы герметизации всех резьбовых соединений в т.ч. замены прокладок между секциями чугунных радиаторов. К тому же нужно было как-то переделывать эту систему в закрытую.

На основании вышеперечисленных исходных данных и своих пожеланий сформулировал требования к системе отопления:

1. Работа на дровах, работа на отходах пиломатериала (в основном — это горбыль).

2. Возможность топить углем.

3. Равномерность распределения температуры по всем помещениям.

4. Возможность использовать в зимнее время.

5. Быстрый прогрев помещения.

6. Равномерность распределения температуры по помещениям и во времени.

7. Возможность энергонезависимой работы длительное время.

Начитавшись форумов, статей, тематических сайтов и т.п., решил остановиться на варианте колпаковой печи с котлом, разводкой по дому стальных регистров ПП трубой, плюс электрокотел. В первую очередь сыграла роль стоимость, во вторую это независимость от поставщиков энергоносителей, от тарифов. В третью очередь это ни с чем не сравнимое ощущение тепла от кирпичной печи. Печь строил из старого кирпича, который остался от демонтажа старой русской печи и подтопка.

Проект печи пришлось придумать, точнее, собрать в один элементы из разных проектов. За основу была взята печь Кузнецова И.В. – КИК-17. Кстати на его сайте (www.stove.ru) есть очень много полезной информации, за что ему огромное спасибо. Немного изменив, конструкцию получили трехколпаковую печь с шамотным ядром. В один из колпаков встроен котел.

Котел (регистр) изготовлен по чертежу Кузнецова, но труба взята 40х3 (эта труба была у меня в наличии). Присоединительные резьбы — 1¼”. В исходном чертеже котел 16 кВт. Мощность своего регистра я не обсчитывал, очевидно, что она немного меньше, чем в чертеже. Грамотного сварщика по близости я не нашел, поэтому сам решил попробовать варить котел. В интернете есть отличные видеоролики как варить те или иные трубные соединения. Учитывая, что опыта сварки у меня мало, да и тот только на бытовом уровне где-то что-то “прихватить”, получилось довольно не плохо. Варил инвертором STURM aw97i22n электродами ESAB OK-47. Электроды предварительно прокаливал. Согласно правилам выбрал 3мм, получалось много неметаллических включений в шве, приходилось зачищать переделывать шов заново. 4 мм электродами шов получался гораздо лучше. Герметичность швов проверял водой под давлением примерно 2.5 атм., подключив обычный насос из колодца.

Под печь был сделан фундамент примерно 2х2х0,4 м на подушке из ПГС. + Слой рубероида. С глиной для раствора проблем не было, т.к. неподалеку есть глиняный карьер, где все местные жители берут глину для строительства печей. В ней очень хорошо сбалансировано соотношение – глина/песок. Выкладывать печь, как оказалось не такое уж быстрое занятие, особенно из старого кирпича. Кирпичи были разного размера, многие с какими-то наплывами/ наростами. Приходилось почти каждый кирпич подгонять болгаркой, иначе получались толстые швы. Швы старался делать до 5 мм. Топка выполнена из шамотного кирпича, он должен быть установлен на ребро (в рядах 13-11, 16-17). Между глиняными и шамотными кирпичами должен оставаться зазор 1см на тепловое расширение. Кузнецов И.В. рекомендует использовать в качестве прокладки каолиновую вату. Я где-то вычитал, что для этих целей можно использовать гофрокартон от старых коробок. Со временем картон сгорит, оставляя зазор. Шамотный кирпич укладывал на огнеупорную смесь. Для уплотнений металлических изделий использовал асбестовый шнур и минеральную вату. Перекрышку (ряд 20 и 20-1) изначально предполагалось сделать кирпичную, но по ходу дела решено сделать с помощью плиты, которая осталась от старой печки (ряд 20 вариант). Для того чтобы печь работала не только в режиме котла, в конструкцию внесены изменения: добавлены два колпака (на первом и на втором этажах). Для возможности эксплуатации печи без нагрева котла была добавлена задвижка (рад 17) для перекрытия колпака. В этом случае можно слить теплоноситель, например для ремонта системы отопления или на зимний период. При этом остается возможность прогреть дом только за счет печи. В таком режиме мы эксплуатировали печь пару месяцев, пока шел монтаж остальной системы. Нижняя часть печи очень не плохо нагревалась и по сути прогревала весь дом. Верхний колпак работает не очень эффективно. Т.е. чтобы его нагреть, необходимо открывать задвижки прямого хода (ряд 21). Возможно он будет лучше прогреваться, когда будем эксплуатировать печь в зимнем режиме – оба колпака внизу, топить более энергоемкими дровами На выходе из трубы дым холодный (термопарой не измерял, но лучина не темнеет) Думаю где-то около 100 градусов. Это говорит о том, что КПД печи достаточно высокий. Конденсата ни в трубе, ни в борове пока не замечено. Посмотрим, что будет зимой.

Разводку от котла сделал армированными полипропиленовыми трубами (Tebo) диаметром Ф50 и Ф25. Ф50 труба используется на подаче для подъема теплоностителя на высоту необходимую для обеспечения естественной циркуляции. В моем случае это около 4 метров, если считать от нижней точки системы. А также в нижней точке в качестве коллектора. Для безопасного использования возможность естественной циркуляции является обязательным условием. А для быстрого прогрева всех помещений и для более равномерного распределения тепла необходим циркуляционный насос. А также если планируется использовать теплоноситель-незамерзайку, то систему необходимо сделать закрытого типа. В нижеприведенной схеме я попытался реализовать все эти условия:

На схеме толстой линией условно обозначена ПП труба Ф50, тонкой – Ф25.

Предусмотрено несколько алгоритмов работы системы:

1. Основной рабочий. Шаровый кран 14 закрыт , 13 – открыт ( Важно! 13 и 14 не должны быть одновременно закрыты). Топится печь, работает циркуляционный насос, теплоноситель поднимается на второй этаж по подающей трубе (50 мм) далее в коллекторе в зависимости от положения кранов распределяется по помещениям. После отдачи тепла через регистры спускается в нижний коллектор, далее проходит через сетчатый фильтр 7, циркуляционный насос и попадает в электрокотел. Автоматика котла определяет температуру. В случае, если температура ниже заданной, котел включается и подогревает теплоноситель. Дальше установлена группа безопасности 4. После чего теплоноситель попадает снова в печной котел. После того, как печь начинает остывать, в работу полностью включается электрокотел. Тем самым обеспечивается поддержание комфортной температуры. Включение электрокотла предполагается только в ночное время, для этого в схему управления котлом будет встроен таймер (программируемый недельный таймер). В случае отключения электроэнергии, насос прекращает циркуляцию теплоносителя и система начинает работать в режиме естественной циркуляции. Т.е. циркуляция должна идти через обратный клапан 8, при этом по возможности необходимо открыть кран 8.

2. Автономный режим. Такой режим предполагается использовать для поддержания заданной температуры, когда в доме никого нет длительное время или для удаленного включения системы через GSM-контроллер или GSM-выключатель (GSM-розетку). Чтобы не охлаждать теплоноситель в печном котле, его необходимо пустить в обход. Т.е. Кран 13 закрыть, а 14 открыть.

Схема с тремя контурами применяется в данном случае лишь для возможности управления прогревом помещений. Три контура вполне можно заменить на два или на один, но важно, чтобы суммарное проходное сечение было не меньше проходного сечения подающей трубы (необходимо для обеспечения естественной циркуляции). Также необходимо соблюсти уклоны, для обеспечения самостоятельного стекания теплоносителя от самой верхней точки системы в самую нижнюю. И подающая (еще ее называют “разгонная”) труба до верхней точки должна быть максимально вертикальной и иметь минимум изгибов. На одном из форумов прочитал, что для обеспечения естественной циркуляции закрытой системы расширительный мембранный бак необходимо ставить не на обратке как обычно, а на подающей трубе в максимальной точке. Установил на чердаке.

Только в процессе эксплуатации, когда в системе была вода, выяснилось, что это было не самое лучшее решение. Т.к. через бак нет циркуляции, соответственно он не греется. Совсем. И несмотря на то, что он был достаточно не плохо утеплен, в -20 его немного прихватило. Давление в системе поднялось до 3 bar, сработал предохранительный клапан 5, сбросил лишнее, и система без проблем продолжила работу. Я даже не сразу заметил. Планирую переставить расширительный бак на обратку между коллектором и обратным клапаном.

Есть несколько моментов, которые сделал бы по-другому:

1. Очень не хватает духовки в печи. Возможно, сейчас сделал бы выбор в пользу духовки, чем в пользу более правильного сгорания топлива.

2. Колпак второго этажа не стал бы делать, т.к. он работает не очень эффективно или сделал бы его меньше.

3. Разводку основного контура (одного из трех, где больше батарей) сделал бы трубой с большим сечением. Это должно улучшить естественную циркуляцию, ускорить прогрев батарей.

4. Разводку всех трех контуров сделал бы по двухтрубной схеме. Сейчас по однотрубной, последняя батарея контура значительно холоднее первой.

5. Расширительный бак установил бы на обратке.

6. Байпас кран 9, обходящий обратный клапан, лучше сделать трубой большого сечения.

В целом я очень доволен тем, что получилось, есть несколько положительных моментов, которые хотелось бы отметить:

1. Затраты на все про все меня очень порадовали ( не больше 20 т.р.). В основном это фурнитура для печи, полипропилен, арматура, насос, расширитель и т.п. Батареи (регистры) у меня были.

2. Печь получилась “всеядная”. Горбыль само собой, но она отлично топится и углем. Топим уже третий месяц пока все хорошо. Пару раз в год чистить дымоход и колодцы от сажи думаю придется, но это нормально. Пока нет ни подтеков конденсата, ни излишней сажи. В конструкции печи предусмотрены прочистные окна.

3. Работа печи поистине какая-то фантастическая. При -20 за окном одной топки с запасом хватает на сутки. При этом температура во всем доме держится достаточно равномерно. Например: в 19:00 растапливаю небольшой корзинкой дров из горбыля (разного размера, в основном хвойных пород тонкие и с большим количеством коры). Через 15-20 минут закладываю полведра угля. Еще через 20-40 минут батареи уже горячие (Особенно первые в контуре, что называется “Рука не терпит”). Через 1,5-2 часа после закладки угля разравниваю содержимое топки и закладываю остальные полведра. Слегка прикрываю поддувальную дверцу и задвижку трубы. И все. До следующей растопки к печке не подхожу. Батареи держатся максимально горячими примерно с 20:00 вечера до 03:00 — 04:00 ночи, а остаются теплыми до 12:00 — 18:00. Но при этом сама печь отдает очень долго и равномерно тепло и может оставаться теплой даже через двое и более суток после топки. По периодически фиксированным показаниям термометра график выглядит приблизительно так:

Все еще зависит от погоды на улице. В ветряную погоду остывает дом быстрее. Даже не включая на ночь электрокотел, дома достаточно комфортно. Из-за того, что печь находится на первом этаже, пол второго этажа всегда теплый, особенно это ощущается утром.

4. Растапливается печь хорошо. Не дымит. Хотя поначалу дымила, когда еще не совсем просохла, и когда в доме было холоднее, чем на улице.

5. Колпаковая печь оправдала все ожидания по КПД. Топливо сгорает полностью, на сколько это возможно. Дым на выходе из трубы холодный где-то чуть больше 100 градусов. Конденсата пока нигде не замечено. При небольших объемах топлива отдает много тепла. А сравнить есть с чем — две печки до этого были в доме. Боюсь представить как будет работать печь на нормальных дровах ))).

6. Режим работы колпаков хорошо регулируется задвижками.

7. Очень комфортное тепло от прогретого кирпича.

Долго думал на счет марки теплоносителя. И уложиться в минмальный бюджет хотелось и чтобы система зимой не замерзала. В итоге выбор пал на обычный тосол (400р за 10 л). 40 литров тосола немного не хватило пришлось добавить 10л воды. Для проверки остатки разведеного тосола оставлял на улице. Примерно при — 30 он превращался в кисельеподобную массу но не застывал. При условии, что в доме ниже — 15 не было даже когда всю зиму не жили, то это хорошо. Используем тосол уже месяц, пока никаких проблем. Не кипит, не пенится.

В данный момент печь еще не побелена, т.к. на первом этаже еще ремонт, поэтому фоток готовой печи пока не выкладываю. Планируем побелить и нанести рисунки.

Думаю над реализацией идеи удаленного управления домом, в том числе системой отопления через GSM/GPRS: Включение/выключение котла по таймеру, по температуре, по внешней команде, аварийное выключение по срабатыванию аварийных датчиков. Это уже отдельная тема.

О колпаковых печах знают не только в России, но и далеко за её пределами. Наряду с конструкциями канального типа они отапливают множество домов, поражая даже бывалых печников своей экономичностью и производительностью. К сожалению, об их создателе — И. В. Кузнецове, знают далеко не все. А ведь на счету изобретателя более полутора сотен различных конструкций, так полюбившихся владельцам загородных жилищ за необыкновенное удобство, неприхотливость и комфорт. Технология, разработанная известным печником, позволяет сооружать обогревающие приборы в современных домах, получая при этом не только качественное отопление, но и стильное дополнение интерьера. В рамках этой статьи мы расскажем о секрете успеха и конструктивных особенностях уникальных отопительных агрегатов, а также поделимся технологией строительства своими руками одной из наиболее популярных купольных печей Игоря Викторовича Кузнецова.

Особенности колпаковых печей Кузнецова


В печах Кузнецова удачно сочетаются старинные русские традиции и технологичные формы современности

Колпаковые печи Кузнецова, которые в народе уважительно называют «кузнецовки» или «колпаковки», выгодно отличаются от других твердотопливных агрегатов повышенной тепловой отдачей и экономичностью. Если говорить на языке теплотехники, то разработки известного печника имеют КПД, которое приближается к 80%, тогда как энергоэффективность знакомой всем русской печи никогда не поднималась выше 60%. Столь значимых показателей производительности удалось достичь благодаря совершенно новому принципу движения газов внутри печи, на котором и базируется большинство разработок Кузнецова.

Во всех ранее известных конструкциях разогретые продукты сгорания двигаются по лабиринту каналов, по пути теряя тепло на нагрев кирпича. При этом для нормальной работы печи требуется хорошая тяга, иначе прекращается отток газов из рабочей зоны, а, следовательно, и ухудшается теплообмен. Кроме того, повышение давления в рабочей камере создаёт препятствие поступающему к очагу воздуху, что переводит печь в режим газогенератора — она начинает тлеть и коптить.


Особенности движения газов в купольных печах

Используемые Кузнецовым принципы свободного перемещения газов предполагают совершенно другой способ теплообмена. Несколько сводов-колпаков, размещённых внутри отопительного прибора, производят ступенчатый отбор тепла от восходящих горячих потоков. По мере остывания продукты сгорания опускаются вниз и замещаются газами с более высокой температурой. Чтобы наглядно представить себе этот процесс, достаточно вспомнить, как себя ведёт струя дыма, запущенная в перевёрнутый стакан. Сначала она поднимается, соприкасается с дном и отдаёт ему своё тепло, а затем рассеивается и по стенкам опускается вниз.

Конечно же, «кузнецовка» устроена намного сложнее, да и процессы, которые в ней происходят, более многогранны, чем в описанном выше примере. Тем не менее именно благодаря тому, что движение горячих масс происходит естественным образом, удаётся достичь потрясающей экономичности и теплоотдачи. Что же касается тяги, то, казалось бы, задержка дыма в куполе печи должна приводить к её ухудшению. На практике же естественная конвекция внутри колпака обеспечивается не только за счёт дымохода, как в канальных печах, но ещё и благодаря разрежению воздуха под сводом, чему способствует высокая температура продуктов сгорания, которые туда устремляются. Как следствие, работоспособность сооружения будет обеспечивать даже более короткая дымовая труба, чем того требует любая шведская или голландская печь.


Колпаковый твердотопливный теплогенератор в разрезе

Надо сказать, что увеличение теплоотдачи «кузнецовок» происходит не только благодаря более совершенному способу конвективного теплообмена, но и по причине отсутствия системы газоходов. Поскольку сразу же за дымоходом устье печи переходит в широкий колпак, в купольных агрегатах отсутствует эффект ускорения газового потока в узких каналах, описанный термодинамическим законом Бернулли. В итоге после прогорания дров горячие газы не уходят в дымоход, а длительное время циркулируют под колпаками, отдавая остаточное тепло и обеспечивая меньшие суточные колебания температуры.

К вопросу о том, может ли печь функционировать без принудительной тяги

Из более совершенной конструкции печи проистекает масса достоинств:

  • требуется меньше материалов для строительства;
  • с продуктами сгорания уносится меньше твёрдых частиц, поэтому чистить стенки обогревающего агрегата придётся намного реже;
  • возможность установки короткого дымохода;
  • работа практически на всех видах твёрдого топлива;
  • неприхотливость в эксплуатации — купольные печи требуют обслуживания намного реже, чем канальные;
  • наличие свободного пространства внутри печи позволяет установить контур горячего водоснабжения;
  • равномерный прогрев и теплоотдача в течение длительного времени;
  • быстрый выход на рабочий режим.

Невозможно не отметить и тот факт, что благодаря своей оригинальной конструкции печи Кузнецова дают широкие возможности в плане дизайна интерьера, являясь неким связующим звеном между тёплой «ламповой» русской печью и высокотехнологичным оборудованием современных жилищ.


Отопительно-варочная печь Кузнецова является весьма компактным отопительным прибором

Существует множество конструкций бытовых купольных теплогенераторов И. В. Кузнецова, способных выполнять целый ряд задач:

  • отопительные печи используются для обогрева жилых помещений;
  • варочные предназначены для приготовления и подогрева пищи;
  • банные созданы для отопления бань и саун;
  • наружные устанавливают в зонах отдыха. Печи этого типа подразделяются на обогревающие и универсальные (с варочной поверхностью, барбекю, казаном или мангалом);
  • хлебные позволяют изготавливать любую выпечку и нередко совмещаются с варочными;
  • каминные помимо основного предназначения выполняют ещё и эстетическую функцию.

Как видите, перечень «колпаковок» чрезвычайно широк, хоть он и не вмещает всего разнообразия печей специального назначения и совмещённых агрегатов, разработанных известным конструктором и его подвижниками.

Конструкция и принцип действия

Выражение «Всё гениальное — просто!» в полной мере касается конструкции купольной печи, которая позволяет реализовать достоинства свободного движения газов. Простейший двухколпаковый агрегат, представленный на рисунке слева, работает следующим образом. Воздух, необходимый для горения дров, поступает через поддувало 1. Топку 2 выполняют в виде сужающегося сопла, благодаря чему удаётся не пропускать наружный воздух сверх меры. В противном случае он будет сразу же уходить во второй колпак, увлекая за собой разогретые газы. Препятствует поступлению тяжёлого холодного воздуха и так называемая газовая вьюшка, которая образуется под куполом. К слову, из-за простой конструкции установившаяся внутри печи атмосфера часто бывает неустойчивой — её срывает тяга со стороны внешнего колпака. Именно поэтому двухколпаковые печи, известные задолго до рождения Кузнецова, не имели популярности.


Принцип действия двухколпаковой печи

Во время активного горения дров не успевшие окислиться кислородом воздуха горючие газы поднимаются под купол 4 внутреннего колпака 3. Там они воспламеняются под действием открытого пламени и высокой температуры. Можно сказать, что под колпаком возникает зона, подобная той, которая образуется в камере дожигания обычной пиролизной печи. Немаловажно и то, что процесс пиролитического горения сам себя регулирует — при очень интенсивном пламени затрудняется отток продуктов сгорания, а соответственно, уменьшается и тяга. Если же пиролизные газы выгорают, то процесс восстанавливается. В это же время не менее важные процессы происходят и под сводом второго колпака. В этой зоне вступают в реакцию оксиды азота и монооксиды углерода (угарный газ), которые в результате реакций распадаются на безопасные компоненты. При правильной работе купольного агрегата в дымоход уходит преимущественно водяной пар и углекислый газ.

Когда горение дров подходит к концу, колпаки выступают в роли накопителей, удерживая под своими сводами разогретые воздушные массы. В отличие от канальных печей, где остаточные продукты горения попросту «вылетают в трубу», в «кузнецовках» они отдают всю свою энергию кирпичным стенам.

Идеальным вариантом двухколпаковой печи был бы агрегат круглой формы. В этом случае тело отопительного прибора могло бы выполнять функции верхнего купола. К сожалению, на практике соорудить такой теплогенератор сложно не столько из-за сферической формы, сколько по причине трудностей с обустройством прочисток и люков для их обслуживания. Из-за этого колпаки соединяют между собой широким каналом, который проходит в задней части печи. Эта особенность отражена на схеме, расположенной справа.

При необходимости интеграции в печь водонагревательного контура его устанавливают под сводом второго колпака. Такой способ не влияет на тепловое равновесие системы и не оказывает негативного воздействия на режим горения топлива.

Ещё больше повысить КПД печей этого типа позволяет установка нескольких каскадов, каждый из которых состоит из двух колпаков, однако ввиду сложности монтажа и повышенных требований к термостойкости футеровки подобные конструкции популярностью среди печников-любителей не пользуются.


Принципиальная схема простейшей печи Кузнецова

Описанные выше принципы естественного движения горячих газов полностью выдержаны в печах, разработанных И.В. Кузнецовым. На приведённой выше схеме одного из таких агрегатов цифрами обозначены: 1 — топочная камера; 2 — так называемый сухой шов; 3 — внутренний купол;

4 — теплообменник; 5 — верхний купол; 6 — дымоход. Как видите, топка и нижний колпак объединяются в одно пространство, разделённое узким каналом, который называют «сухим швом». Это позволило создать во внутреннем куполе и зоне сжигания условия, наиболее подходящие для свободного движения горячего газа к своду колпака, а охлаждённого — в сторону топки.

Расчёт купольных отопительных приборов

Не вдаваясь в сложные термодинамические выкладки, приведём простейшую методику расчёта колпаковой печи, которой пользуются не теоретики, а самые что ни на есть настоящие печники с большим стажем работы и десятками успешно работающих отопительных прибооров в активе.

Если за основу планируется взять одну из существующих конструкций, то потребуется посчитать теплопотери помещения. Для этого определяют его объём, основываясь на габаритах внешних поверхностей стен и потолков. Чтобы упростить себе задачу, можно измерить внутренние размеры и прибавить к ним удвоенные значения толщины стен. Получив кубатуру помещения, умножают её величину на 21 — усреднённое значение тепловых потерь для 1 кубического метра общего объёма. Мощность печи должна быть на 15–20% больше полученных значений.


Купольная печь, предназначенная для отопления двухэтажного дома

Теперь что касается случая, когда по какой-либо причине ни один из найденных проектов вас не устраивает. Выход один — создать отопительный прибор самостоятельно, основываясь на общих принципах строительства колпаковых печей и способах определения их внутренних размеров по методу пропорций. Всё, что для этого потребуется — правильно определить внешние габариты обогревающего агрегата. Методика расчётов в этом случае также не отличается сложностью. Прежде всего, полученное значение теплопотерь надо разделить на 300 — тепловую мощность, которую можно снять с 1 кв. м внешних стенок печи. При этом берутся в расчёт только активные поверхности, то есть те, которые непосредственно участвуют в теплообмене. Таким способом получают площадь стенок, расположенных выше колосников. Прибавив к ним квадратуру остальных частей печи, получают общую площадь твердотопливного теплогенератора. Его высоту и ширину определяют согласно соотношениям конструкции, взятой в качестве примера.

Иногда возникают ситуации, когда получившийся в результате агрегат получается слишком громоздким. Не беда — его можно спокойно уменьшить на 25–30%, если исходить из того, что топиться печь будет утром и вечером.

Делая печь более компактной, следует знать, что двойная топка никогда не даст удвоенной теплоотдачи. Максимум, которого можно добиться — это прирост тепловой энергии на 40–50%. Так что эстетам и перфекционистам придётся смириться с потерей в экономичности отопительного прибора.

Что же касается сухого шва, то его выполняют шириной 2–3 см, причём нижнее значение принимают во время постройки ежедневно эксплуатируемых агрегатов, а верхнее — при сооружении «печей выходного дня», то есть установленных на дачах, в охотничьих домиках и т. д.

Как и было обещано во вводной части, представляем вашему вниманию порядовку и технологию строительства несложной в изготовлении, но очень популярной печи авторства И. В. Кузнецова. Её тепловая мощность составляет 10 кВт, чего будет достаточно для дома средних размеров.


Порядовка одной из наиболее повторяемых конструкций, разработанных И. В. Кузнецовым

Что понадобится для строительства

Сразу отметим, что для строительства печи лучше не брать кирпич, бывший в употреблении. Постоянные температурные перепады и так являются не самыми подходящими условиями для его эксплуатации, а если взять материал с усталостными напряжениями, то не исключено, что через пару-тройку лет стенки печи начнут попросту рассыпаться в труху. Итак, что понадобится подготовить для реализации нашего проекта:

  • полнотелый кирпич из красной глины M 150 в количестве 754 шт. – для кладки корпуса отопительного прибора и дымохода;
  • песок, 150 кг;
  • глина мелкой фракции, 130 кг;
  • кирпич огнеупорный — 63 шт., который понадобится для обустройства ядра печи;
    В продаже чаще всего встречается шамотный кирпич марок Ш-5 и ШБ-8. В нашем случае лучше взять последний, поскольку его габариты полностью соответствуют размерам красного кирпича.
  • поддувальная дверца, 1 шт.;
  • топочная дверца, 1 шт;
  • дверцы для прочистки каналов, 6 шт;
  • колосниковая решётка, 1 шт (минимальный размер 250х375 мм, который можно набрать из отдельных колосников);
  • стальная проволока для перевязки рядов;
  • металлический уголок;
  • задвижка дымохода, 1 шт;
  • асбестовый шнур или базальтовый уплотнитель — для герметизации мест установки чугунного литья.

Если вы когда-либо выполняли кирпичную кладку, то должны знать, что для этого понадобится:

  • кельма (мастерок);
  • ёмкость для приготовления раствора;
  • строительный уровень;
  • отвес и шнур;
  • молоток каменщика;
  • миксер для перемешивания смеси (можно воспользоваться насадкой для электродрели или готовить раствор вручную);
  • рулетка;
  • карандаш.

Если в процессе строительства потребуется подрезка кирпича для лицевой стороны печи, то эту работу лучше выполнять при помощи болгарки с установленным отрезным диском для камня и бетона.

Подготовительные работы

Прежде чем приступить к строительству, выбирают место и определяют конструкцию и расположение дымохода (как в помещении, так и на крыше). После этого можно начинать работы по обустройству основания печи. Если отопительный агрегат возводится вместе с домом, то заливают общий фундамент. В случае когда печь кладут в жилом помещении необходимо удалить часть пола, которая приходится на «кузнецовку». При этом внешний контур основания печи должен быть на 10–15 см больше его габаритов.

Варианты размещения дымохода для колпаковой печи

Для обустройства фундамента делают углубление 20–25 см, на дно которого насыпают песчаную подушку толщиной 10 см, которую проливают водой и утрамбовывают. После этого на высоте 5 см укладывают армирующую сетку, по внешнему периметру устанавливают опалубку и заливают конструкцию бетоном. Приступать к кладке можно сразу же после его полного схватывания, которое в зависимости от температуры происходит примерно за 2–3 суток.

Кроме заливки основания, перед началом кладки потребуется подготовить раствор. Для этого берут чистую глину и просеянный речной песок. Глину высыпают в большую металлическую ёмкость, разминают и замачивают в небольшом количестве воды. После того как она хорошо раскиснет, добавляют песок и доводят консистенцию раствора до состояния очень густой сметаны. Чаще всего печники используют пропорцию 3 части глины на 1 часть песка, но правильное соотношение компонентов зависит от типа глины — чем выше её жирность, тем больше потребуется добавлять песка (вплоть до соотношения 2:1).

Приступая к работе, лучше распечатать порядовки на бумаге, в процессе строительства зачёркивая каждый уложенный ряд. Особое внимание уделяют местам установки футеровочного слоя — на схемах они выделяются пунктиром или другим цветом. Учтите, что если вместо огнеупорного материала будет использован обычный кирпич, то такая печь будет не только недолговечной, но и малопроизводительной.

Как соорудить печь при помощи схемы порядовки своими руками

1. 1-й и 2-й ряды выкладывают из красного кирпича. При этом важно помнить, что любая печь сооружается только с использованием глиняных растворов, цемент здесь неуместен. При желании днище «кузнецовки» можно сделать и толще — это пойдёт только на пользу теплоизоляции её нижней части.

Укладку первого ряда ведут всплошную

2. Начиная со второго ряда выводят каналы дымохода и монтируют поддувало. В передней и правой боковой стенке устанавливают дверцы для чистки печи. Важно выставить их рамки по уровню или отвесу, иначе сооружение будет выглядеть неопрятно. Крепление металлических элементов производится при помощи стальной проволоки (лучше оцинкованной), уложенной в кладку. Поскольку металл и кирпич имеют различный коэффициент теплового расширения, то при эксплуатации печи швы, примыкающие к чугунным элементам, будут растрескиваться. Чтобы компенсировать смещение конструкций при нагревании, между печным литьём и кирпичными стенками укладывают слой асбеста или базальтовой ваты толщиной 5–6 мм.

Один из способов обустройства компенсационных швов

3. Ряд №4 должен перекрыть дверцу поддувала. В качестве опоры для верхних кирпичей используют перекладину из металлического уголка, уложенную на боковые стенки проёма.

При строительстве печей толщина кирпичных швов должна быть больше, чем при возведении других конструкционных сооружений. Это связано с необходимостью компенсации теплового расширения частей отопительного агрегата, которые имеют различную температуру.

4. Начиная с 5-го ряда выполняют огнеупорную футеровку рабочей зоны шамотным кирпичом, поставленным на ребро. Для его кладки лучше использовать не обычную глину, а шамотную — она не будет выгорать под воздействием высокой температуры. На этом же этапе устанавливают и колосниковую решётку. Здесь же придётся и выполнить первый сухой шов — на порядовке он обозначается синим цветом. Для этого после выкладки шамота в строго отведённых местах глиняный раствор из кладки изымается, а образовавшийся зазор заполняется прокладками из каолинового, базальтового либо другого минерального картона.

Высокотемпературная зона выкладывается шамотным кирпичом

5. 6-й ряд примечателен установкой топочной дверцы. Если эстетическая сторона для вас не менее важна функциональности, то лучше взять оригинальную печную чугунину, которую сейчас в большом количестве можно найти в строительных магазинах.

Монтаж топочной дверцы

6. Аналогично перекрытию поддувала, на 9 ряду закрывают топочный проём, продолжая возведение внутренних каналов печи. Нелишне будет ещё раз напомнить о необходимости проверки ровности кладки пузырьковым уровнем.

7. На уровне 12 и 13 ряда во внутреннем пространстве печи сооружаются столбики катализатора.

8. 17-м и 18-м рядом перекрывается нижний колпак отопительного агрегата.

Вспомогательные шнуры, натянутые по углам сооружения, помогут справиться с задачей начинающему печнику

9. Начиная с 19-го ряда возводится верхний колпак с внутренними теплообменными каналами. Здесь же устанавливаются и четыре дверцы для их чистки.

10. Обязательно обратите внимание на задвижку дымового канала, установленную в 28 ряду. Она понадобится для того, чтобы печь не остывала в период между топками.

11. 29-м и 30-м рядом формируют свод верхнего купола, а начиная с 31 возводят дымоход.

Может с первого раза такая красавица у вас и не получится, тем не менее, всегда есть к чему стремиться

После того как печь будет сложена, проводят первую растопку. Не следует сразу же загружать топливник по полной — агрегат должен нагреваться неспешно, иначе не миновать появления трещин в кладочных швах. В первые минуты испытательного запуска печь может немного коптить, пока полностью не прогреется её внутренний объём. В дальнейшем выбросы дыма из топливника и поддувала недопустимы, и если они появляются, значит, нарушена технология строительства. После прогрева и обжига печи проверяют её работоспособность в различных режимах, а также обследуют наружные элементы на предмет их герметичности.

Что следует учитывать во время строительства

Сухой шов, которым топка соединяется с колпаком, нужен для координации конвекционных потоков, присутствующих в обеих камерах. Горючий газ с высоким содержанием водяного пара засасывается в топливник для повторного сжигания, что улучшает тепловые показатели работы печи и способствует появлению турбулентности в её атмосфере.

Топливная камера заполняется воздухом не только из поддувала, но и по каналам, расположенным в стенках печи. Благодаря этому под сводом колпака присутствует дополнительное количество кислорода (вторичного воздуха), необходимое для дожигания пиролизных газов. В случае использования одной только колосниковой решётки полного сжигания достичь не удастся, поскольку весь кислород будет выгорать в верхней части пламени.

Столбики катализатора устанавливаются только из шамотного кирпича, поскольку размещаются выше топки — в зоне высокой температуры. Разогреваясь докрасна, они дожигают всё, что поднимается под купол.

Учитывая некоторые особенности строительства колпаковой печи, хочется дать несколько простых советов.

  1. Топочная камера не должна быть частью купола. Вся соль конструкции Кузнецова в том, что дрова должны гореть в небольшой камере — так будет намного проще создать высокую температуру, необходимую для завершения процессов пиролиза. Если же объединить топку и колпак в одном пространстве, то получится самая обычная русская печь, которая к тому же ещё и будет дымить из-за плохой тяги.
  2. Обжиг печи начинают с щепок, добавляя топливо небольшими порциями в течение нескольких часов.
  3. Из-за различных коэффициентов температурной деформации шамотная топка может разорвать внешний короб из красного кирпича, поэтому в местах взаимного примыкания обязательно нужны деформационные зазоры.
  4. Для усиления кладки в продольные швы укладывают отрезки стальной проволоки. Необязательно выполнять перевязку постоянно — достаточно усилить каждый второй или третий шов.
  5. Опытные печники не рекомендуют замачивать кирпич перед укладкой.

Напоследок заметим, что вносить какие-либо изменения в описанную конструкцию можно только в том случае, если вы хорошо разбираетесь в процессах, протекающих в колпаковых печах и уверены в правильности переделок. В противном случае эксплуатация «усовершенствованного» отопительного прибора может быть не только малоэффективной, но и небезопасной.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *