Аппараты (печи) отопительно-варочные походные

Известно, что необходимая конструкция печки выбирается в зависимости от условий ее применения (климатические и природные факторы, конструкция палатки, схема размещения людей в палатке и др.) и от назначения (обогрев, растапливание снега, приготовление пищи и др.), следует отметить, что желание получить универсальную печку приводит, как правило, к увеличению веса конструкции. Поэтому при разработке приходится задаваться граничными условиями.

Предлагаемая конструкция (С.В.Дюжаков) разрабатывалась для применения в условиях горно-таежной местности с учетом возможности ее использования в любой период зимнего сезона и практически с любыми дровами, имея в виду, что самые неблагоприятные условия для работы печки - в ноябре -декабре, когда влага еще не выморожена из стволов, а самые худшие дрова из традиционно используемых хвойных пород – лиственные, поскольку сушины лиственницы имеют в своей структуре достаточно большое количество влаги.

Разработка конструкции осуществлялась последовательно. В первую очередь был определен минимально необходимый объем камеры сгорания, обеспечивающий устойчивый и активно протекающий процесс горения разных по влажности дров. Поскольку теоретически определить искомую величину достаточно трудно, были проведены предварительные испытания.

Длина камеры сгорания определяется размерами трубы. Изготовленной из ленты, сворачиваемой при транспортировке в рулон, то есть должна быть несколько больше ширины ленты, которая, в свою очередь, определяется необходимой площадью сечения трубы, ее диаметром. Длина печи составляла 300 мм .

Высота камеры сгорания складывается из высоты слоя дров, уложенных на колосниковую решетку, и высоты пламени от их сгорания. Верхнюю поверхность камеры должна омывать верхняя зона факела, имеющая максимальную температуру. Существующая в настоящее время тенденция по созданию печек, у которых рабочая зона служит только для размещения дров, приводит к тому, что факел от сгорания формируется уже в зоне трубы, там, где скорость газового потока максимальна, а теплопередача от газового потока к стенке минимальна. Даже визуально, встречая в походах группы с такими печками, заметно. Что у них при использовании самых лучших дров (кедровых) краснеет только начальный участок трубы. Для определения зависимости высоты камеры сгорания от количества тепла, отдаваемого как всей поверхности печки, так и единицей ее поверхности, были проведены следующие исследования. Была изготовлена обычная прямоугольная печка с боковой горизонтальной загрузкой дров с наиболее часто встречающимися в туристкой практике размерами: длиной 300 мм , шириной 200 мм и диаметром трубы 80 мм , у которой донная часть вместе с поддувалом и колосником могла перемещаться по вертикали внутри печки, изменяя высоту камеры сгорания от 130 до 280 мм . В качестве топлива использовались пихтовые чурочки с линейными размерами сечения 40- 50 мм , которые укладывались слоем высотой 100 мм (суммарный вес 1500 ± 30 г). Температура поверхности в различных точках замерялась в период максимального нагрева печки при установлении устойчивого режима горения с помощью переносного потенциометра и поверхностной хромель-алюмелевой термопары. Полученные значения приведены в таблице 1.

На основании полученных значений температуры поверхности был рассчитан максимальный тепловой поток от всей печки при различной высоте камеры сгорания. При расчете учитывался только тепловой поток, полученный в результате излучения наружной поверхности печки без учета конвективного теплообмена, при этом излучающая способность каждой поверхности определялась по формуле:

Таблица 1. Температура поверхности печки (средняя по рем точкам каждой поверхности).

Высота камеры сгорания, мм

Боковые стороны ( по двум)

Труба - 200 мм от печки

Труба - 800 мм от печки

После чего умножением полученного значения излучающей способности на площадь поверхности определялся тепловой поток, излучаемый каждой поверхностью печки (ее максимальное значение). При делении мощности печки на площадь всей ее поверхности получены средние значения излучающей способности печки. Результаты расчетов представлены на рис. I .

Рис. I . Зависимость тепловых характеристик печки от высоты камеры сгорания: 1 – тепловой поток; 2 – излучательная способность.

Рис. II . Эскиз печки: а – со встроенной камерой дожигания (конструкция Б); б) – с вынесенной камерой дожигания ((конструкция В)

Таким образом, при увеличении высоты сгорания, величина теплового потока от печки возрастает, что вызвано как увеличением общей излучающей поверхности печки, так и повышением температуры в камере сгорания за счет улучшения организации горения топлива, однако кривая 2 показывает, что удельный тепловой поток (излучающая способность) имеет максимальное значение при высоте камеры сгорания равной 200-150 мм.

Аналогичные исследования были проведены для определения оптимальной ширины камеры сгорания: были изготовлены четыре печки длиной 300 мм , шириной 150, 175, 200 и 225 мм . Все порции дров, так же как и в предыдущей серии исследований составлял 1500 ± 30 г.

Замеры температуры поверхности печки и проведенные расчеты тепловых потоков показали, что максимальный удельный тепловой поток излучается печкой с шириной камеры сгорания равной 180- 210 мм . Хотя, конечно, следует иметь в виду, что при использовании трубы большего диаметра возрастает и верхний предел данного диапазона.

В дальнейшем все эти печки были использованы в качестве снаряжения для сложных зимних походов. Следует отметить, что к печкам с шириной 175 мм и более претензий не было, а вот при эксплуатации печки шириной 150 мм наблюдалось следующее: при использовании пихтовых дров в ноябрьском походе и лиственных – в февральском, первые часы после разжигания на биваке процесс горения протекал неактивно, дрова тлели без яркого устойчивого факела. Для активизации процесса приходилось колоть дрова на тонкие лучины. Однако в дальнейшем, по мере высыхания дров, разложенных в поленницы вокруг печки, процесс горения достигал устойчивого состояния. Эти наблюдения были подтверждены в мартовском походе при использовании пихтовых дров, высушенных морозом к этому времени. В этих условиях печка шириной 150 мм работала достаточно хорошо, хотя участниками похода отмечалось, что при использовании в аналогичных условиях печки шириной 200 мм в палатке было значительно теплее.

На основании проведенных исследований были установлены оптимальные размеры камеры сгорания: высота 200- 250 мм , ширина 180- 210 мм , длина не менее 300 мм . В дальнейших модификациях печки размеры камеры сгорания не менялись и составляли соответственно 220, 200 и 300 мм (в дальнейшем данная печка будет именоваться "конструкция А").

При проведении испытаний было отмечено, что зона максимальных температур поверхности печки (покраснение поверхности) расположена в районе отверстия для выхода продуктов сгорания и трубу, остальная поверхность была практически темной.

С целью более полного использования тепловой энергии, полученной от сгорания дров, было предложено испытать печку с дополнительной камерой дожигания (рис. II а), для чего общая высота печки была увеличена на 40 мм , внутри на расстоянии 40 мм от верхней поверхности была установлена горизонтальная перегородка, не доходящая до задней стенки на 50 мм , а отверстие с патрубком для трубы было выполнено около передней стенки (конструкция Б).

Проведенные замеры показали, что в данном случае температура передней, верхней и боковой поверхностей печки возросла на 30-55 ° С при сохранении примерно на том же уровне значений температуры других поверхностей. В результате тепловой поток от данной печки возрос на 16,7%, а излучательная способность - на 9,1% по сравнению с конструкцией А при увеличении площади теплоизлучающей поверхности на 6,9 %.

На основе полученной конструкции Б показалось заманчивым получить дополнительное тепловое излучение от расположенной внутри печки перегородки, что привело к созданию конструкции В с вынесенной камерой дожигания (рис. II б).

Выполненные замеры и расчеты показали. что за счет появления дополнительных теплоизлучающих поверхностей тепловой поток от печки возрос на 8,8% относительно конструкции Б и на 27% относительно А. В то же время излучательная способность конструкции В на 6,7% меньше, чем у конструкции Б, но остается выше, чем у конструкции А, на 1,9 %, однако у конструкции В – самое максимальное значение теплового потока, отнесенного к величине веса печки (таблица 2).

Следует отметить, что идея использования тепла отходящих газов в походной печке не оригинальна, имеются достаточно широко апробированные технические решения. Например, труба от печки проходит под коньком вдоль всей палатки, но при этом велика опасность возникновения пожара, не говоря уж про загорание сохнущей одежды. Другой вариант: над печкой устанавливается специальная тепло улавливающая конструкция. Так называемый экономайзер, при этом тепловой поток существенно увеличивается, однако технические показатели работы такого теплового агрегата: излучательная способность, затраты веса конструкции для получения 1 кВт мощности теплового потока, общий вес - будут хуже, чем у конструкции В. Такое различие обусловлено в первую очередь тем, что излучательная способность нагретого тела прямо пропорциональна четвертой степени температуры. А температура поверхности экономайзера в любом случае будет ниже, чем температура поверхности встроенной камеры дожигания (конструкция Б и В).

Методом подбора определены также диаметр трубы печки. Оптимальный диаметр в диапазоне от 40 до 110 мм составлял 70- 90 мм , а выбор длины трубы определяется в основном обеспечением хорошего искроуноса, с тем чтобы не прогоревшие искры не падали на поверхность палатки, что особенно важно для палатки из капронового материала. С другой стороны, следует учитывать, что в общем весе печки вес трубы составляет около 50 %. Было определено, что оптимальная высота трубы - 2800 мм .

Предлагаемая конструкция В при всех своих достоинствах обладает одним серьезным недостатком, который может существенно ограничить ее применение, – габаритный размер по высоте велик, переносить такую печку не очень удобно.

Учитывая опыт проведения испытаний с печкой, имеющей подвижное дно, была разработана конструкция Г телескопически собираемой складной печки (рис. III ). Данная конструкция предназначена для применения ее в подвешенном состоянии в палатке, не имеющей дна, хотя после незначительной доработки ее можно устанавливать и на стойках.

В транспортном положении поддон 1 вместе с колосниковой решеткой 2 (изготовленной из нержавеющего листа 1.2 мм ) вдвигается внутрь печки снизу, при этом высота печки уменьшается с 340 до 250 мм . Внутрь печки укладывается свернутая в рулон лента - труба, имеющая размеры 290 ´ 2800 мм, изготовленная из нержавеющей фольги толщиной 0,2 мм .

В рабочем положении печка подвешивается на стальном тросе диаметром 1,5 мм , закрепленном за серьги 3, изготовленные из нержавеющей проволоки диаметром 2 мм . Передние серьги крепятся за верхнюю поверхность камеры сгорания 4 и являются стойками для фиксирования в нужном положении переднего консольно выступающего края камеры дожигания 5 (см. разрез А-А). Поддон 1 выходит вниз и остается в подвешенном состоянии. Узлы подвески выполнены в четырех углах печки, конструкция такого узла приведена в разрезе Б-Б и на виде В. Для обеспечения большей жесткости узла разъема печки в кромки верхней и нижней ее частей завальцованы каркасы 11 из проволоки диаметром 1,2 мм .

Печка в палатке для устойчивости закреплена дополнительно оттяжкой и занимает положение, изображенное на рис. IV .

Лента трубы сворачивается по длинной стороне и закрепляется четырьмя кольцами из нержавеющей проволоки диаметром 2 мм . В таблице 2 приведены тепловые и весовые характеристики четырех испытанных конструкций печек.

Таблица 2. Технические характеристики походных печек, имеющих камеру сгорания размерами 200х 300х 220 мм (материал - нержавеющая фольга 0,2 мм ).