Простейшим обогревающим устройством является костёр, представляющий собой совокупность двух или более поленьев, греющих друг друга. Костёр является величайшим изобретением человечества. Чёрные (курные) бани — это фактически сочетание костра и воды.

Пустоты между поленьями костра практически представляют собой множество микротопок с горящими деревянными «стенками». Скорость горения «стенок» может целенаправленно изменяться подбором размера и порядком укладки поленьев, их шуровкой, увлажнением, продувкой воздуха и т. п. В этом отличие костров от лесных и бытовых пожаров, которые «управляемы» весьма условно (в части тушения). Но, конечно, теория локальных костров лежит в основе теории распространяющихся пожаров.

Первичными отличиями костра от полена являются: во-первых, возможность подогрева поленьев (для сушки, воспламенения и горения) другими уже горящими поленьями и во-вторых, возможно затруднённый доступ кислорода к месту горения. Если воздух подавать во все промежутки между поленьями в достаточном количестве, то пламя костра низкое (сосредоточено в закладке дров). Но если воздуха в закладке дров не хватает, то летучие продукты пиролиза вырываются из межполенных промежутков и догорают над костром в виде «столба огня».

Рис. 97. Костры с повышенной лучистой теплоотдачей: а — рыхлая укладка поленьев; б — подкладка поленьев на горящие угли; в — костёр с подкладкой дров с металлическим навесом-гасителем высоты пламени и отражателем теплового излучения. 1 — основание (грунт, огнестойкая площадка), 2 — горящие угли, 3 — постоянно подкладываемые поленья, 4 — дым (копоть, сажа), 5 — геометрия тепловой конвективной струи (столба пламени и дымовых газов), 6 — металлический навес-грибок.

Костёр согревает людей за счёт лучистого тепла от горящих углей и от раскалённых сажистых частиц (пламени). Горячие дымовые газы (продукты сгорания) поднимаются вверх и не оказывают влияния на человека, если только не нагревают, скажем, потолок или радиационную панель (жаровню). Ясно, что если огонь разводится в нижней зоне толстого слоя дров, то пламя фактически «завалено» поленьями, которые вначале долго дымят «белым дымом», поглощая всё тепло источника горения. Если же огонь разводится поверх дров, то пламя и угли с самого начала эффективно прогревают стены помещения лучистым потоком и к тому же подавляют дымление за счет сгорания сажи в пламени. Это означает, что костры в помещениях целесообразно поддерживать постоянным подбрасыванием мелких поленьев на кучу раскалённых углей. Чтобы горящие поленья грели друг друга и в то же время выпускали из костра побольше лучистого тепла, применяют рыхлые укладки поленьев (рис. 97а), но это затрудняет распространение пламени.

Языки пламени — это контуры потоков горючих продуктов пиролиза, визуально очерченные поверхностными оболочками зон горения. Эти языки пламени устремляются вверх (порой отрываясь), объединяются в единую ускоряющуюся струю огня, переходящую в столб дыма, выполняющий роль дымовой трубы для создания тяги.

Столб дымовых газов постепенно взвихривается и приобретает обычную форму расширяющейся затопленной струи (рис. 52). При этом на больших высотах столб дымовых газов ведёт себя точно так же, как струя над любым тепловым источником той же мощности. Под мощностью при этом имеется в виду мощность конвективной струи, в случае костра равная общей мощности горения минус теплопотери на излучение. То есть, чем больше будут лучистые потери (от углей и пламени), нагревающие людей, чем больше тепла мы отберём от костра или пламени, тем холодней будут дымовые газы, тем меньше будет тяга, но тем более безопасным станет костёр как источник столба горячих газов, к тому имеющих внутри себя «искры» — крупные горящие частицы древесины и сажи. При этом охлаждение именно дымовых газов ( то есть смеси продуктов сгорания с избыточными количествами воздуха) вовсе не означает непременное снижение температуры горения горючих газов пиролиза (оболочек - контуров пламени) с появлением чёрного дыма. Зоны горения всегда горячей дымовых газов и охладить их можно лишь нехваткой воздуха для горения (см. ниже). Поэтому размещая в зоне пламени теплоёмкие элементы, мы снижаем температуру дымовых газов точно так же, как кастрюля на газовой плите снижает нагрев кухонного помещения от горячих потоков сгоревшего газа. Точно такой же эффект охлаждения дымовых газов будут оказывать и малотеплоёмкие сильно разогревающиеся в пламени элементы (в частности, сажистые частицы), но уже за счёт собственного излучения. Так, например, металлический зонтик-грибок, защищающий костёр от дождя, нагреваясь, может выполнять роль жаровни, отводящей тепло из зоны пламени за счёт своего инфракрасного излучения (рис. 97,в).

Рис. 98. Открытые очаги: а — ограждённая бетонная или кирпичная площадка, б — площадка с ограждением-навесом из согнутого листа металла, в — площадка с ограждением в виде металлической бочки, открытой сверху. 1 — металлический лист-жаровня, подвешенный над пламенем для повышения лучистого потока, 2 — цепи, опущенные в пламя, для повышения лучистого потока, 3 — металлический навес-ограждение, 4 — металлическая бочка без дна, 5 — отверстие в верхнем торце бочки, 6 — подъёмное устройство для поднимания бочки после окончания пламенного горения, 7 — воздухозаборное отверстие.

В помещениях костры разжигались на специальных огнестойких ложах, называвшихся у греков и римлян каминами, у славян — топками, у турок — очагами и т. д. Чаще всего это были каменные (кирпичные) площадки с ограждениями (рис. 98). Впоследствии огонь стали ограничивать сводами, называвшимися у римлян камерами, а у славян печами. После прогорания огня в теплоёмкой печи можно было печь еду (хлеб, лепёшки), то есть готовить не на огне (пламени), называвшемся пылом, а на лучистом тепле (жаре от углей или «вольном тепле» от раскалённого свода) или на раскалённом поде (или своде).

Огнестойкие ложа для огня изготавливались и в виде переносных жаровен, например, тачек или носилок на ножках, футерованных кирпичом, или крупных металлических (или глиняных) поддонов (ящиков) на ножках, аналогичных современным мангалам, грилям, шашлычницам. Жаровни могли огораживаться с боков и сверху металлическими листами, также называемыми жаровнями (грилями), которые, нагревшись, испускали добавочное лучистое тепло. Иногда переносные жаровни разжигались на открытом воздухе и вносились в помещение, когда в них оставались одни угли (и/или раскаленные камни).

Дымовые газы из открытых очагов выводились через отверстия в потолках, расположенных либо непосредственно над очагом (как в чумах, юртах, лаконикумах и т. п.), либо со сдвигом, когда дымовые газы расстилаются по потолку и выходят через дымник в потолке и волоковое отверстие вверху стен. Для предотвращения загрязнений и пожаров в XII веке в Европе стали использовать вытяжные зонты 4 (рис. 99,а). давшие жизнь современным каминам. Такие зонты стали первыми прообразами дымовых труб. Так, нетрудно заметить, что русская подовая печь представляет собой камеру (горнило) с одним отверстием (жерлом для закладки дров и вывода дыма), над которым смонтирован кирпичный зонт.

Высокорасположенные вытяжные зонты должны иметь высокую производительность по дымовым газам 10, поскольку горячая конвективная струя дымовых газов над костром турбулентно подсасывает большие массы холодного незадымлённого воздуха (в сотни раз превышающие количество исходных дымовых газов), и всю эту массу смеси необходимо вывести в атмосферу (см. рис. 52). Однако, увеличение диаметра вытяжного воздуховода приводит к появлению нисходящих потоков холодного воздуха 6, просто-напросто «утопающих» в тёплом воздухе 10 и разносящих дым по всему помещению. Поэтому вытяжной зонт с целью повышения тяги (за счёт снижения количества подсасываемого воздуха) целесообразно опускать пониже (рис. 99,б) и даже совмещать с охватывающей обечайкой 7 (рис. 98,в и рис. 99,в). Такие решения уже непосредственно смыкаются с конструкциями каминов (рис. 100). Так же как в каминах, в вытяжных воздуховодах низко опущенных зонтов бывают целесообразными карнизы 11 в виде задвижек или «дымовых зубов», расположенных у стенки воздуховода, наиболее удалённой от топочного проёма 13. Карниз 11 стимулирует, во-первых, спуск нисходящих потоков холодного воздуха 6 именно в этой зоне и, во-вторых, предотвращает около себя постоянное метание (колыхание из стороны в сторону) восходящего потока дымовых газов. В результате, восходящий поток дымовых газов 10 упорядоченно подхватывает разворачивающийся поток холодных нисходящих масс воздуха 6 (рис. 99,в).

Рис. 99. Вытяжные зонты над открытыми очагами: а — высокорасположенный зонт; б — низкорасположенный зонт; в — зонт каминного типа. 1 — огнестойкая площадка, платформа (очаг), 2 — ограждение очага, 3 - траектория дымовой струи, 4 — вытяжной зонт металлический, 5 — потолок, крыша, перекрытие, 6 — нисходящий поток холодного воздуха, проникающий в вытяжную (дымовую) трубу сверху, 7 — зонт, охватывающий весь очаг (обечайка), 8 — продухи (шанцы), 9 — подача воздуха для горения дров, 10 — дымовые газы, 11 — карниз, задвижка, 12 — приямок для сбора золы, 13 — топочный проём.

Характер движения газов в холодных дымовых трубах может быть весьма сложным и обескураживает порой даже опытного печника. Вместе с тем струи газа в трубах ведут себя более упорядоченно, чем затопленные струи под вытяжными зонтами, особенно, если эти струи газа горячие. Горячая струя, являясь вязкой и ламинарной, ведёт себя в трубе как шнур, окружённый холодными медленно текущими (даже зачастую вниз) низковязкими турбулентными потоками. При прогреве трубы течения в ней становятся однородней.

Так же как в каминах и печах, в очагах могут изготавливаться зольники-приямки для сбора и накопления золы 12 (с перекрывающей решёткой или без, с подводом воздуха снизу как в поддувалах или без доступа воздуха, но чаще все же с плотной верхней крышкой для предотвращения дымлений и распространений пыли и запахов). В нижней части очагов могут организовываться сквозные каналы-продухи (шанцы) 8 для отвода тепла из платформы очага 1 как для обогрева воздуха, так и для предотвращения воспламенения досок пола (если очаг выкладывается на полу). Продухи под печами зародились на Руси давно, ещё в русских глинобитных печах, а в XVI веке уже широко применялись в кремлёвских кирпичных печах. В последние годы шанцы в печах стали заменять «системами нижнего прогрева», пропуская через прикрытые продухи дымовые газы.

Камины относятся к древним (допечным) типам европейских обогревательных приборов и родились в попытках «загнать» дым от костра в каменный вытяжной зонт (трубу). Нагрев помещения при этом стал осуществляться исключительно лучистым теплом от углей, пламени и разогретых стенок камина, поэтому камины приобрели большую площадь проёма и небольшую глубину топочного пространства. Задние стенки стали делать усиленно прогреваемыми (наклонными). Камины имеют низкий коэффициент полезного действия не выше 0,2 и большой коэффициент избытка воздуха на уровне 30, вследствие чего температура вытяжных газов (смеси дыма и воздуха, подсасываемого через проём камина непосредственно в дымовую трубу) не превышает 100°С ( см. например, В.М. Колеватов, Печи и камины, СПб.: Диамант, 1997 г.). Тяга вытяжных труб каминов высотой Н составляет при таких температурах Δρ(Па) = 2,5Н(м), то есть низка и сопоставима с тягой при вентилировании бань. Поэтому топка камина в ветренную погоду может повлечь опрокидывание тяги.

Для вывода больших объемов вытяжных газов (порядка 150 м³/час при непрерывном сжигании дров 1 кг/час и при полезной мощности камина 0,8 кВт) требуются большие поперечные сечения вытяжной трубы. Так, нормы пожарной безопасности НПБ 252-98 требуют (и, как многие считают, не обоснованно), чтобы скорость в дымовых каналах находилась в пределах от 0,15 до 0,6 м/сек. Это значит, что сечение дымовой трубы даже маломощного камина должно составлять 0,1 м². Столь большие сечения на практике никогда не встречаются (см. таблицу 17).

Таблица 17. Стандартные размеры бытовых каминов (в см) (Ю.П. Соснин, E.H. Бухаркин, Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, М.: Стройиздат, 1991 г.)

Камины с вытяжными трубами (дымоходами) поперечным проходным сечением «в полкирпича» сейчас на дачах уже не применяют, поскольку они дымят при растопке. Сечение вытяжной трубы (высотой порядка 5 м) обычно выбирают величиной не менее одной седьмой от площади проёма портала (или одной десятой в случае строго вертикальной гладкой металлической трубы). В аэродинамическом отношении основным недостатком каминов английского типа (рис. 100а) является возможность появления дымления из проёма портала (топочного отверстия) на этапе растопки при холодной трубе. Этот недостаток устраняется не только дымовым зубом (уступом, карнизом) 2, но и специальной дымовой камерой — системой свободных проточных емкостей большого объема до и после дымового зуба. Начальный дым, поднимаясь в такие крупные емкости, охлаждается холодными стенками не так сильно, как в узкой вытяжной трубе, накапливается и создает начальный импульс тяги. Кроме того в быту часто прибегают к временной установке на этапе разгорания огня заслонок (штор) на портал — металлических щитков, сеток, цепей в проёме камина или, по крайней мере, в верхней части проёма. В последние годы стали широко применять заслонки в проёме в виде стеклянных дверок, распахивающихся или сдвигающихся (рис. 100,в). Стёкла подбирают термостойкими (кварцевыми, боросиликатными-увиолевыми) и максимально прозрачными в инфракрасной области спектра. Камин может быть оборудован также колосниковой решёткой и поддувалом, что ещё больше приближает схему (рис. 100,в) к печной конструкции. Для повышения коэффициента полезного действия, стенки камина стали делать прогреваемыми и обдуваемыми снаружи. Наиболее эффективно сделать это с применением металлического корпуса (рис. 100,г), часто называемого кассетой или каминой-сердцевиной. Такой чугунный или стальной корпус («еврокамин») можно вмонтировать в кирпичный, бетонный, каменный или даже гипсокартонный (огнезащищенный со стороны кассеты минватой) декоративный кожух ( В.Н. Глухих, Камины, СПб.: Профикс, 2003 г.; Ш.К. Афанасьев, Камины. Современный взгляд, М.: Аделант, 2006 г.). В настоящее время камины воспринимаются, скорее, как декоративные очаги эпизодического использования, создающие уют от вида огня.

Рис. 100. Камины: а — английский камин (вид сбоку); б — английский камин (вид спереди); в — современный камин застеклённый с поддувалом; г — чугунный камин-сердцевина застеклённый с конвективным контуром; д — траектории входа воздуха в английский камин (цифры в точках — линейные скорости воздуха в м/сек). 1 — несгораемая стена, 2 — огнестойкая кладка с дымовым зубом, 3 — нисходящий поток в дымоходе, 4 — основной (восходящий) поток дымовых газов, 5 — проём камина (топочное отверстие), 6 — декоративное обрамление проёма (портал), 7 —огнестойкая кладка, 8 — зольник с колосниковой решёткой и поддувалом, 9 — термостойкое (боросиликатное) стекло, 10 — каркас-рама с застеклёнными дверками, 11 — корпус литого чугунного камина-сердцевины, 12 — стеклянные дверцы, 13 — зольная коробка с поддувальным отверстием, образующимся при выдвижении вперёд коробки, 14 — приточное отверстие для ввода холодного воздуха в конвективно-калориферную систему, 15 — отверстие для вывода нагретого воздуха, 16 — конвективный поток воздуха, 17 — система рапределённой подачи воздуха для обдува стеклянного окна в целях предупреждения осаждения сажи.

Если камины использовались скорее для отопления, то в печах уже можно было готовить пищу. Печи представляют собой герметично огороженные со всех сторон (глинобитными, кирпичными, каменными, металлическими стенками) топки, имеющие специальные отверстия для закладки дров, ввода воздуха и вывода дыма. Первые печи имели круглую куполообразную глинобитную топку и всего одно отверстие — устье (жерло), через которое закладывали дрова и выводили дым в помещение (А.И. Орлов, Русская отопительно-вентиляционная техника, М.: Стройиздат, 1950 г.). Такие печи были известны в германских племенах еще в VII веке как кухонные и назывались как-то типа «бак» или «баг» (backen нем., bage дат., baka швед., bake норв. — во всех языках «запекать еду»), а затем были занесены варягами в Новгород («багровые» — раскаленные до красна) и, видимо, дали название отапливаемым курным срубам — избам («избаг» — то, что вокруг печи по аналогии с «изгородью»).

Затем топку (горнило) в печи стали делать тоннельной — арочной (углублённой), а над открытым устьем стали устанавливать вертикальную вытяжную трубу (дымник, впоследствии оборудованный расширением-зонтом), выводящую продукты сгорания в атмосферу, минуя помещение.

Рис. 101. Печи: а — отопительная печь («голландка») с вертикальными дымооборотами; б — эпюра разницы статических давлений вне печи и внутри печи (разрежения) при отсутствии потока дымовых газов при закрытом поддувале (буквы соответствуют месторасположению реперных точек на левой схеме печи, стрелки указывают, что воздух всюду «всасывается» в печь при закрытом поддувале); в — отопительно-варочная печь («шведка») с обогревательным щитком с вертикальными дымооборотами. 1 — топливник (камера сгорания, топка), 2 — дверка (крышка, заслонка) проёма (жерла) для закладки дров, 3 — воздухозаборное отверстие с заслонкой (задвижкой, затычкой), 4 — металлическая плита (чугунная, стальная) теплообменная (варочная), 5 — возможные местоположения растопочных задвижек (летних дымоходов), 6 — основной поток дымовых газов, 7 — внутренние стенки дымооборотов (рассечки), 8 — верхнее отверстие в рассечке — перевал, 9 — нижнее отверстие в рассечке — подвертка, 10 — нисходящий дымовой канал, часто состоящий из нескольких каналов для уменьшения сопротивления, 11 — нижний канал, очень ценный тем, что в нём скапливается основная доля сажи и конденсатных спёков (в то же время его легко очистить), 12 — нисходящий поток тяжёлого холодного воздуха в дымовой трубе.

Рис. 102. Котлы: а — котёл паровой машины на примере паровоза, б — бытовой водогрейный котёл отопительный, набранный из отдельных литых чугунных секций, стянутых шпильками (вид сбоку в разрезе и вид спереди), в — двухконтурный котёл бытовой стальной (с с возможным подключением конденсатора-теплообменника, конденсирующего пары воды из дымовых газов), г — котёл водогрейный с промежуточным теплоносителем конденсационный. 1 — дверка топки, 2 — топка чугунная водоохлаждаемая (огневая коробка), 3 — кожухотрубный теплообменник (жаровые трубы), 4 — поверхность кипящей воды, 5 — брызгоотделитель (сухопарник), 6 — дымовая труба, 7 — дымовая коробка, 8 — паровая машина (цилиндр, поршень, золотник), 9 — зольник (многобункерный ящик) для сбора и накопления шлака с колосниковой решёткой и поддувальными отверстиями, 10 - тендерная ёмкость с запасом воды, 11 — тендерный ящик с запасом угля, 12 — паровая магистраль, 13 — выброс отработанного пара с увеличением тяги топочных газов, 14 — кривошипно-шатунный механизм (поршни, ползунки, шатуны, дышла ведущие и сцепные, колёсные пары), 15 — патрубок вывода горячей воды, 16 — дверка для прочистки дымохода, 17 — дверка для загрузки твёрдого топлива (дров, угля), 18 — дополнительные теплообменные трубы (перемычки чугунных секций), 19 — дымовой канал (дымоход), 20 — комбинированная дверка для розжига топлива, чистки и подачи воздуха, 21 — поддувальная решётка с водоохлаждаемыми и неохлаждаемыми колосниками, 22 — наборные чугунные секции, 23 — патрубок ввода холодной воды, 24 — дверка дополнительная для подачи воздуха, чистки зольника и шуровки колосниковой решётки, 25 — водоохлаждаемый корпус, 26 — трубчатый теплосъёмный элемент, 27 — конденсирующее устройство для рекуперации тепла, 28 — поверхность кипящей воды, 29 — трубчатый конденсатор - нагреватель воды, 30 — предохранительный клапан.

Такие «белые» печи были распространены в Центральной Европе ещё в XI веке, но до XX века сохранились только в России (благодаря наличию лежанки и из-за отсутствия в деревнях металлической посуды) и стали называться «русскими» (духовыми).

Русские печи топились разжиганием огня (костра) на глухом поде при открытом устье печи, поэтому подсасывали (как и камины) в дымовую трубу большие избыточные массы воздуха. В последствие входные проёмы печей стали прикрываться листовой железной заслонкой. В результате дозирования воздуха в топливнике появилось разрежение за счет тяги дымовой трубы, что позволило создать дымооборотные печи.

Отопительные печи с дымооборотами в народном жаргоне стали условно называться «голландками» в память об изобретённых в Голландии в XV веке канальных печах, которые (в отличие от ранее использовавшихся каминов и печей русского типа) могли многократно возвращать дым вниз по многооборотным дымоходам. «Голландки» были неудобны в крестьянском быту («ни лечь, ни спечь») и считались барскими (усадебными). В отличие от отопительных «голландок» отопительно-варочные печи с плитами и дымооборотами были условно названы в народе «шведками» (рис. 101).

Логическим развитием кирпичных печей стало появление металлических печей. Мощнейший толчок этому направлению дали топки паровых котлов высокого давления (для паровых двигателей в промышленности, в судостроении, в железнодорожном транспорте), а затем водогрейных котлов для централизованного отопления зданий (рис. 102).

Источник: health.totalarch.com. Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008