Сокращенная версия статьи Кузнецова Игоря Викторовича, опубликованная 27 мая 2013 года автором на сайте http://stove.ru/

Горение в чистом виде  это химическая реакция, при которой из одних простых веществ (углерода и водорода) при соединении с кислородом получаются другие вещества с выделением тепла. Если в качестве окислителя используется воздух, то при самой правильной организации горения продуктами реакции будут углекислота (в результате сгорания углерода), водяные пары (при сгорании водорода) и азот как составляющая часть воздуха, требуемого для горения, а это 4/5 части его объёма. Фактически из-за неравномерного перемешивания топлива с воздухом, последнего надо подавать в 1,6 – 2,4 раза больше теоретического. Поэтому в топливнике печи имеются избыточное количество воздуха с повышенным содержанием азота, не принявшего участия в горении, а также водяные пары от выпаривания воды, содержащейся в топливе. Все эти газы балластные, участия в горении они не принимают, а только нагреваются за счёт теплоты сгорания углерода и водорода, т. е. забирают полезное тепло.
В системе принудительного движения газов (система ПДГ) все эти газы смешиваются в единый поток. В результате температура в топливнике снижается, что влечёт за собой ухудшение условий сгорания топлива в печи, кроме того, разбавленный холодными балластными газами поток воздействует на теплообменник печи и далее выходит в трубу.
За долгие годы конструкции энергоустановок ПДГ в теплотехническом отношении доведены до максимально возможно высокого уровня, и резерва повышения их КПД практически нет.
В настоящее время при сжигании топлива в топливниках печей самой разной конструкции и всех типах топочных процессов при использовании воздуха в качестве окислителя преследуется основная цель – уменьшить влияние балластных газов, от количества которых зависит температура потока. Из-за уменьшения последней ухудшаются условия сгорания топлива,  и уменьшается теплосодержание продуктов его сгорания. Это касается и тепловых генераторов, печей,  используемых во всех отраслях промышленности.
Для достижения цели используют твердое сухое топливо, в том числе пеллет, брикет и т.п., продукты энергоёмкой и дорогой технологии производства; минимизируют количество подаваемого воздуха до уровня, при котором ещё не возникает неполного сгорания топлива, но и нет излишнего количества воздуха.
Система «свободного движения газов в трактовке И.В. Кузнецова (далее СДГ) предполагает другой механизм уменьшения влияния балластных газов на процесс сжигания топлива, а также использования выделившегося тепла. Он основан на естественных законах природы.
Улучшить условия сгорания топлива в топливнике печи можно, если удалить балластные газы из зоны горения. Тем самым повышается КПД извлечения энергии из топлива, т. е. увеличивается теплосодержание продуктов сгорания топлива, или, другими словами, теплосодержание продуктов сгорания топлива зависит от вида окислителя и количества балластных газов.
Основу теории свободного движения газов заложил русский ученый, металлург, член-корреспондент АН СССР, профессор В. Е. Грум-Гржимайло (1864 – 1928 гг.). В дальнейшем работу по совершенствованию системы печей, в основу действия которых положен принцип СДГ, проводил ученик и последователь В. Е. Грум-Гржимайло кандидат технических наук И. С. Подгородников (1886 – 1958 гг.). Он предложил строить кирпичные печи по схеме двухъярусный колпак.
Основная идея базируется на том, что струйка горячего газа в окружении холодного всплывает вверх, как более легкая. При проектировании кирпичной печи в каждой её части следует задавать такое направление движения газов, которое отвечало бы их естественному стремлению – горячий газ поднимается вверх, а струйки охлажденного опускаются вниз. В.Е. Грум-Гржимайло и И.С. Подгородникову не удалось решить важнейший вопрос организации естественного движения газов в топочной камере печи в соответствии с этим классическим определением.
Естественное движение горячих газов в топочной камере можно обеспечить только в тепло генераторе, построенном по определённым правилам. На Рис.1 показана схема теплогенератора. Обозначения следующие: 1-топливник; 2-«сухой шов»; 3-нижний колпак; 4-теплообменник; 5-верхний колпак; 6-труба. Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство через сухой шов и составляют нижний колпак. Колпак – это перевернутый вверх дном сосуд. В нём холодные частицы выталкиваются вниз, горячие всплывают вверх. В этой конструкции кирпичной печи предусматривается обязательное наличие сухого шва. Это вертикальная щель шириной 2–3 см, соединяющая топливник и колпак. Кирпичные топливники печи могут быть различными как по конструктивному исполнению, так и по принципу сжигания топлива. Топливо в кирпичной печи можно сжигать любое.
Суть правил. Речь идёт о сжигании топлива в топливнике, размещённом в колпаке и объединённой с ним вертикальной щелью сухого шва  в единое пространство. Такое построение позволяет создать и в колпаке, и топочной камере условия, в которых движение газов отвечает их естественному стремлению: горячий газ поднимается вверх, а струйки охлажденного опускаются вниз. При этом могут быть выдержаны нижний и верхний пределы удельного теплового напряжения топочного объёма. Предложенная схема соответствует теории В.Е. Грум-Гржимайло.
Суть концепции заключается в том, чтобы получить из топлива при его сжигании максимальное количество тепла и использовать его в максимальной степени. Конструкция тепло генератора должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать оптимальную теплоотдачу.
Можно эффективно сжигать топливо, получая из него максимально возможную содержащуюся в нём энергию, но при этом не эффективно использовать это тепло. Напротив, можно не изымать в полной мере энергию, содержащуюся в топливе, но эффективно её использовать. Поэтому можно считать, что КПД энергоустановки кирпичной печи складывается из КПД изъятия энергии из топлива и КПД использования выделившегося тепла. Первый коэффициент, КПД изъятия энергии из топлива, характеризует, какую часть энергии (в процентах), содержащейся в топливе, можно преобразовать в тепло при его сжигании.
Рассмотрим, в чём заключается различие использования выделившегося тепла в системах СДГ и ПДГ.
Движущийся газовый поток в теплогенераторе,  с любой конвективной системой переносит тепловую энергию и продукты сгорания. Конвективная система кирпичной печи служит инструментом для использования выделившейся тепловой энергии, которая может быть направлена на обогрев котла водяного отопления, калорифера, теплонакопительного массива и т. п. Чтобы выяснить, в чём заключается разница механизмов движения газового потока в системах ПДГ и СДГ, представим, что источником тепла является электрический обогреватель. В этом случае не надо удалять продукты сгорания.
В качестве теплообменника могут быть использованы регистры водяного котла, калорифер воздушного отопления, реторта для газификации топлива, технологические материалы и т.п. Теоретически можно подобрать такой теплообменник, который будет забирать всё тепло. В этом случае можно будет сказать, что КПД использования выделившегося тепла близок к 100 %.
Теплопередача от газа к теплообменнику зависит от следующих факторов:
площади теплообмена;
разницы температур;
продолжительности контакта.
Чем они больше, тем больше теплопередача. Кирпичный колпак может иметь любую форму и объём, в который можно вставить теплообменник, т. е. увеличить теплообмен. При таком построении теплогенератора увеличиваются площадь теплообмена и продолжительность контакта горячих газов с теплообменником, тем самым улучшается теплообмен.
В системе ПДГ все продукты сгорания проходят через топочную камеру и каналы конвективной системы теплогенератора, смешиваются в единый поток, т. е. уменьшают температуру и полезную теплоотдачу потока. Движущей силой потока в этой системе служит тяга трубы.
Отсюда следует ещё один важный вывод – КПД использования выделившегося тепла, полученного в результате сжигания любого топлива в топливнике любого типа при использовании воздуха в качестве окислителя, имеет наибольшее значение в конвективной системе, выполненной в виде колпака.
Для повышения эффективности функционирования теплогенератора, снижения выбросов в атмосферу вредных веществ необходимо обеспечить полное сгорание топлива. Известно четыре условия достижения полного сгорания топлива: правильное устройство топки; смесеобразование; высокая температура; оптимальная подача первичного и вторичного воздуха.
В процессе горения резко падают концентрации исходных веществ (топлива и окислителя) и также резко повышаются концентрации продуктов горения и уровень температуры смеси. В любой системе вторичный воздух надо подавать выше зоны активного горения топлива для сжигания горючих газов, выделившихся в результате термического разложения топлива.
В системе ПДГ движение окислителя и горючих газов идёт в попутном направлении. По мере продвижения поток всё больше балластируется. В конечной зоне факела концентрации топлива и окислителя уменьшаются. Исходные вещества разъединяются большим количеством продуктов сгорания. Контакт реагирующих молекул значительно затруднён. В этом случае важно инициировать интенсивную турбулентность. Необходимо также обеспечить процесс горения воздухом, доведя его количество до оптимального (минимизировать), при котором не возникает неполного сгорания топлива и его излишков. Однако в любом случае в топочной камере будут присутствовать лишний воздух, азот и водяные пары топлива, которые уменьшают температуру потока и, тем самым, ухудшают условия сгорания топлива. Энергия, содержащаяся в топливе, выделяется не полностью. И выделившееся тепло используется также не полностью, так как расходуется на нагревание балластных газов в потоке.
Отсюда можно сделать следующий важный вывод: чтобы повысить КПД изъятия энергии из топлива, надо уменьшить влияние балластных газов на топочный процесс и повысить температуру горения.
В энергоустановках системы ПДГ нет места для размещения теплообменников, чтобы условия сгорания топлива соответствовали условиям использования выделяемого тепла. При размещении теплообменников в топочной камере условия сгорания топлива входят в противоречие с условиями теплообмена. Чем больше забирается тепла (повышается КПД использования), тем хуже условия сгорания топлива (снижается КПД изъятия энергии из топлива). Теплообменники, размещаемые в топливнике (холодное ядро), уменьшают там температуру, т. е. ухудшают условия сгорания топлива. При увеличении размера площади канала (для того, чтобы разместить в нём теплообменник), энергия газового потока в нём размазывается, т. е. уменьшается температура в потоке.
Топливо можно сжигать в колпаке без топливника. Однако так нельзя добиться хороших условий сгорания топлива: высокой температуры, оптимального обеспечения реакции горения воздухом, его перемешивания и предварительного нагрева. По этой причине топливо необходимо сжигать в ограниченном объёме, в котором можно выдержать указанные требования.
В топочной камере создаётся «колпак», где каждая частица газового потока во время свободного движения через топливник имеет свою траекторию, определенную её состоянием. Другими словами, наиболее горячие частицы находятся в верхней части, а менее нагретые не могут подняться вверх. Катализатор придаёт потоку турбулентность и способствует повышению температуры в топочной камере за счёт отражения лучистого тепла. Такой характер турбулентного обмена определяет скорость образования горючей смеси, делая эту зону особенно важной. Частицы горючих газов соединяются с кислородом воздуха и выделяют тепло, превращаясь в углекислый газ, водяные пары и другие продукты сгорания. Горячая составляющая потока поднимается в верхнюю часть колпака, образуя там зону повышенной температуры, и воздействует на теплообменник, размещённый вне топочной камеры. Балластные газы, холодная составляющая, выталкиваются в нижнюю зону топочной камеры, откуда поступают через сухой шов в колпак и далее для вторичного использования или в трубу. При этом должна быть обеспечена неразрывность сухого шва от пода и выше отверстий подачи вторичного воздуха. Это ТАБУ. Если открыть в зимнее время в квартире окно на 2-3 см, то возникнет сильный теплообмен («будет дуть холодом»). Причем холодный воздух поступает в помещение через нижнюю часть щели, а теплый выходит из помещения через верх щели. Аналогичный теплообмен происходит в тепло генераторе через сухой шов. Водяные пары топлива, будучи тяжелыми, не могут подняться в зону горения. Это особенно важно при сжигании топлив с большим содержанием влаги, например бурого угля, который содержит 45–55 % воды и не годится для сжигания в системе ПДГ.
То есть,  в топливнике тепло генератора системы СДГ эти соотношения отдельных веществ вступающих в химическую реакцию выдерживаются, как и их состав. То есть,  в реакцию вступают углерод- С и водород-Н2 с кислородом- О2, в количестве определенном химическим уравнением. Другие вещества вступить в реакцию не могут. Это балластные газы, в том числе освободившийся азот (воздух с повышенным содержанием азота). Поэтому воздуха должно быть достаточно много, чтобы,  не было химического недожога, а так же выдержано правильное соотношение подачи первичного и вторичного воздуха. Перечисленные отработанные газы, как холодная составляющая, выталкиваются в низ топливника и через сухой шов, и низ колпака удаляются в дымоходную трубу. Другими словами,  химическая реакция в тепло генераторе системы СДГ теоретически протекает с коэффициентом избытка воздуха равным единице. В тепло генераторах системы ПДГ, в отличие от теплогенераторах системы СДГ, даже при сжигании топлива при избытке воздуха равном единице, освободившийся условно холодный азот разбавляет продукты реакции горения, снижая их температуру потока.
В состав продуктов реакции горения входят водяные пары топлива. В нашей системе СДГ водяные пары топлива, будучи тяжелыми, не могут подняться в верхнюю зону топливника, проходят над топливом и воздействуют на раскаленные угли (углерод). Происходит разложение водяных паров по выше указанным реакциям с выделением горючих газов, которые и сжигаются там. Возможно, по этой причине в дымоходной трубе не происходит конденсации водяных паров топлива, а энерго содержание продуктов сгорания выше нормативной. Эти факты неоднократно наблюдались при эксплуатации котлов постоянного действия. Учитывая их важность в деле повышения эффективности использования восполняемых источников энергии, это надо
При сжигании топлива в теплогенераторах новой системы СДГ и использовании воздуха в качестве окислителя увеличивается теплосодержание продуктов сгорания за счёт уменьшения влияния балластных газов на процесс окисления.
Система СДГ получила широкое распространение и развитие в проектировании и строительстве бытовых кирпичных печей и дровяных котлов. Её отличает необычайная гибкость, что позволило выпустить уже тысячи высокоэффективных конструкций бытовых кирпичных печей и котлов различного назначения. Имеется возможность создания бесчисленного множества тепло генераторов различной формы, мощности и назначения, многофункциональных и многоэтажных, в том числе промышленного типа. Дровяные котлы постоянного действия показывают удивительные результаты и производительность. В их топливниках возникает высокотемпературный процесс чистого горения. Это обеспечивает прогрев и газификацию топлива при температуре около 1060 оС. Они уже сейчас отапливают помещения площадью в несколько тысяч  квадратных метров, при этом движение теплоносителя происходит без насоса.
Газогенераторная установка системы СДГ может иметь один, два или более колпаков с ретортами, один или несколько колпаков с теплообменником и теплонакопительный колпак с топочной камерой. Каждая реторта располагается в своём колпаке, где обогревается теплом сжигаемых в топочной камере или в колпаке парогазов. Регулирование нагрева происходит за счет перераспределения потоков горячих газов, полученных при сжигании в топочной камере парогазов, или изменения количества сжигаемых в колпаке с ретортой парогазов. Получение качественных продуктов переработки биомассы в максимальном объёме, обеспечивается управляемостью процесса пиролиза в каждой реторте во всех циклах, что в других системах сделать невозможно. Установки не требуют внешней энергии. Они работают за счёт энергии, выделяемой пиролизуемым сырьём.
В системе СДГ можно использовать сырое топливо, так как сушка его происходит за счёт тепла отходящих газов. Исключается дорогостоящий и энергоёмкий этап подготовки топлива. Регулирование мощности горения при этом не вызывает снижения КПД.
В системе СДГ имеется возможность создания механизма вакуумной сушки топлива за счёт тепла отходящих газов. Имеется также возможность довести парогаз, полученный при низкотемпературном пиролизе, до степени молекулярного измельчения и подготовить его к эффективному сжиганию или переработке.
Заключение
Дальнейшая работа по совершенствованию системы СДГ требует привлечения широкого круга специалистов разных специальностей, проведения экспериментальных работ, для чего требуется создание соответствующей материально-технической базы. Необходима преемственность в развитии системы СДГ, иначе Российский приоритет её будет утрачен. Эта работа требует серьёзной политической и финансовой поддержки и должна возглавляться сильным экономическим менеджером.
Список использованной литературы:
1. И.С. Подгородников. Бытовые печи. Издательство МКХ РСФСР. Москва - 1960 г.
2. К. Мякеля. Печи и камины. Москва. Стройиздат 1987 г.
3. И.И. Грингауз. Паровые котлы. НКЭП СССР. Государственное энергетическое издательство. Москва. 1940 Ленинград.
4. Д.Б. Гинзбург. Газификация твердого топлива. Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам. Москва - 1958 г.
5. Под редакцией Ю.Д. Юдкевич, С.Н. Васильев, В.И. Ягодин. Получение химических продуктов из древесных отходов. С.-Петербург 2002 г.
6. Э.Д. Левин. Теоретические основы производства древесного угля. Лесная промышленность. Москва. 1980 г.
7. А.Н. Кислицин. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы. Москва. Лесная промышленность. 1990 г.
27.05.2013©  Kuznetsov's stoves

И.В. Кузнецов e-mail: igor@stove.ru
http://stove.ru; http://kuznetsovstove.com