Скажем сразу: ракетная печь – простое и удобное отопительно-варочное устройство на древесном топливе с хорошими, но не исключительными параметрами. Ее популярность объясняется не только броским названием, но более тем, что ее может сделать своими руками и не печник и даже не каменщик; при необходимости – буквально за 15-20 мин.
И еще тем, что, вложив немного больше труда, можно в доме получить прекрасную лежанку, не прибегая к постройке сложной, дорогой и громоздкой русской или колпаковой печи. Причем сам принцип устройства печи-ракеты дает большую свободу дизайну и проявлению творческих способностей.
Ракетная печь — устройство на древесном топливе
Но едва ли не более примечательна «реактивная печь» огромным количеством связанных с ней, временами совершенно несуразных выдумок. Вот, к примеру, несколько выхваченных наугад перлов:
- «Принцип работы печи такой же, как у прямоточного реактивного двигателя МИГ-25». Да МИГ-25 и его потомок МИГ-31 возле прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), что называется, и в кустиках не присаживались. На 25-м и 31-м стоят двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), четверка которых потом тянула Ту-144 и тянет до сих пор другие машины. А любая печь с любым реактивным двигателем (РД) – технические антиподы, см. ниже.
- «Печь на обратной реактивной тяге». Это печка хвостом вперед летит, или как?
- «А как она такую трубу продует?» Печь без наддува в трубу не дует. Наоборот, дымоход из нее тянет, на естественной тяге. Чем выше труба, тем лучше тянет.
- «Печь-ракета это сочетание голландской колпаковой печи (sic!) с русской лежанкой». Во-первых, противоречие в определении: голландская печь – канальная, а любая колпаковая – что угодно, кроме голландки. Во-вторых, лежанка русской печи прогревается совсем не так, как ракетной.
Примечание: на самом деле печь-ракету прозвали так потому, что в неправильном режиме топки (о чем далее) она издает громкий свистящий гул. Правильно настроенная ракетная печь шепчет или шелестит.
Эти и подобные им несообразности, понятно, сбивают с толку и мешают сделать ракетную печь как следует. Так что давайте-ка разберемся, что о ракетной печи есть правда, и как этой правдой правильно воспользоваться, чтобы эта действительно хорошая печка проявила все свои достоинства.
Печь или ракета?
Для полной ясности нужно еще разобраться, почему печь не может быть ракетой, а ракета – печью. Любой РД – это тот же ДВС, только в роли поршней, шатунов с кривошипом и трансмиссии выступают сами истекающие газы. В поршневом ДВС уже в момент сгорания высокая температура рабочего тела создает большое давление, которое толкает поршень, а он уж движет всю механику. Движение поршня активное, рабочее тело толкает его туда, куда и само стремится расшириться.
При сжигании топлива в камере сгорания РД тепловая потенциальная энергия рабочего тела тут же преобразуется в кинетическую, как у падающего с высоты груза: поскольку раскаленным газам открыт выход в сопло, они туда и устремляются. В РД давление играет подчиненную роль и нигде не превышает первых десятков атмосфер, этого при любом мыслимом сечении сопла мало, чтобы разогнать до 2,5М мигарь или вывести на орбиту спутник. По закону сохранения импульса (количества движения) летательный аппарат с РД при этом получает толчок в обратную сторону (импульс отдачи), это и есть реактивная тяга, т.е. тяга от отдачи, реакции. В ТРДД второй контур создает вокруг реактивной струи невидимую воздушную оболочку. Вследствие этого импульс отдачи как бы стягивается в направлении вектора тяги, поэтому ТРДД намного экономичнее простого ТРД.
В печи преобразования видов энергии друг в друга нет, потому она и не двигатель.Печка просто распределяет потенциальную тепловую энергию должным образом в пространстве и времени. С точки зрения печи, у идеального РД КПД = 0%, т.к. он за счет топлива только тянет. С точки зрения реактивного движка, у печи КПД = 0%, она только рассеивает тепло и ничуть не тянет. Наоборот, если давление в дымоходе поднимется до или выше атмосферного (а без этого откуда возьмется реактивная тяга или активное усилие?), печь как минимум задымит, а то и отравит жильцов или пожар устроит. Тяга в дымоходе без наддува, т.е. без затрат энергии со стороны, обеспечивается за счет разности температур по его высоте. Потенциальная энергия тут опять же, ни в какую другую не преобразовывается.
Примечание: в ракетном РД топливо и окислитель подаются в камеру сгорания из баков, или сразу в нее заправляются, если РД на твердом топливе. В турбореактивном двигателе (ТРД) окислитель – атмосферный воздух – нагнетается в камеру сгорания компрессором с приводом от турбины в потоке выхлопных газов, на вращение которой расходуется некоторая доля энергии реактивной струи. В турбовинтовом двигателе (ТВД) турбину рассчитывают так, чтобы она отбирала 80-90% мощности струи, которая передается на воздушный винт и компрессор. В прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ПВРД) подача воздуха в камеру сгорания обеспечивается скоростным напором на гиперзвуке. Опытов в ПВРД проводилось много, но серийных самолетов с ним не было, нет и не предвидится, уж больно ПВРД капризен и ненадежен.
Кан или не кан?
Среди мифов о ракетной печи есть и не совсем абсурдные, и даже в чем-то обоснованные. Одно из таких заблуждений – отождествление «ракетки» с китайским каном.
Автору довелось еще в детстве побывать зимой в Приамурье, в районе Благовещенска. Китайцев там по селам и тогда жило много, драпали кто куда от культурной революции Великого Председателя Мао и его напрочь отмороженных хунвэйбинов.
Зима в тех краях не московская, мороз в –40 обычное дело. И что поразило, и пробудило интерес к печам вообще – как обогревались канами китайские фанзы. В русские деревни дрова везут возами, из труб дым столбом. И все равно, в избе из бревнышек не в детский обхват к утру углы изнутри обмерзали. А фанза выстроена вроде дачного домика (см. рис.), окна затянуты рыбьим пузырем или вовсе рисовой бумагой, в кан подкладывают пучочки щепок или веточек, но в помещении всегда тепло.
Однако тонких теплотехнических премудростей в кане нет. Это обычная, только маленькая, кухонная плита с нижним выходом в дымоход, а большая часть самого дымохода – длинный горизонтальный канал, боров, на котором устроена лежанка. Дымовая труба, пожарной безопасности ради – вне здания.
Эффективность кана определяется прежде всего создаваемой им тепловой завесой: лежанка огибает если не весь периметр изнутри, кроме двери, то 3 стены уж точно. Что лишний раз подтверждает: конструкция и параметры печи должны быть увязаны к таковыми обогреваемого помещения.
Примечание: корейская печь ондоль действует по принципу теплого пола – очень низкая лежанка занимает почти всю площадь комнаты.
Во-вторых, в самую стужу каны топили аргалом – высохшим пометом жвачных животных, домашних и диких. Его теплотворная способность довольно велика, но горит аргал медленно. Фактически, уже костерок из аргала – печь длительного горения.
Не в русском обычае то и дело совать в печь прутики, и гнушались наши мужики готовить еду на скотских фекалиях. Но путешественники прошлого аргал как топливо весьма ценили, собирали по пути и везли с собой запас, старательно оберегая от намокания. Н. М. Пржевальский в одном из своих писем утверждал, что без аргала он не смог бы провести свои экспедиции по Центральной Азии без потерь. А у брезговавших аргалом англичан на базу возвращалось 1/3-1/4 личного состава отрядов. Правда, набирался он из сипаев, индийских солдат на английской службе, и пандитов – шпионов, завербованных из местного населения. Так или иначе, но изюминка печи-ракеты вовсе не в лежанке на борове. Чтобы до нее добраться, придется научиться думать по-американски: все первоисточники по ракетной печи оттуда, а несусветные домыслы порождены только и только недопониманием.
Как разбираться с ракетами?
С нашим взглядом на вещи изучать оригинальную техдокументацию печей-ракет нужно осмотрительно, но вовсе не из-за дюймов-миллиметров, литров-галлонов и тонкостей американского технического жаргона. Хотя и они тоже много значат.
Примечание: хрестоматийный пример – «Naked conductor runs under the carriage». Литературный перевод – голый кондуктор бежит под вагоном. А в оригинальной статье из «Petroleum Engineer» это значило «Неизолированный провод проходит под тележкой крана».
Печь-ракету придумали члены обществ выживания – люди со своеобразным даже по американским меркам образом мыслей. Кроме того, они не были связаны какими-либо стандартами и нормами, но, как и все американцы, машинально все всегда пересчитывали на деньги с учетом собственной выгоды; человек с иным мировоззрением в Америке просто не уживется. А инстинктивная корысть неминуемо порождает эгоцентризм. Добрых дел он отнюдь не исключает, но не по душевному порыву, а из расчета на дивиденды. Не в этой жизни, так в той.
Примечание: насколько средний житель величайшей в истории империи всего боится, можно понять, только достаточно долго с ними пообщавшись. А социопсихологи там из кожи вон лезут, убеждая, что жить, томясь в страхе – нормально и даже круто. Подоплека понятна: запуганная биомасса легко прогнозируема и управляема.
Без обогрева и готовки, понятно, не выживешь. Для чего нужна печь. До поры, до времени выживатели довольствовались походными печками. Но затем, по признаниям самих американцев, в 1985-86 гг. на них произвели огромное впечатление два кинофильма, вышедшие в прокат с небольшим промежутком и триумфально обошедшие все экраны мира: советская фантастическая пародия на весь род людской «Кин-дза-дза» и голливудский «На следующий день» (The Day After), о глобальной ядерной войне.
Выживатели поняли, что после ядерной зимы никакой экстремальной романтики не будет, а будет планета Плюк в галактике Кин-дза-дза. Довольствоваться новоявленным плюканам придется «ка-це» в малом количестве, плохими, дорогими и трудно доступными. Да, вдруг кто не смотрел «Кин-дза-дза» – ка-це по-плюкански спичка, мерило богатства, престижа и могущества. Нужно было придумывать свою печь, ни одна из существующих на послеядерный плюк не рассчитана.
Американцы очень часто наделены острым умом, но глубокий встречается как редчайшее исключение. Вполне нормальный и с IQ повыше среднего гражданин США может искренне не понимать, как это до другого не доходит то, что он сам уже «догнал» и как это кому-то еще может не нравиться то, что его самого устраивает.
Если уж американец уразумел суть идеи, то он доводит изделие по ней до возможного совершенства – а вдруг покупатель найдется, сырую-то железину не продашь. Но техдокументация, на вид красивая и аккуратная, может быть составлена по сути крайне небрежно, а то и умышленно искажена. А что тут такого, это мое ноу-хау. Может, продам кому. Плюк то ли будет, то ли нет, а пока ноу-хау денег стоит. В Америке такое отношение к делу считается вполне честным и достойным, зато там клинический алкоголик на работе стопарь ни за что не пропустит и пары болтиков домой на хозяйство не утянет. На том, в общем-то, вся Америка и стоит.
А русская широта души – тоже палка о двух концах. Наш мастер чаще всего просто по эскизу сразу понимает, как эта штука работает, но в мелочах оказывается небрежен и к исходникам чрезмерно доверчив: как это, чтобы братан-умелец своего же обманывал. Если чего нет, ну и не нужно значит. Вроде ясно, как там все крутится – уже и руки чешутся. А там, может быть, пока дело дойдет до молотка, зубила и сопутствующей словесности, еще считать и считать. Да еще важные моменты могут быть опущены, завуалированы или заведомо неверны.
Примечание: автора данной статьи знакомый американец спросил однажды – а как это мы, действительно тупые, выбрали президентом очень умного Рейгана? А вы, действительно умные, терпите в Кремле слюнявого маразматика с крашеными бровями? Правда, тогда в Америке никому и в дурном сне не привиделось бы, что в следующем столетии в Овальном кабинете водворится чернокожий гражданин с мусульманским именем, а его первая леди вскопает возле Белого дома огород и станет там выращивать репу. Times is changing, как пел когда-то Боб Дилан совсем по другому поводу…
Источники недоразумений
Есть в технике такая штука – закон квадрата-куба. Попросту, при изменении размеров чего-то площадь его поверхности меняется по квадрату, а объем – по кубу. Чаще всего это значит, что изменить общие размеры изделия по принципу геометрического подобия, т.е. просто выдерживая пропорции, нельзя. Применительно к печам на твердом топливе закон квадрата-куба действителен вдвойне, т.к. топливо тоже ему подчиняется: тепло оно выделяет с поверхности, а его запас содержится в объеме.
Примечание: следствие из закона квадрата-куба – любая конкретная конструкция печи имеет некую допустимую вилку ее размеров и мощности, в пределах которой обеспечиваются заданные параметры.
Почему, к примеру нельзя сделать буржуйку размером с холодильник и мощностью где-то этак киловатт на 50-60? Потому, что буржуйка, чтобы она хоть как-то грела, должна быть сама внутри нагрета не менее чем до 400-450 градусов. А чтобы прогреть до такой температуры объем холодильника при заданной теплоотдаче, дров или угля нужно столько, сколько в него не поместится. От мини-буржуйки толку тоже не будет: тепло уйдет через внешнюю поверхность печи, выросшую относительно ее объема, а топливо его больше, чем может, не отдаст.
На печь-ракету закон квадрата-куба действует втройне, т.к. она «вылизана» по-американски профессионально. С нашенским кондачком от нее лучше держаться подальше. Вот, к примеру, здесь на рис. американская разработка, которую, судя по ее востребованности, многие наши умельцы берут за прототип.
Оригинальный чертеж мобильной печи-ракеты
С тем, что здесь не указаны точно сорт огнеупорной глины (fire clay) наши-то еще разберутся. Но, если честно, кто обратил внимание, что, судя по отсутствию внешнего дымохода и наличию транспортировочных отверстий (carrying pipe), эта печь мобильная с открытой топкой? А главное – на то, что на ее барабан пошел 20-галлонный бочонок диаметром в 17 дюймов (431 мм с мелочью)?
Судя по конструкциям из рунета – никто вообще. Берут сию штукенцию и подгоняют по принципу геометрического подобия под отечественную 200-л бочку диаметром 590 мм по наружи. Устроить поддувало многие догадываются, но бункер оставляют открытым.Не указаны точно пропорции вермикулита с перлитом для футеровки райзера и формования тела печи (core)? Футеровку делаем однородной, хотя из дальнейшего будет ясно, что она должна состоять из изолирующей и аккумулирующей частей. В результате – печь ревет, топливо ест только сухое, и много, а еще до конца сезона зарастает внутри гарью.
Как родилась печь-ракета?
Итак, уже без фантастики с футурологией, выживателям понадобилась печь для обогрева дома, работающая с высоким КПД на низкокачественном случайном древесном топливе: влажной щепе, ветках-прутиках, корье. Которое, кроме того, нужно будет догружать, не останавливая печи. И просушить в дровнике скорее всего не будет возможности. Теплоотдача после протопки нужна не менее 6 час, чтобы высыпаться; угореть во сне на Плюке ничуть не лучше, чем в Америке. Дополнительные условия: в конструкции печи не должно быть сложных металлоизделий, неметаллических материалов и узлов, требующих для изготовления производственного оборудования, а сама печь должна быть доступна для постройки неквалифицированным работником без применения электроинструмента и сложных технологий. Разумеется, никаких наддувов, электроники и прочих энергозависимостей.
От кана сразу взяли лежанку, но как быть с топливом? Для колпаковой печи оно требуется высококачественное. Печи длительного горения работают хоть на опилках, но только сухих, и не допускают останова с догрузкой. Их все же взяли за основу, очень привлекал высокий КПД, достигаемый простыми способами. Но в попытках заставить «длинные печки» работать на плохом топливе выяснилось еще одно обстоятельство.
Что такое древесный газ?
Высокая эффективность печей длительного горения достигается во многом за счет дожигания пиролизных газов. Пиролиз – термическое разложение твердого топлива на летучие горючие вещества. Как оказалось (а у выживателей есть свои исследовательские центры с высококлассными специалистами), пиролиз древесного топлива, особенно влажного, достаточно долго продолжается в газовой фазе, т.е. только что выделившимся из дерева пиролизным газам требуется еще довольно много тепла, чтобы образовалась смесь, способная догореть полностью. Эту смесь назвали древесным газом, woodgas.
Примечание: в рунете woodgas породил еще путаницу, т.к. в американском просторечии gas может означать любое топливо, ср. напр. gas station – автозаправочная станция, заправка. При переводе первоисточников не зная американского технического, получалось, что woodgas – просто древесное топливо.
До того древесного газа никто не увидел: в обычных печах он образуется сразу в топке, за счет избытка энергии пламенного горения. Конструкторы печей длительного горения пришли к тому, что первичный воздух нужно подогревать, а отходящие газы задерживать в значительном объеме над большой массой топлива, просто методом проб и ошибок, так что древесный газ и они проглядели.
Не так оказалось при топке пучками веточек: здесь первичные пиролизные газы тяга сразу тащила в дымоход. Древесный газ мог бы образоваться в нем на некотором удалении от топки, но первичная смесь к тому времени остывала, пиролиз прекращался, а тяжелые радикалы из газа оседали на стенки дымохода нагаром. Который быстро затягивал канал полностью; с этим явлением хорошо знакомы любители, строящие печи-ракеты наобум. Но исследователи-выживатели в конце концов поняли, в чем дело, и все-таки сделали нужную печь.
Who are you, the Rocket Stove?
Есть в технике негласное правило: если кажется, что создать устройство по заданным требованиям невозможно, то почитай, умник, школьные учебники. Т.е., обратись к основам. В данном случае – к основам термодинамики. Выживатели больным самолюбием не страдают, они к основам и обратились. И нашли главный принцип работы своей печи, не имеющий аналогов в других: медленное адиабатическое дожигание пиролизных газов в слабом потоке. В печах длительного горения дожигание равновесное изотермическое, требующее большого буферного объема, подверженного закону квадрата-куба, и запаса энергии в нем. В пиролизных газы в дожигателе расширяются почти по адиабате, но практически в свободный объем. А теперь – учимся мыслить по-американски.
Как работает печь-ракета?
Схема конечного плода трудов выживателей представлена на левой части рис. Топливо загружается вертикально в бункер (Fuel Magazine) и горит, постепенно оседая вниз. Воздух в зону горения поступает через поддувало (Air Intake). Поддувало должно обеспечить избыток воздуха, чтобы его хватило на дожигание. Но не чрезмерный, чтобы холодный воздух не остудил первичную смесь. При вертикальной загрузке топлива и глухой крышке бункера регулятором, впрочем, не весьма эффективным, выступает само пламя: слишком разгоревшись, оно оттесняет воздух.
Устройство ракетных печей
Далее начинаются вещи уже нетривиальные. Нам нужно прогреть, и с хорошим КПД, большую печь. Закон квадрата-куба не пускает: мизерное тепло сразу рассеется настолько, что и пиролиз не дойдет до конца, и термоградиента изнутри наружу не хватит на теплоотдачу в помещение; все высвистит в трубу. Закон этот вредный, в лоб его не прошибешь. Ладно, посмотрим в основах, нет ли там чего, что ему не подвластно.
А как же, есть. Тот самый адиабатический процесс, т.е. термодинамический без теплообмена с окружающей средой. Нет теплообмена – квадраты отдыхают, и кубы можно свести хоть в наперстку, хоть к небоскребу.
Представим себе полностью изолированный от всего объем газа. Допустим, в нем выделяется энергия. Тогда температура и давление начнут расти, пока не прекратится энерговыделение, и застынут на новом уровне. Прекрасно, топливо мы сожгли полностью, горячие дымовые газы можно выпускать в теплообменник или теплоаккумулятор. Но как это сделать без технических сложностей? А главное – как, не нарушая адиабаты, подавать воздух для дожигания?
А мы сделаем адиабатический процесс неравновесным. Как? Пусть первичные газы сразу от очага горения уходят в трубу, покрытую высококачественной изоляцией с малой собственной теплоемкостью (Insulation). Назовем эту трубу для себя жаровой или туннелем горения (Burn Tunnel), но не подпишем (ноу-хау! Не догоняешь – денег давай за чертежи-консультации! Без теории, разумеется. Кто же основной капитал в розницу распродает.) На схеме, чтобы не обвинили в «непрозрачности», обозначим пламенем.
По длине жаровой трубы показатель адиабаты меняется (это и есть неравновесный процесс): температура сначала немного упадет (образуется древесный газ), затем резко возрастет, газ догорит. Можно выпускать его в накопитель, но мы ведь забыли – а что газы по жаровой трубе потянет? Наддув означает энергозависимость, и точной адиабаты не будет, а что-то в смеси с изобарой, т.е. упадет КПД.
Тогда удлиним трубу вдвое, сохранив изоляцию, чтобы тепло зря не ушло. «Холостую» половину загнем вверх, сделав на ней изоляцию послабее; как сохранить просачивающееся через нее тепло, подумаем чуть позже. В вертикальной трубе появится разность температур по высоте, а, значит – тяга. И хорошая: сила тяги зависит от разности температур, а при средней в жаровой трубе около 1000 градусов добиться разницы в 100 на высоте около 1 м несложно. Итак, пока мы сделали маленькую экономичную печку-буржуйку, теперь нужно подумать, как ее тепло использовать.
Да, тут не мешает дополнительно подшифроваться. Если назвать вертикальную часть жаровой трубы первичным или внутренним дымоходом (Primary or Internal Vent), то и об основной идее догадаются, не мы же на свете самые умные. Ну… назовем первичный дымоход самым общим техническим термином для вертикальных трубопроводов с восходящим током – райзером (riser). Чисто по-американски: правильно и непонятно.
Теперь вспомним о теплоотдаче после протопки. Т.е. нам нужен дешевый, всегда доступный и очень емкий теплоаккумулятор. Изобретать тут нечего, саман (Thermal Mass) еще первобытные придумали. Но он не огнестоек, более 250 градусов не держит, а у нас на устье райзера около 900.
Преобразовать высокопотенциальное тепло в среднепотенциальное без потерь несложно: нужно дать газу возможность расшириться в изолированном объеме. Но, если оставить расширение адиабатическим, то объем понадобится слишком большой. А значит – материало- и трудоемкий.
Пришлось опять идти на поклон к основам: сразу по выходе из райзера газы пусть расширяются при постоянном давлении, изобарически. Для этого необходим отвод тепла наружу, порядка 5-10% тепловой мощности, но оно не пропадет и даже окажется полезным для быстрого прогрева помещения при утренней топке. А дальше по ходу газов – остывание изохорическое (в постоянном объеме); таким образом практически все тепло уйдет в аккумулятор.
Как это сделать технически? Накроем райзер тонкостенным железным барабаном (Steel Drum), он же пресечет теплопотери из райзера. «Друм» получается высоковат (райзер сильно торчит вверх), но не беда: мы его на 2/3 высоты обмажем тем же саманом. Присоединяем лежанку с герметичным дымоходом (Airtight Duct), наружный дымоход (Exhaust Vent), и печь почти готова.
Примечание: райзер и накрывающий его барабан с виду похожи на печной колпак над вытянутым вверх хайлом. Но термодинамика здесь, как видим, совсем другая. Пытаться улучшить колпаковую печь, надстраивая хайло, бесполезно – только лишний материал и работа уйдут, а печка лучше не станет.
Осталось решить проблему прочистки канала в лежанке. Китайцам для этого приходится кан время от времени ломать и муровать заново, но мы же не в I в. до н.э. живем, когда кан придумали. Мы устроим сразу после барабана вторичный зольник (Secondary Airtight Ash Pit) c герметичной прочистной дверцей. Вследствие резкого расширения и охлаждения в нем дымовых газов все в них, что не догорело, тут же конденсируется и оседает. Чистота внешнего дымохода гарантируется этим на годы.
Примечание: вторичную прочистку придется открывать раз-два в год, так что с петлями-задвижками можно не морочиться. Сделаем просто крышку из металлического листа на винтах с прокладкой из минерального картона.
Малая ракета
Следующей задачей конструкторов было создать на том же принципе малую печь непрерывного горения для приготовления пищи в теплое время года. В отопительный сезон для стряпни пригодна покрышка барабана (Optional Cooking Surface) большой печи, она нагревается примерно до 400 градусов. Малая печь-ракета должна была быть переносной, но зато ее допустимо было сделать с открытой топкой, т.к. когда тепло, готовить можно и на открытом воздухе или под навесом.
Вот тут конструкторы отомстили закону квадрата-куба, заставив его работать на себя: совместили топливный бункер с поддувалом см. на рис. в начале раздела справа. В большой печи так делать нельзя, точная регулировка режима печи по мере оседания топлива (см. далее) окажется невозможной.
Здесь же объем поступающего первичного воздуха (Primary Air) оказывается невелик относительно площади тепловыделения и воздух уже не может остудить первичную смесь до прекращения пиролиза. Его подача регулируется щелью в крышке бункера (Cover Lid). Бункер, наклонный под 45 градусов, оптимизирует авторегулировку мощности печи под стандартные кулинарные процедуры, но сделать его сложнее.
Вторичный воздух для дожигания древесного газа в малой печи поступает через дополнительные отверстия в устье райзера или просто подтекает под конфорку, если на ней стоит варочная посудина. Если малая печь размера, близкого к предельному (около 450 мм в диаметре), то для полного дожигания может понадобиться надставка-обечайка, Optional Secondary Woodgas Frame).
Примечание: подавать вторичный воздух к устью райзера большой печи через отверстия в барабане (что повысило бы КПД печи) нельзя. Хотя давление во всем газодымовом тракте и ниже атмосферного, как и положено в печи, из-за сильных завихрений дымовые газы будут выбрасываться в помещение. Тут сказывается вредная для печи их кинетическая энергия; это, пожалуй, единственное, что роднит печь-ракету с реактивным двигателем.
Малая печь-ракета произвела революцию в классе походных печей, особенно туристких. Печка-щепочница (печка Бонда на Западе) поможет сварить похлебку или переждать буран в одно-двухместной палатке, но группу, застигнутую в весеннем походе запоздалым ненастьем, не спасет. А малая ракетная печь лишь немного больше, ее можно быстро сделать нигде из ничего, но способна развить мощность до 7-8 кВт. Впрочем, о печах-ракетах из чего попало мы поговорим далее.
Также малая ракетная печь породила множество усовершенствований. Напр., Габриэль Апостол снабдил ее отдельным поддувалом и широким бункером. Получилась печка, пригодная для устройства компактной и довольно мощной водогрейки, см. видео ниже. Большую печь-ракету тоже модифицировали, об этом мы расскажем немного в конце, а пока остановимся на вещах более существенных.
Видео: водогрейка на основе ракетной печи конструкции Габриэля Апостола
Как топить ракету?
У ракетной печи с печами длительного горения есть общее свойство: запускать их нужно только на теплую трубу. Для малой это несущественно, но большая на холодный дымоход только зря сожжет топливо. Поэтому большой ракетной печи перед загрузкой штатного топлива в бункер после длительного перерыва в топке и растопкой необходим разгон – протопка бумагой, соломой, сухой стружкой и т.п., их помещают в открытое поддувало. Об окончании разгона судят по изменению тона гула печи или его затиханию. Тогда можно загружать топливо в бункер, а его розжиг произойдет сам собой от разгонного топлива.
Печь-ракета, к сожалению, не относится к печам, полностью самонастраивающимся под качество топлива и внешние условия. В начале горения штатного топлива дверцу поддувала или крышку бункера в малой печи открывают полностью. Когда печь сильно загудит, прикрывают ее «до шепота». Далее в процессе топки необходимо постепенно прикрывать доступ воздуха, ориентируясь по звуку печи. Вдруг воздушная заслонка захлопнулась на 3-5 мин – ничего страшного, если ее открыть, печь снова разгорится.
Зачем такие сложности? В процессе прогорания топлива приток воздуха в зону горения усиливается. Когда воздуха слишком много, печь взрёвывает, но не радуйтесь: теперь избыточный воздух охлаждает первичную газовую смесь, а звук усиливается оттого, что устойчивый вихрь в райзере сбивается в беспорядочный комок. Пиролиз в газовой фазе прерывается, никаких древесных газов не образуется, печь потребляет слишком много топлива, а в райзере оседает нагар из сажи, сцементированной битуминозными частицами. Это, во-первых, пожароопасно, но до пожара дело скорее всего не дойдет, канал райзера довольно быстро зарастет нагаром полностью. А как его чистить, если у вас покрышка барабана несъемная?
В большой печи самопроизвольная смена режима происходит скачком, когда верх палочек опустится до нижнего обреза бункера, а в малой – постепенно, по мере оседания топливной массы. Поскольку при стряпне на печи опытная хозяйка надолго от нее не отходит, конструкторы и сочли возможным ради компактности совместить в ней бункер с поддувалом.
С большой печью такой фокус не пройдет: высокий райзер тянет очень сильно, и воздушная щель нужна настолько тонкая (а ведь ее нужно еще и регулировать), что добиться стабильного режима печи невозможно. С отдельным поддувалом проще: округлую в разрезе массу топлива воздуху легче обтекать с боков, слишком разгоревшееся пламя туда его и отжимает. Печка получается до некоторой степени саморегулирующейся; правда, в очень небольших пределах, так что манипулировать поддувальной дверцей все равно время от времени приходится.
Примечание: делать бункер большой печи ради простоты без плотной крышки, как часто творят, нельзя. Из-за нерегулируемого дополнительного притока воздуха сквозь топливную массу добиться стабильного режима работы печи вряд ли окажется возможным.
Материалы, размеры и пропорции, футеровка
Теперь посмотрим, какой должна быть самодельная печь-ракета из доступных нам материалов. Тут тоже нужна оглядка: не все, что в Америке под рукой, у нас тоже, и наоборот.
Из чего?
Для большой печи с лежанкой более-менее достоверные опытные данные есть для изделий с барабаном из 55-галлонной бочки диаметром 24 дюйма. 55 галлонов это 208 с мелочью литров, а 24 дюйма – почти точно 607 мм, так что наша 200-литровка вполне подойдет без дополнительного пересчета. Сохраняя параметры печи, диаметр барабана удается уменьшить вдвое, до 300 мм, что позволяет сделать его из 400-450 мм жестяных ведер или бытового газового баллона.
На поддувало, бункер, топку и райзер пойдут трубы разного размера, см. ниже, круглые или профильные. Так можно будет сделать изолирующую футеровку топочной части из смеси равных долей печной глины и шамотного щебня, не прибегая к кирпичной кладке; о футеровке райзера поговорим подробнее ниже. Горение в печи-ракете слабое, поэтому термохимия газов щадящая и толщина стали всех металлических частей, кроме газопровода в лежанке – от 2 мм; последний можно сделать из тонкостенного металлогофра, здесь дымовые газы уже полностью выдохлись и по химии и по температуре.
Для внешней обмазки лучший теплоаккумулятор – саман. При соблюдении указанных ниже размеров теплоотдача ракетной печи в самане после топки может достигать 12 час и более. Остальные детали (дверцы, крышки) – металлические из оцинковки, алюминия и т.п., с герметизирующими прокладками из минерального картона. Обычная печная фурнитура подходит мало, обеспечить ее герметичность трудно, а щелястая печь-ракета работать как следует не будет.
Примечание: печь-ракету желательно снабдить вьюшкой во внешней дымовой трубе. Хотя газовая вьюшка в высоком райзере запирает общий дымовой тракт наглухо, сильный ветер снаружи может преждевременно вытянуть тепло из лежанки.
Размеры и пропорции
Базовые расчетные величины, к которым привязываются остальные – диаметр барабана D и площадь его поперечного сечения по внутри S. Все прочее, исходя из размера наличной железины, определяется следующим образом:
Предельная тепловая мощность печи-ракеты из бочки составляет примерно 25 кВт, печи из газового баллона – около 15 кВт. Регулировка мощности – только размером загрузки топлива. Подачей воздуха печь вводится в режим, и ничего более!
Примечание: в первоначальных печах выживальщиков сечение райзера бралось в 10-15% S в расчете на совсем мокрое топливо. Потом там же, в Америке, появились печи-ракеты с лежанкой для бунгало, рассчитанные на воздушно-сухое топливо и более экономичные. В них сечение райзера уменьшено до рекомендуемых и здесь 5-6% S.
Футеровка райзера
От теплоизоляции райзера во многом зависит экономичность ракетной печи. Но американские футеровочные материалы нам, увы, недоступны. По запасам высококачественных огнеупоров США не имеют себе равных, там они считаются стратегическим сырьем и даже проверенным союзникам продаются с оглядкой.
Из наших доступных материалов по теплотехнике их можно заменить легким шамотным кирпичом марки ШЛ и обычным самокопаным речным песком с большой примесью глинозема, правильно уложенным, см. ниже. Однако материалы эти пористые, в печи они быстро пропитаются нагаром. Тогда печь заревет при любой подаче воздуха, со всем вытекающим. Поэтому нам нужно окружать футеровку райзера металлической обечайкой, а торец футеровки обязательно замазывать печной глиной.
Схемы футеровки для 3-х видов печей показаны на рис. Суть здесь в том, что при уменьшении размеров барабана доля его непосредственной теплоотдачи через днище и нефутерованную часть возрастает по закону квадрата-куба. Поэтому при сохранении нужного термоградиента в райзере мощность футеровки можно уменьшать. Это дает возможность соответственно увеличить относительное сечение кольцевого опуска дымовых газов в барабане.
Схемы футеровки райзера в ракетных печах
Зачем? Во-первых, снижаются требования к внешнему дымоходу, т.к. внешняя тяга теперь лучше тянет. А раз тянет лучше, то и допустимая длина борова в лежанке падает медленнее, чем размеры печи. В итоге, если печь из бочки прогревает лежанку с боровом длиной до 6 м, то вдвое меньшая из баллона – 4 м.
Как футеровать песком?
Если футеровка райзера шамотная, то остаточные полости просто засыпают строительным песком. Речной самокопаный для футеровки целиком из песка тщательно готовить не нужно, достаточно выбрать крупный мусор. Но насыпают его послойно, в 5-7 слоев. Каждый слой утрамбовывают и обрызгивают до образования корки. Затем всю засыпку сушат неделю, замазывают верхний обрез глиной, как уже сказано, и продолжают постройку печи.
Ракета из баллона
Из вышесказанного понятно, что выгоднее делать печь-ракету из газового баллона: меньше работы, меньше неприглядных частей на виду, а лежанку прогревает почти такую же. Тепловая завеса или теплый пол в сибирский мороз обогреют мощностью 10-12 кВт помещение в 50 кв. м и более, так что и здесь баллонная ракета оказывается выгоднее, большую из бочки редко когда придется запускать на полную мощность с максимальным КПД.
Умельцы, видимо, это тоже поняли; по крайней мере некоторые. К примеру, здесь на рис. – чертежи баллонной печи-ракеты. Справа – оригинал; автор, похоже, с умом разбирался в изначальных разработках и в общем получилось у него все правильно. Слева – необходимые усовершенствования с учетом использования воздушно-сухого топлива и прогрева лежанки.
Чертежи печи-ракеты из газового баллона
Плодотворная идея – отдельный подача подогретого вторичного воздуха. Печь будет экономичнее и жаровую трубу можно сделать короче. Площадь сечения его воздуховода – около 10% от сечения райзера. Печь работает всегда при полностью открытой вторичке. Вначале режим выставляют задвижкой первички; точно регулируют крышкой бункера. В конце топки печь взревет, но здесь это не так страшно, для прочистки райзера автором конструкции предусмотрена съемная крышка барабана. Она, понятное дело, должна быть с уплотнением.
Ракеты из чего попало
Баночные
Схема ракетной печи из банок
Туристы, охотники и рыболовы (многие из них – члены обществ выживания) скоро приспособили малую ракетную печь под походную из пустых жестянок. Свести влияние квадрата-куба к минимуму удалось, применив горизонтальную подачу топлива, см. схему справа. Правда, ценой некоторого неудобства: палочки по мере прогорания нужно подталкивать внутрь. Зато режим печи стал держаться железно. Каким образом? За счет автоматического перераспределения потоков воздуха через поддувало и над/сквозь топливо. Мощность баночной ракетной печи лежит в пределах 0,5-5 кВт в зависимости от размеров печи и регулируется примерно втрое величиной загрузки топлива. Основные пропорции также просты:
- Диаметр камеры сгорания (combustion chamber) – 60-120 мм.
- Высота камеры сгорания – 3-5 ее диаметров.
- Сечение поддувала – 0,5 от его же камеры сгорания.
- Толщина слоя теплоизоляции – не менее величины диаметра камеры сгорания.
Пропорции эти весьма приблизительные: изменение их вдвое не мешает печи работать, а КПД в походе не столь уж важен. Если изоляция из смоченной супеси, как описано выше, стыки деталей можно просто промазывать глиной (левая поз. на рис. ниже). Тогда печка после 1-2 топок приобретет прочность, позволяющую транспортировать ее без особых предосторожностей. Но вообще-то изоляция пойдет любая из подручных негорючих материалов, след. две поз. Конфорка любой конструкции должна обеспечивать свободный приток воздуха, 3-я поз. Сварная из стального листа печь-ракета (правая поз.) с песчаной изоляцией вдвое легче и экономичнее буржуйки той же мощности.
Компактные ракетные печи
Кирпичные
Печь-ракета из обломков кирпича
О больших стационарных ракетных печах распространяться не будем: в них вся исходная термодинамика враздрызг идет, и они лишены одного из главных достоинств изначальной печи – простоты постройки. Мы расскажем немного о ракетных печах из кирпича, глины или обломков камня, которые можно сделать за 5-20 мин, когда под рукой нет жестянок.
Вот, к примеру (см. ролик ниже), вполне полноценная по термодинамике печь-ракета из 16 кирпичей, уложенных на сухую. Озвучка английская, но там и без слов все понятно. Подобную ей можно сложить из обломков кирпича (см. рис.), булыжников, вылепить из глины. На 1 раз хватит печки, слепленной из жирной земли. Экономичность у всех у них не ахти, высота камеры сгорания маловата, но на плов или срочно обогреться хватит.
Видео: печь-ракета из 16 кирпичей (eng)
Новый материал
Схема печи Широкова-Храмцова
Из отечественных разработок заслуживает внимания печь-ракета Широкова-Храмцова (см. рис. справа). Авторы, не заботясь о выживании в плюке, применили современный материал – жаростойкий бетон, подогнав к нему всю термодинамику. Компоненты жаробетона не дешевы, для замеса нужна бетономешалка. Но его теплопроводность много ниже, чем у большинства прочих огнеупоров. Новая ракетная печь стала работать стабильнее, и появилась возможность часть тепла выпустить наружу в виде ИК-излучения через жаропрочное стекло. Получилась ракетная печь – камин.
Летают ли ракеты в бане?
А не подойдет ли печь-ракета для бани? Вроде бы на покрышке барабана каменку устроить можно. Или проточную вместо лежанки.
К сожалению, ракетная печь для бани не годится. Чтобы получить легкий пар, банная печь должна сразу прогреть тепловым (ИК) излучением стены, и тут же, или чуть погодя – воздух, конвекцией. Для этого печь должна быть компактным источником ИК и очагом конвекции. Конвекция от ракетной печи распределенная, а ИК она дает вообще мало, сам принцип ее устройства исключает существенные потери на излучение.
В заключение: печникам-ракетчикам
В удачных конструкциях ракетных печей пока больше интуиции, чем точного расчета. А посему – удачи и вам! – печь-ракета благодатное поприще для умельцев с творческой жилкой.
Источник: econet.ru
.
