или пространство, в котором так сожигается топливо (см. Горючие материалы), чтобы тепло, развивающееся при горении, сообщалось в желаемой мере тем твердым, жидким или газообразным предметам (или пространствам, ими наполненным), которые желательно нагреть выше, чем окружающее пространство, имеют чрезвычайно разнообразное устройство, смотря как по свойству топлива (см., напр., Отопление нефтяное; Генераторный газ и др.), так и по качеству нагреваемого предмета и по температуре, которую ему необходимо сообщить. Обыденные виды топок, или печи (см.), применяемые для нагревании жилищ и для приготовления пищи (кухонные очаги), требуют, например, нагревания до невысоких температур, а при плавке металлов (см., напр., Вагранки, Доменные печи и т. п.), особенно стали, необходим жар или возвышение температуры до очень высокой меры (см. Пирометрия). В печах всегда можно и должно отличать очаг (топливник или Т. в тесном смысле), или место горения топлива, нередко служащий местом передачи тепла (плиты, горны и т. п.), поддувало, или отверстие для входа воздуха, трубу, или место выхода продуктов горения, и стенки, т. е. устройство самой печи. Нагреваемое тело помешается или прямо в смеси с самым топливом (напр., в доменных печах, вагранках и т. п.), или в особых сосудах (тиглях, котлах, муфелях и т. п.) среди горящего топлива и в пламени, им образуемом, или отчасти в пламени, отчасти в дыме (как при нагреве паровых котлов), или, наконец, очаг, дымоходы и стенки печи окружаются нагреваемым телом, напр., в паровиках с внутреннею топкою, в комнатных печах и т. п. Это разнообразится до бесконечности и определяется преимущественно свойствами нагреваемого тела и требуемою температурою. Поэтому описывая, в соответственных местах, разные виды и устройства печей, мы здесь будем касаться самого устройства печей или только в виде типических примеров, или в отношении к таким устройствам, которые прямо или косвенно ведут к экономии топлива. Костер, окруженный с трех сторон кирпичными или металлическими стенками и снабженный дымоотводной трубою, или камин, представляет столь плохой вид пользования почти одною лучистою теплотою горения топлива, что держится еще в практике для нагревания жилищ почти исключительно на основании давней привычки и легкой возможности прямо и просто погреться у огня. Всем известная "русская" печь, где через нижнюю половину очажного отверстия входит воздух, а через верхнюю часть того же отверстия выходит дым, представляет в отношении пользования топливом только ту выгоду, что стенки ее, нагреваемые пламенем, массивны и поглощают много тепла, которое этим путем сохраняется для нагревания жилища и приготовляемой пищи, но все же здесь, как и во всех печах, не допускающих управления притоком воздуха, неизбежный его избыток (происходящий от невозможности полного смешения с продуктами горения) сильно уменьшает полезное действие топлива. То же относится к обычным комнатным печам, действующим лишь периодически и обыкновенно также лишенным возможности хорошо регулировать приток воздуха, а потому действующим обыкновенно при большом его избытке (что всегда неэкономно). В нашем изложении мы коснемся исключительно фабрично-заводских печей, в которых можно управлять доступом воздуха и назначенных для разных случаев продолжительного (более или менее непрерывного) нагревания. Так как расход топлива в таких печах ложится на ценность производимых предметов и нередко образует (напр., при производстве пара, приготовлении стекла, чугуна и т. п.) значительную его долю (напр., при производстве чугуна от 40 до 60 % его заводской стоимости на месте добычи), и так как в большинстве случаев экономия топлива и достижение желаемых температур много зависят от отношения между количеством (в данное время) сгорающего топлива и притекающего к нему воздуха (при избытке его — получаются низкие температуры от увеличения массы дыма, которому передается тепло, а при недостатке воздуха в дыме будут содержаться недогоревшие газы, и топливо не даст всего тепла), то первоначально мы рассмотрим, какое количество воздуха необходимо для полного сожигании топлива, т. е. для превращения всего углерода, в нем содержащегося, в углекислый газ, СО2, и всего водорода в воду, Н2О. Зная состав топлива, можно легко вычислить количество воздуха, необходимого для его полного сожигания, так как вес куб. меры воздуха \[Вес воздуха. Заметив, что 1 куб. сажень = 9,713 куб. метрам или 9713 литрам и 1 куб. фут = 28,3, что пуд = 16380 граммам, а фунт (русский) = 409,5 г, мы делаем весь дальнейший расчет на куб. метр в граммах по той причине, что в метрических мерах выражаются все точные определения, относящиеся до воздуха. Лучшие опыты дают, что, в зависимости от напряжения тяжести (g в метрах), вес одного куб. метра сухого воздуха, лишенного углекислоты, при 0° и при нормальном давлении, равном 760 миллиметрам (ртутного барометрического столба при 0°), равен 131,84. g граммов. А так как g для Петербурга = 9,8188 м, и в России изменяется примерно от 9,80 до 9,82, то можно принять с точностью до 2/10 %, что куб. метр (= 1000 литров с точностью до 1/100 %) норм. воздуха в России весит 181,84. 9,81 или 1293,35 грамма. От содержания углекислого газа, объемное количество которого в свободном воздухе изменяется от 0,028 до 0,032 % (среднее 0,03 %), вес куб. метра норм. сухого воздуха возрастает (так как плотность (О2, по воздуху, = 1,52) до Е0 = 1293 грамма. ([u]+ [/u]2 г; более точный расчет требует знания g, но в заводской практике не может требоваться большей точности). Влажность воздуха, изменение его температуры (градусы Цельсия) и перемены барометрического давления изменяют этот вес в значительной мере, а именно, если упругость водяных паров означим h (миллиметров ртутного столба), если плотность (по воздуху) водяных паров примем = 0,63, если температуру воздуха означим t° С, и если коэффициент его расширения на 1° С примем = 0,00367, а общее давление (высоту ртути в барометре при 0°) означим через H мм (при 0°), то в этих условиях вес куб. метра воздуха: Е = Е0\[(H — 0,37h) / 760(1 + 0,00367t)\] граммов. Что касается до h (упругость вод. паров воздуха), то она = hm Р/100, где hm означает наибольшую возможную при t упругость (насыщенных) паров, а Р процентное содержание влажности (наблюдаемое на гигрометре или определяемое психрометрами, см.). Это последнее можно принять вообще для России = 70 % (только в сухих степях и особых условиях сухости оно вообще ниже; при 70 % влаги точки росы, примерно, на 5° ниже t воздуха), а потому можно принять
-
| t | —15° | —10° | —5° | 0° | +5° | 10° | 15° | 20° | 25° | 30° C. |
| - - - - - - - - - - - |
| hm = | 1,4 | 2,2 | 3,2 | 4,6 | 6,5 | 9,1 | 12,7 | 17,4 | 23,5 | 31,5 мм. |
| - - - - - - - - - - - |
| h = | 1,0 | 1,5 | 2,2 | 3,2 | 4,6 | 6,4 | 8,2 | 12,2 | 16,5 | 22,1 " |
- На основании этого, для примера, разочтена следующая таблица (Е вес куб. метра воздуха в граммах):
-
| | H = | 720 | 740 | 760 | 780 мм |
| - - - - - - |
| t = —15°C | Е = | 1297 | 1333 | 1370 | 1406 г |
| - - - - - - |
| = 0° " | 1223 | 1257 | 1291 | 1325 | " |
| - - - - - - |
| = +15° " | 1155 | 1187 | 1219 | 1251 | " |
| - - - - - - |
| = 30° " | 1091 | 1132 | 1162 | 1193 | " |
- Для технических расчетов в большинстве случаев можно принять, что вес куб. м воздуха равен: Е1 = 1208 + 5(15 — t) + 2(H — 750) г, потому что погрешность этой приближенной и простой формулы в обычных условиях составляет лишь десятые доли % всего веса. Пусть напр. дано, что H = 750,0 мм, h = 6,0 мм, t = 10° С, точное значение Е = 1227 г, а приближенное: E1 = 1233 г.\] и его весовой и объемный состав известны, если известны температура, влажность и давление, относящиеся к воздуху. Очевидно, что все дело здесь в количестве требуемого кислорода. Если в 100 г топлива содержится с г углерода, то для полного превращения их в углекислый газ требуется с 32/12 или c22/3 г кислорода, на h г водорода надо h8 г кисл. и на s г серы s г кислорода, всего на 100 г топлива, содержащего о гр. кислорода, требуется K = c22/3 + h8 + s + o г кислорода. Если на основании метеорологических данных для воздуха известно, что в одном кб. метре его содержится q г кислорода \[Состав воздуха. Когда свободный атмосферный воздух лишен углекислоты и воды, его состав одинаков; в нем содержится всегда 20,9 объемных процентов кислорода и 78,3 % по объему азота и ок. 0,8 % по объему аргона (и сходных с ним криптона, неона и др.), плотность которого почти в 11/2 раза более плотности азота. А так как, приняв вес одного объема водорода = 1, плотность кислорода = 16, азота = 14 и аргона = 21, то весовой процентный состав воздуха (без СО2 и H2O) следующий:
-
| Кислорода | 20,9 x 16 = 334,4 | или 23,10 по весу. |
| - - - |
| Азота | 78,3 x 14 = 1096,2 | 75,74 " " |
| - - - |
| Аргона | 0,8 x 21 = 16,8 | 1,16 " " |
| - - - |
| | 1447,4 | 100,00 |
- Что же касается до воздуха обыкновенного, т. е. содержащего углекислоту и водяные пары, то его объемный и весовой состав найдутся, если заметим, что (см. предш. выноску) общее давление = Н мм, а упругость водяного пара = h мм. Отсюда следует, что объем сухого воздуха относится к объему водяных паров, как H — h относится к h. Следовательно, в 1 кб. м влажного воздуха содержится 1 — h/H кб. м сухого воздуха и h/H. кб. м водяных паров (напр., при 70 % влажности и 30°, при 760 мм давления в куб. метре воздуха 22,1/H или ок. 3 % по объему водяного пара). Что касается до углекислого газа, то его объем должно в среднем принять = 0,03 на 100 об. сухого воздуха. Пусть, напр., дано, что H = 750, t = 15°, h = 10, состав 100 объемов воздуха будет: водяного пара 100.10/750 = 1,33 об., а сухого воздуха 100.740/750 = 98,67 об., а в этих 98,67 об. будет содержаться 0,03.0,9867 = 0.0296 или почти 0,03 об. углекислого газа, кислорода 20,9.0,9864 = 20,63 об., азота 78,3.0,9864 = 77,23 об. и аргона 0,8.0,9864 = 0,79 об. Эти числа дают содержание составных начал воздуха — по объему, но для расчетов при топливе, количество которого определяется весом, необходимо определить весовое содержание кислорода в одном объеме воздуха, так как количество воздуха может измеряться только объемами. Вопрос немного усложняется тем, что объем воздуха изменяется с содержанием водяных паров, температурою и давлением. Если (см. предш. выноску) куб. метр сухого воздуха весит 1293 г при 0° и 760 мм давления, то в тех же условиях вес куб. метра кислорода = 1429 г, а водяного пара = 814 г. Очевидно, что в 1 кб. м влажного воздуха, при t и H, сухого воздуха по объему будет 1 — h/H кб. м, а кислорода будет 0,209(1 — h/H) кб. м., след., вес кислорода (граммы) q, содержащегося в 1 кб. м воздуха, будет:
-
| q = | (1429.0,209\[H — h\]) /(\[1 + 0,00367\]760) = 298,66 . A |
| - - |
| азота | = 978,75 . А |
| - - |
| аргона | = 15,00 . А |
| - - |
| углек. газа | = 0,59 . А |
| - - |
| вод. пара | = 814. (h/\[H — h\]) . А |
- Сумма ? = \[1293(H — 0,37h)\]/(\[1 + ?t\]760) где А = (H — h)/(\[1 + ?t\]760) Так, напр., если (как выше) H = 750, t = 15, h = 10; в куб. метре воздуха будет содержаться (А = 0,9218)
-
| Кислорода | 275,3 грамма | = 22,90 % по весу. |
| - - - |
| Азота | 902,3 " | = 75,06 " " " |
| - - - |
| Аргона | 13,8 " | = 1,15 " " " |
| - - - |
| Углкисл. | 0,6 " | = 0,05 " " " |
| - - - |
| Вод. паров | 10,1 " | = 0,84 " " " |
| - - - |
| Воздух | 1202 г | 100,00 |
- В прилагаемой таблице дано содержание q граммов кислорода в 1 кб. м воздуха, вес которого дан в предшествующей выноске:
-
| h | t | H = 720 | 740 | 760 | 780 мм. | % по весу |
| - - - - - - - |
| 1,0 мм | —15° C | q = 299 | 308 | 316 | 324 грамм | 23,1 |
| - - - - - - - |
| 3,2 | 0° C | 282 | 290 | 297 | 305 " | 23,0 |
| - - - - - - - |
| 8,2 | +15° C | 265 | 272 | 280 | 287 " | 22,9 |
| - - - - - - - |
| 22,1 | +30° C | 247 | 254 | 261 | 268 " | 22,6 |
- Приближенно можно принимать, что в 1 кб. м воздуха содержание кислорода q = 276 + 1,2 (15 — t) + 0,6 (H — 750) г. Когда метеорологические данные не наблюдены, можно принимать вообще, что кислорода по весу 23 %, а в куб. метре содержится ок. 250—300 г кислорода.\], то для сожигания 100 г топлива, очевидно, требуется V = K/q кб. м воздуха. Пусть, напр., дана нефть, с = 86, h = 14; на 100 г ее требуется K = 341,3 г кислорода и пусть дано давление воздуха 750 мм, его темП., 10°, влажность 70 %, откуда находим, куб. м воздуха весит 1227 г и содержит q = 228 г кислорода, а отсюда очевидно, что для полного сожигания 100 г взятой нефти требуется 341,3/282 или 1,21 кб. м воздуха \[Следовательно, на 1 кг нефти 14,8 кг или 12,1 кб. м воздуха, или на 1 пд. нефти 14,8 пд., или 19,3 кб. саж., или 6620 кб. фт. воздуха. Для приближенных расчетов, найдя количество К кислорода в граммах, можно принимать вес требуемого воздуха = K. 4,35 г, а объем равен K. 4,35/E1 кб. м, где E1 есть вес кб. метра воздуха, определяемый как в \[1\]. Если же температура и давление воздуха неизвестны, то можно в первом приближении считать объем необходимого воздуха, принимая, что в 1 кб. м воздуха содержится 290 г кислорода, а в 100 частях воздуха по весу 23 весовых частей кислорода. Во всяком случае, главный элемент, определяющий объем воздуха, необходимого для горения, есть К (вес необходимого кислорода), a по составу топлива его легко получить.\] Суждение о количестве воздуха, действительно притекающего к топливу, производится или 1) через измерение скорости этого притока (с помощью анемометров разного устройства) и поперечного сечения того отверстия (поддувало), через которое поступает воздух в Т., где измеряется количество топлива, сгоревшего в единицу времени, или 2) через исследование состава дыма, когда известна масса сгорающего топлива и его состав. Последний способ проще и достовернее, потому что отбирая малые доли дыма, можно судить об общем среднем более достоверно, даже тогда, когда забрасывание топлива производится при помощи периодического открывания дверец очага, причем врывается воздух помимо поддувала. Если горение полно, одно определение в дыме свободного кислорода и образовавшейся углекислоты (что производится легко, скоро и точно) дает уже количество притекающего воздуха, когда состав топлива известен. При неполном горении (образовании сажи, окиси углерода и т. п.) требуется ужо определение в дыме, сверх кислорода, и СО2, количества продуктов неполного горения, что уже усложняет вывод, но все же он и тогда точнее, чем при определении скорости воздуха в поддувале. Для нефти, превращенной в мельчайшие капли при помощи пульверизации паром (форсункою, см.) или струею воздуха, можно достигнуть полного горения с таким количеством воздуха, которое лишь немного превосходит предшествующий расчет. Для пылевидного твердого топлива также. Для газообразных видов топлива еще точнее можно достичь полного горения при притоке лишь строго необходимого количества воздуха. Но для дров, каменного угля и торфа, сожигаемых в обычных печах, нельзя достичь полноты смешения горючих продуктов их разложения с воздухом, а потому количество расходуемого воздуха на 30, даже 60 процентов, а обыкновенно (и даже очень нередко) в два и более раза превосходит необходимость, что ведет не только к понижению температуры, доставляемой топливом, но и к уменьшению всего его полезного действия. Поэтому то превращение твердого топлива в тонкий порошок или в горючие газы, несмотря на сопряженные с этим накладные расходы, часто оказывается в практике весьма целесообразным и выгодным, особенно если требуются высокие температуры. Если же к топливу, хотя бы раздробленному или превращенному в горючие газы, притекает в очаге (Т.) менее воздуха, чем следует для полного горения, то вместе с продуктами горения удаляется часть недогоревших веществ (особенно сажа, окись углерода и ацетилен), а это не только ведет к напрасной потере топлива и образованию дыма (он происходит также и при избытке воздуха от недостаточной температуры некоторых частей пламени, если нет совершенного перемешивания или происходит быстрое охлаждение), но и понижает температуру очага. Итак, вреден и недостаток, и избыток воздуха. Это указывает на трудность достижения наивыгоднейшего пользования топливом. Оно достигается только тогда, когда есть лишь ничтожный избыток воздуха, узнаваемый из того, что в продуктах горения (дыме) нет или содержится очень мало свободного кислорода воздуха и вовсе нет горючих газов. А это условие практически вполне достижимо только при употреблении газообразных видов топлива, вследствие чего они за последнее время находят все большее и большее техническое приложение. Но во всяком случае уже лучше иметь избыток воздуха (как это и встречается всегда в обычных домашних и заводских печах), чем его недостаток, потому что при этом все же может достигаться полное горение \[Для сознательного отношения к применению топлива немалое значение имеет сверх того определение состава и количества продуктов горения или дыма. Опытное исследование этого предмета основывается на анализе и определении температуры дымовых газов, потому что тогда, зная состав и расход топлива, можно уже судить о количестве (весовом и объемном) притекающего к топливу воздуха. Определение температуры дыма не представляет трудностей, так как она невысока, обыкновенно не выше 300°, редко до 350°, a, такие темп. прямо измеряются соответственным (имеющим длинную трубку между шариком терм. и его шкалою) ртутным термометром, погружаемым (через особое отверстие в стенке дым. трубы) в дым около того места в самом начале трубы, где отбирается часть дыма, назначаемая для определения его состава. Хотя состав дыма, в сущности, очень сложен (см. Газовый анализ), но в нем особо важно определение относительных количеств углекислого газа (СО2), окиси углерода (СО, находимой только при условиях неполного горения), свободного кислорода, азота и водяного пара; обыкновенно же довольствуются определением СО2, СО, кислорода и азота. Для скорого и довольно точного определения содержания этих газов, достаточно: измеренный (при данных давлении и обыкн. темпер.) объем собранного дымового газа привести в прикосновение с раствором едкого натра, поглощающим углекислый газ (СО2), измерить объем остатка, а в нем определить кислород (щелочным раствором пирогаллина) и окись углерода (солянокислым раствором полухлористой меди), измеряя каждый раз остаток и, следовательно, определяя соответственный объем поглощенной части (угл. газа, окиси углер. и кислор.) и остаток азота. Если найден объемный состав средней пробы охлажденного дымового газа, простое вычисление дает его весовой состав, след., и весовое содержание углерода и свободного кислорода. По содержанию углерода в топливе (в воздухе же чересчур мало СО2, чтобы и это принимать в расчет) и дыме получается отношение между количеством сгоревшего топлива и объемом воздуха. По содержанию воды водорода в топливе определяется влево количество водяных паров в дыме, а объем пара находится по температуре, найденной для дыма.\]. При неполном горении, вместо углекислого газа СО2 получается окись углерода СО, которая легче углекислого газа, а при избытке воздуха остается кислород, который также легче углекислого газа, следовательно, полное горение определяется для данного вида топлива — наибольшею (при данной температуре и том же давлении) плотностью дыма, высушенного помощью веществ, отнимающих влажность. b66_521-0.jpg Фиг. 1. Поэтому в заводской практике об экономическом пользовании данным топливом и данною печью (т. е. об наиболее соответственном отношении между количеством сгорающего воздуха и притекающего топлива) можно просто и прямо судить по изменению плотности сухого и охлажденного дыма; если, например, при той же засыпи топлива уменьшение поддувала или вообще отверстия (заслонки, задвижки, клапана), определяющего приток воздуха, ведет к тому, что дым становится тяжелее, утилизация топлива увеличивается, если же охлажденный дым становится тогда легче, — необходимо увеличить доступ воздуха, чтобы достичь более полного сожигания. Приборы, служащие для удобного (наглядного) определения изменения плотности дыма, получили название дазиметров или эконометров. Так как плотность углекислого газа (22, если H = 1) примерно в 11/2 раза более плотности воздуха (14,4), азота (14) и кислорода (16), то, по мере улучшения горения и возрастания в дыме содержания углекислого газа, плотность охлажденного дыма (при постоянной, напр., комнатной, температуре) возрастает, и по ней можно судить о % СО2 и об изменениях в процессе горения в очаге. Если представим, что большой и легкий шар взвешивается в атмосфере охлажденного дыма, то кажущийся вес шара, равный его истинному весу без веса вытесненного объема атмосферы, будет убывать по мере прибыли СО2 в дыме. На этом начале и устроены довольно уже разнообразные дазиметры и эконометры, помещаемые около самой топки и определяющие плотность охлажденного дыма во время самого хода горения. Для этой цели из дымохода А водяным насосом непрерывно вытягивается некоторая часть дыма. Проходя через цилиндры С и D, наполненные ватой и помещенные в сосуд с водою, имеющею обыкн. температуру, дым оставляет в них частицы сажи и главную часть воды и входит под стеклянный колокол или шкаф E, в котором находятся весы, назначенные для определения плотности дыма, а именно объемного процента углекислого газа, так что и деления шкалы весов прямо наносятся пропорционально объемному проценту углекислого газа, а нуль шкалы отвечает положению равновесия в воздухе \[Чтобы показать явное изменение в плотности дыма по мере увеличения содержания СО2, достаточно указать на то, что если объем взвешиваемого шара = = 500 куб. см, и при давлении 760 мм температура пространства = 20° С, то в чистом воздухе потеря веса будет около 602 миллиграммов, а в воздухе, содержащем 10 % СО2 по объему, около 633 мг, т. е. на каждый % вес сосуда будет изменяться примерно на 3 миллиграмма, а такое изменение веса может быть отлично и ясно видимо при надлежащей чувствительности правильно устроенных весов, которые могут прямо по деленной шкале показать объемный % углекислоты. Эконометры представляют по существу такое же устройство, как и дазиметры, только определяется не потеря веса пустотелого шара, а вес газа, вмещающегося в опрокинутый цилиндр, подвешенный на весах и снабженный трубкою, через которую входит и постоянно возобновляется дымовой газ. Считаю нелишним заметить, что показания подобных приборов по многим причинам не могут отличаться очень большою точностью, но не в ней здесь и дело, а относительную прибыль или убыль в дыме СО2 они показывают с ясностью, что и дает возможность рационально улучшать топки.\]. Ссылаясь на указанное выше описание специального устройства разнообразнейших Т. (см. также Паровые котлы), мы ограничимся