Зачем топят печь?

Как и много лет назад перед сельскими жителями, особенно в Сибири, стоит проблема тепла в их домах, эта проблема актуальна и сегодня. Основным источником тепла в зимнее время, как и прежде, является обыкновенная печь. Про нее сложено много сказок, легенд, о ней упоминается во многих произведениях великих писателей и поэтов, про нее написано немало исторических документов.

Мы тоже решили выяснить, на сколько эффективен современный источник тепла в доме сельского жителя Сибири.

Вычисление внутренней энергии воздуха в доме

Как же подтвердить точность ответа? Мы обратились к статье Ланге. Допустим, зимой мы на день- два уехали и при возвращении выяснили, что температура воздуха в доме была около 0. *С и давление порядка 10 па. Мы затопили печь. Пусть внутренняя энергия воздуха при t = 0* С будет U, m- масса, к - коэффициент пропорциональности, то есть U = кmT, где Т – температура по шкале Кельвина, Т = т + 273

При протапливании помещения воздух нагревается, расширяется, и часть его выходит через поры, щели так, что масса воздуха в доме меняется. Объем и давление воздуха при этом остаются неизменными. Поэтому изменение внутренней энергии воздуха после протапливания можно записать следующим образом U2 – U1= k(m2Т2-m1Т1).

Воспользуемся уравнением Менделеева - Клапейрона PV = m/MRT, откуда следует mT = PVM/R,так как давление Р, объем V,молярная масса воздуха М и газовая универсальная постоянная R не изменяются, то выражение mT так же не изменяется, то есть m2T2 – m1T1 = 0, значит, U2 – U1 = 0,а это значит, что внутренняя энергия воздуха не изменяется. Тогда опять задаётся тот же вопрос: зачем же протапливаем жилые помещения? Дело в том, что наше тело очень хорошо чувствует температуру, которая определяется энергией, приходящей на одну молекулу. Проще говоря, условия нашего существования требуют определённой температуры, для достижения которой мы топим печь.

К. П. Д. печей

Поэтому встаёт другой вопрос: на сколько эффективно мы используем дрова? Почему именно этот вид топлива? (кстати, дрова становятся все дороже и их становится все меньше) Почему именно этот вид топлива? Потому что дрова экологичнее, чем уголь, хотя и уступают по теплоотдаче. Есть ещё много причин использования дров сельчанами, в том числе и нормы гигиенических требований. Что бы вычислить К. П. Д. печки мы использовали следующее оборудование: измерительная лента, весы, термометр (электронный и спиртовой)

КПД печи «голландка»

Первый шаг мы сделали, измерив массу 1 кирпича. Она от 3,5 до 3,38 кг. Массу одного кирпича на количество кирпичей от800 до 1200 штук. При этом были рассмотрены разные печи – голланка, русская печь, печь с плитой. Затем мы измерили массу дров для суточного отопления дома. Для этого мы усреднили массу одного полена и умножили на количество полешек 22 ,mдр=55 КГ.

По формуле Q = mq, где q- удельная теплота сгорания топлива, определили количество теплоты, выделившееся при сгорании берёзовых дров, это был второй шаг. Qд = 132. 107дж.

Третьим шагом было определение количества теплоты полученное кирпичами Q1 = mc (t2 -t1), для этого мы измерили температуру печи в двух точках: 1. Самая горячая. 2. Самая холодная и вывели среднюю температуру, она tср = t2= 40* C. Количество теплоты, полученное печкой, равно Qп = 10. 107 дж. Затем, измерили температуру воздуха около центра дома. Она равна20. *С=tв=t2,

Qв= mc(t2- t1), этой формулой вычислили количество теплоты, полученное воздухом.

В четвертых, мы измерили объем воздуха в доме. Он равен 175,4м3. По формуле плотности р. =m/V, мы вычислили массу воздуха, m=pV=226,3кг. Qв=0,4. 107дж. Таким же образом вычислили количество теплоты, полученное штукатуркой, толщиной 2 см. ,Qш=2,5. 107дж. , так же количество теплоты, полученное оконным стеклом,Qс=0,04. 107дж. Толщина стекла 3мм. Нашли сумму этих количеств теплот: Qo=10. 107дж + 0,4. 107 дж+ 2,5. 107 дж + 0,04. 107дж=12,94. 107дж. Все данные по удельной теплоемкости(7,с. 107),удельной теплоте сгорания дров(7,с. 123),(2,с. 115),плотности веществ(1,с. 26) мы взяли из таблиц. По формуле К. П. Д. =Qo/Qд100% вычислили коэффициент полезного действия нашей печки: К. П. Д. = 12,94. 107 дж. /132. 107 дж. 100%=9%.

Каков же вывод из наших изысканий? К сожалению к. п. д. нашей печки очень низкий. В среднем на каждый час по 0,5. 10в7дж тепла в доме, но это величина идеальная, т. е. потери тепла должны быть минимальными. В домах, построенных на болотистых местах вероятность появлений щелей и трещин на стенах и дверях очень большая, т. к. говорят дом «водит». Поэтому среднечасовое количество теплоты в этих домах будет значительно изменяться в течении суток. Мы думаем, что, применяя современные средства утепления можно добиться минимальных потерь тепла.

Результаты исследований

Формула количества теплоты выделившегося при сгорании дров Q =Результаты вычислений mq Qд =132. 107 дж.

Формула количества теплоты, полученного кирпичами Q = mc(t2-t1)

Qk= 10. 107 дж.

Количество теплоты, полученное воздухом в доме Q= mc(t2-t1)

Q=0,4. 107 дж.

Количество теплоты, полученное штукатуркой Q= mc(t2-t1)

Количество теплоты, полученное стеклом Q=- mc(t1-t2) Qш=2,5. 107 дж.

Qc=0,004. 107 дж.

Формула объема V=abh Vв=175,4 м3

Vс=0,028 м3

Vш= 1,19 м3

Формула плотности p= m/V, m= pV mв= 226,3 кг.

mс= 70кг.

mш= 3332 кг.

Формула КПД, = Q0/Q. 100% =9%

Вычисление КПД «русской» печи

Алгоритм вычисления КПД русской печки:

1. Количество теплоты, выделившееся при сгорании лиственничных дров массой 61,6 кг. , равно 117. 107 дж.

2. Количество теплоты, полученное воздухом, объем и масса которого равны 151,2м3и 195 кг. , равно 0,39. 107 дж.

3. Количество теплоты, полученное кирпичами массой 2975 кг. , равно 13,8. 107 дж.

4. Количество теплоты, полученное стеклом массой 48 кг. , равно 0,06. 107 дж.

5. Количество теплоты, полученное штукатуркой дома массой 360 кг. , равно 0,7. 107 дж.

6. КПД=(Qв+Qк+ Qс+Qш)/ Qд. 100%, он равен 12%

КПД русской печи в 1,3 раза больше, чем у «голландки». Это значит, что:

1. Количество кирпичей больше, чем в «голландке»

2. Дом стоит на твердой почве, поэтому его не «водит», т. е. щели и трещины при смене года не появляются.

3. Объем дома меньше.

В заключении, мы хотели бы рассмотреть, какие есть пути для эффективного использования дров, повышения к. п. д. наших печей.

Во-первых, это увеличение площади обогрева дома таким образом, чтобы дымоход проходил по стене или под полом жилища по примеру корейских или китайских строителей. На сколько увеличится площадь обогрева, примерно на столько же увеличатся нормы гигиенических требований по температуре, т. е. резких перепадов температуры в доме не будет. Для этого нужно, чтобы топка находилась как можно ниже, например, в подвале.

Во-вторых, водяное отопление. Тогда к. п. д. печи может увеличиться на столько, на сколько увеличится площадь обогрева, но здесь среднечасовое количество тепла в доме будет непостоянным. Как быстро охлаждаются трубы, так же быстро уменьшается оно.

В-третьих, если эти предложения не возможно осуществить, мы предлагаем технологию отопления тех печей, которые уже есть. Многие допускают следующие ошибки: 1. Максимально открывают заслонку и нижнюю дверцу поддува. Если отверстия заслонки и дверцы поддува открыть на столько, чтобы печь не дымила, то потери тепла в ней будут минимальными. 2. Ждут полного сгорания и исчезновения углей. Если постепенно уменьшать отверстие заслонки, а в какой-то момент дверцу пддува вообще закрыть, то прогрев кирпичей резко увеличится. 3. В момент появления красных углей в печи заслонку уменьшить максимально, закрыть поддув и открыть дверцу топки, соблюдая технику безопасности. 4. Использовать высококалорийное топливо, как береза и лиственница. 5. Если есть возможность подключиться к центральному отоплению. 6. Заделать все щели и трещины.

Таким образом, мы провели небольшую работу по выявлению КПД отопительных печей в наших домах и внесли некоторые предложения по увеличению КПД печек и технологию эффективного протапливания жилых помещений.

Мы надеемся, что наше маленькое исследование поможет нашим односельчанам создать необходимое тепло и уют в их доме.