Возведение отопительной колпаковой печи кузнецова своими руками

Принцип работы колпаковой печи

Колпаковая печь Кузнецова (в народе именуемая «Кузнецовка») получила название в честь своего создателя – И.В. Кузнецова, который занялся разработкой новой схемы отопления еще в начале 60-х годов прошлого столетия. Уникальная технология «свободного движения горячих газов» сразу же получила признание и стала пользоваться большой популярностью во всем мире.

Колпаковая печь Кузнецова: принцип работы

Особенность «Кузнецовки» заключается в том, что нагретые газы проходят и циркулируют по трубе благодаря собственной силе тяжести, в отличие от «принудительного» движения по дымоходу. Все мы знаем из уроков физики, что теплый воздух поднимается вверх, вытесняя холодный. Но, в отличие от канальных прототипов, здесь тепло не выходит из трубы, а собирается под колпаком. Постепенно он там остывает, и его вытесняют порывы борее горячего воздуха, поднимающиеся вверх.

Основным отличием канальной печи от колпаковой считается принцип движения горячего газа. В первой – дым как-бы вытягивается по трубе вверх, а в колпаковой – выталкивается. Сам колпак может служить емкостью для нагрева воды, приготовления пищи, сушилки и т.д. Таким образом, колпаковая печь может выполнять двойную функцию.

Печь «Кузнецовка»

То есть по функциональной характеристике, «кузнецовки» можно разделиться на:

• банные печи;
• печи для приготовления еды (хлебные, варочные, под казан, барбекю, гриль и т.д.);
• камин;
• печи для отопления;
• комбинированный тип.

Самыми распространенными являются именно комбинированные типы с возможностью приготовления еды и обогревом всего дома. Несмотря на возможность вариации стиля и формы, принцип действия колпаковой печи остается неизменным.

Схема движения газов в печи

Чтобы легче было понять основной принцип работы печи Кузнецова, представьте костер, разожженный на открытом воздухе. Из-за неограниченного доступа воздуха к огню, костер дает небольшое тепло. А теперь попробуем этот костер накрыть металлическим колпаком, оставив небольшой просвет снизу, чтобы совсем не загасить пламя. Горячий воздух пойдет вверх, нагревая стенки. Постепенно охлаждаясь, воздух начнет опускать к оставленному проему в то время, как его место занимает новая порция горячего воздуха. Это и есть принцип свободного движения горячих газов, который И.В. Кузнецов успешно применил в своей разработке.

Особенности конструкции

Сегодня в Сети можно найти более 150 разновидностей конструкции, но какой бы формы, стиля исполнения они ни были, все печи построены по одной методике. Конструктор, создавая схему кладки колпаковой печи, ставил перед собой две задачи: продуктивность и эффективность отопительной системы.

Возвести такую конструкцию не так-то просто. Необходимо четко придерживаться разработанной Кузнецовым И.В. порядовки

Изобретатель большую роль и внимание уделяет расположению внутренних каналов колпаковой печи

Колпак представляет собой отдельную камеру для задержки нагретого газа, что способствует экономии топлива и повышению КПД работы печи.

Стандартная конструкция «кузнецовки» предполагает наличие двух колпаков. Нижний объединен с топочной камерой, а второй колпак находится в верхней части печи. Задача первого колпака – разделить газы на холодные и горячие потоки. Именно это выгодно отличает колпаковую печь от канальной, где нагретый воздух, под действием тяги, свободно выходит наружу. Здесь же, горячий поток газа, выходящий из топки, стремится вверх, где задерживается под первым колпаком и долго аккумулирует тепло.

Дальше, поток стремится через проход во вторую камеру, где тоже задерживается под вторым потолком, так как проход находится у основания. Вследствие этого, горячий воздух, прежде, чем выйти по дымоходу, долго аккумулирует тепло в печи. Это дает высокий КПД – до 95 %. Если сравнить с эффективностью работы традиционной русской печи (канальной), то это больше на 45-50%.

Кроме свободного движения газа, колпаковая печь предполагает и механическое управление потоками. Для этого в конструкции устанавливаются задвижки. Они, по мере необходимости, могут задерживать и перенаправлять горячие потоки. «Летняя» задвижка предназначена для теплого времени года, когда печь используется в качестве варочной поверхности для приготовления еды. Открыв летнюю задвижку, поток горячего воздуха устремится вверх по дымоходу, не заходя под второй колпак.

Колпаковая печь для отопления дома

Принцип работы и отличия от других систем отопления

В основе лежит принцип свободного движения газов. Для циркуляции воздуха в обычной печи необходимо воздействие внешней энергии, то есть, создания принудительной тяги в трубе. Когда газы находятся в замкнутом пространстве, при наличии постоянного источника тепла, они под собственной тяжестью разделяются – холодные оседают вниз, горячие поднимаются наверх. При этом в области высоких температур давление растет, а там, где холодно – падает и вырабатывается энергия. Выходит, турбулентное движение возникает автоматически благодаря законам физики. Это значит, что если грамотно направить конвекционные потоки, то тепловая энергия будет переноситься самими массами газа. Заслуга Игоря Викторовича в том, что ему удалось подчинить систему свободного движения газов и использовать производимую ими энергию с максимальным КПД. Один из примеров печи Кузнецова можно увидеть на фото ниже.

При электрической подаче тепла тяговой трубы не требуется. Если печь отапливается дровами, то неизменно продукт горения должен выходить наружу. Благодаря хитрой конструкции, он скапливается на последней стадии своего пути, оказываясь как будто под колпаком. Там он снова перегорает, до конца отдавая своё тепло, и затем уже в виде бесполезного газа выводится на улицу, не охлаждая систему. Такие печи ещё называют колпаковыми.

Основополагающая особенность газового наполнения полостей состоит в том, что, сколько бы ни было отсеков у печи, они все заполняются газом равномерно и во всех происходят одинаковые физические процессы. Создать нечто подобное при помощи тяги, принципа противотока (широко применяемого в Европе) или других конвективных способов невозможно. Вот почему подобные печи – это инновация в системе печного отопления.

Они сами себя регулируют и, какую бы конфигурацию им ни придавали, они всегда работают по естественному принципу. Это дало простор инженерной мысли создателя, в результате чего им были придуманы десятки отопительных систем различных назначений и мощности:

• русские печи-теплушки;
• печи для бань и парилок с регулятором температуры воды и пара;
• различные бытовые печи с варочными поверхностями и лежанками;
• каминные, в которых стены камина являются полостями печи и кроме эстетической, выполняют обогревательную функцию;
• для двух- или трехэтажных домов – многоуровневые печи с транзитной трубой;
• система печей разного назначения в одном доме, которые работают на один дымоход.

Колпаковые печи Кузнецова могут быть оборудованы водяным котлом и представлять систему горячего водоснабжения в доме, при этом отапливаться от электричества. Такой резерв существенно снижает затраты.

Основные достоинства печей:

1. Экономичность. КПД доходит до 93%, в то время, как современные печи дают 70-80%, русские – 30%.
2. Равномерное прогревание закаляет кирпич и кладку, не давая ему трескаться.
3. Ровное распределение температур предотвращает появление «ямы» с холодным воздухом.
4. Сила выходящего потока больше сопротивления, в результате чего не возникает проблем с каминами или многоэтажными печами.
5. Дым от горения камина поступает в ходы печи и присоединяется к общему процессу обогревания.
6. Хорошо держат тепло даже при открытой задвижке.
7. Практически не засоряются сажей.

Конструкция и принцип действия

Выражение «Всё гениальное — просто!» в полной мере касается конструкции купольной печи, которая позволяет реализовать достоинства свободного движения газов. Простейший двухколпаковый агрегат, представленный на рисунке слева, работает следующим образом. Воздух, необходимый для горения дров, поступает через поддувало 1. Топку 2 выполняют в виде сужающегося сопла, благодаря чему удаётся не пропускать наружный воздух сверх меры. В противном случае он будет сразу же уходить во второй колпак, увлекая за собой разогретые газы. Препятствует поступлению тяжёлого холодного воздуха и так называемая газовая вьюшка, которая образуется под куполом. К слову, из-за простой конструкции установившаяся внутри печи атмосфера часто бывает неустойчивой — её срывает тяга со стороны внешнего колпака. Именно поэтому двухколпаковые печи, известные задолго до рождения Кузнецова, не имели популярности.

Во время активного горения дров не успевшие окислиться кислородом воздуха горючие газы поднимаются под купол 4 внутреннего колпака 3. Там они воспламеняются под действием открытого пламени и высокой температуры. Можно сказать, что под колпаком возникает зона, подобная той, которая образуется в камере дожигания обычной пиролизной печи

Немаловажно и то, что процесс пиролитического горения сам себя регулирует — при очень интенсивном пламени затрудняется отток продуктов сгорания, а соответственно, уменьшается и тяга. Если же пиролизные газы выгорают, то процесс восстанавливается

В это же время не менее важные процессы происходят и под сводом второго колпака. В этой зоне вступают в реакцию оксиды азота и монооксиды углерода (угарный газ), которые в результате реакций распадаются на безопасные компоненты. При правильной работе купольного агрегата в дымоход уходит преимущественно водяной пар и углекислый газ.

Идеальным вариантом двухколпаковой печи был бы агрегат круглой формы. В этом случае тело отопительного прибора могло бы выполнять функции верхнего купола. К сожалению, на практике соорудить такой теплогенератор сложно не столько из-за сферической формы, сколько по причине трудностей с обустройством прочисток и люков для их обслуживания. Из-за этого колпаки соединяют между собой широким каналом, который проходит в задней части печи. Эта особенность отражена на схеме, расположенной справа.

Ещё больше повысить КПД печей этого типа позволяет установка нескольких каскадов, каждый из которых состоит из двух колпаков, однако ввиду сложности монтажа и повышенных требований к термостойкости футеровки подобные конструкции популярностью среди печников-любителей не пользуются.

Описанные выше принципы естественного движения горячих газов полностью выдержаны в печах, разработанных И.В. Кузнецовым. На приведённой выше схеме одного из таких агрегатов цифрами обозначены: 1 — топочная камера; 2 — так называемый сухой шов; 3 — внутренний купол;

4 — теплообменник; 5 — верхний купол; 6 — дымоход. Как видите, топка и нижний колпак объединяются в одно пространство, разделённое узким каналом, который называют «сухим швом». Это позволило создать во внутреннем куполе и зоне сжигания условия, наиболее подходящие для свободного движения горячего газа к своду колпака, а охлаждённого — в сторону топки.

Особенности кладки: материалы и рекомендации

Для кладки корпуса и дымохода использовать рекомендовано обычный глиняный полнотелый кирпич. Марка М150 и выше, размер 250*120*65 мм. Рассчитать количество кирпича для печей Кузнецова несложно: нужно количество рядов выбранной вами модели умножить на 0,8. Этого количества хватит на кладку корпуса (с учетом боя и отбраковки). Для дымохода считать нужно отдельно. Схема расчета чуть другая: вы знаете сколько кирпичей на один ряд, умножаете на количество рядов (у каждого разное в зависимости от габаритов печи и высоты здания), добавляете 10% на бой и получаете искомое число.

Для шамотного ядра (если есть) рекомендован Ш-5 (230*114*40 мм) или ШБ-8 (250*123*65 мм). Его количество считается по схеме поштучно. Ядро в печах Кузнецова несвязное с корпусом, то есть, между ними нет общих точек соприкосновения. Между двумя параллельными стенками, корпуса и шамотного ядра, должна оставаться щель в 5-6 мм. Чтобы ее проще было выдержать, можно готовое ядро (обычно его кладут вначале) обернуть обычным упаковочным картоном соответствующей толщины. Вместо этого для лучшей теплоизоляции топки можно проложить теплоизолятор,  базальтовый картон, например.

Барбекю тоже строить можно по принципу колпаковых печей

По высоте ряды кладки из керамического кирпича не совпадают с высотой рядов шамота. Их не нужно подгонять один под другой

Важно выдерживать вертикальность и горизонтальность, отслеживать угла, а также рекомендованную ширину шва. И тогда все будет так, как нужно

В реалии габариты керамических кирпичей отличаются от стандарта 250*120*65 мм. Если отклонения некритичные, откорректировать их можно швом. Потому и при расчетах печей и их высоты берут высоту кирпича со швом. Она должна быть 70 мм. Но делать шов более 7 мм нельзя, так что ищите кирпич подходящего качества и размера.

Сверху, в местах, где заканчивается кладка шамота, есть компенсационные зазоры, которые учитывают разные коэффициенты расширения материалов. Их соблюдать обязательно: расширение у шамотного кирпича больше, чем у керамического и если такого зазора не будет, ядро через некоторое время разобьет находящуюся сверху кладку из-за того, что расширяется сильнее.

Вырезка из порядовки печи Кузнецова с меткой

Величину зазора нужно высчитывать по отметкам на порядовке. На чертежах нанесена метка высоты последнего ряда шамота. Высоту стенки из керамического кирпича считаете сами: кол-во рядов умножаете на высоту ряда со швом (70мм) и получаете искомую величину. Она должна быть больше высоты шамота на 10-15 мм. Вот этот зазор и является компенсационным и он должен присутствовать. Образовавшуюся пустоту закладывают каменной базальтовой ватой (не стекловатой, а той, которая имеет температуру использования выше 1200оС).

Если внутри есть столбики и внутренние стенки (толщина обычно в четверть), кирпич в них можно класть плашмя или на ребро. Разницы нет, делайте как удобнее. Есть места в чертежах, где в одном ряду находится кирпич, поставленный плашмя и на ребро. В этом случае его нужно погонять под размер (пилить).

В местах установки печного литья также есть нюансы. На чертежах над дверцей топки из-за особенностей программы изображен керамический кирпич, но ставить там нужно шамот на ребро. При перепаде высот, пустоты заполняются вырезанными пластинами из шамота. Между металлическими частями и кладкой остается зазор в 5 мм — снова-таки из-за разных температурных расширений. В этот зазор укладывают подходящий теплоизолятор (с температурой эксплуатации от 1200оС).

Для теплоизоляции печного литья раньше использовали асбестовый шнур. Теперь рекомендуют базальтовую вату или картон

Теперь о растворе: для кладки корпуса (из керамического кирпича) используют глиняный или глиняно-песчаный раствор. Для кладки огнеупорного шамота используют покупные составы (огнеупорные мастики). Кузнецов перед кладкой мочить кирпич не рекомендует. Если и нужно это делать то только со вторичным сырьем. Сразу после завершения печь нужно просушить, даже в том случае, если сразу вводить ее в эксплуатацию не будете. Если этого не сделать, в последствии при нескольких первых топках будет присутствовать запах угара.

Устройство печи Кузнецова

Печь Кузнецова является эффективным отопительным прибором, работающим с максимально возможной продуктивностью для дровяных агрегатов. Это обеспечивается особенностями конструкции, которая позволяет осуществить “правильное” движение газов внутри системы.

Особенности строения

Благодаря внутреннему строению горячий воздух может дольше находиться в печи, отдавая по максимуму свое тепло. При этом остывшие газы довольно быстро выходят, что обеспечивается наличием специального углубления.

Данным печкам дают название колпаковые. Такое определение агрегат Кузнецова получил из-за особенностей конструкции. В нем очаг и нижняя часть объединены в единое целое. Именно колпак выполняет роль разделителя. С его помощью воздушные массы с отличительной температурой могут осуществлять движение по оптимальной схеме, которая обеспечит максимальную продуктивность.

Колпаковая печь характеризуется довольно высоким КПД, чего не скажешь о традиционных моделях. Продуктивность обычных топок редко превышает 25%, что очень мало. Именно система свободного движения газов в агрегатах Кузнецова обеспечивает все их многочисленные преимущества.

Разновидности колпаковых печек относительно их назначения

Устройство колпаковых печек может значительно отличаться. На это влияет сфера применения конкретной модели, которая определяет особенности ее конструкции. В частности, выделяют:

• варочные печи, использующиеся для приготовления пищи;
• отопительные, применяющиеся для обогрева одного помещения или целого дома;
• печки, устанавливаемые в банях;
• уличные устройства, которые могут иметь вид целых комплексов или простого барбекю;
• хлебные печные системы, которые часто совмещают с варочными панелями.

В любом случае колпаковые печки выполняют эстетическую функцию. При их создании используются тщательно продуманные проекты. В них должны сочетаться практичность, эстетичность и эффективность в работе с учетом сферы применения.

Идеальная конструкция колпаковой печки

Колпаковая печь, разработанная Кузнецовым, в идеале должна иметь круглое сечение. В данном случае роль второго колпака будет играть внешняя стенка устройства. Под ее сводом осуществляется нейтрализация отработанных газов, которые имеют отравляющее действие. В дымоход попадает только диоксид углерода и влага, что положительно сказывается на окружающей среде.

Одновременно колпаковые модели круглого сечения имеют ряд недостатков:

• очень сложно установить дверцы, которые будут плотно закрывать топочную камеру;
• появление трудностей во время чистки от сажи.

Именно из-за этих недостатков колпаки предпочтительней устанавливать друг над другом и соединять их дымоходом.

Виды печей Кузнецова

Как говорилось выше, колпаки можно располагать по-разному, потому и вариантов очень много. Возможность установки во втором куполе любого устройства теплообмена без ущерба процессу горения также способствует наличию множества разных тепловых агрегатов. При этом проектироваться по такому принципу могут устройства с любым типом горения: верхним, нижним, пиролизным, послойным и т.д. Все они имеют некоторую специфику, но могут быть реализованы. На сайте Кузнецова выложены проекты разного назначения с порядовкой. Их можно скачивать для личного пользования свободно,  а вот републикация их не приветствуется.

Камины, построенные по принципу колпаковых печей

Есть печи Кузнецова для двухэтажных домов, и обогревают они оба уровня. Причем есть такие агрегаты и с лежанками. Обогрев может быть конвекционного типа (только от стенок печки) или внутрь может быть вставлен водогрейный теплообменник. Тогда такой агрегат называют котлом и обозначают КИК. В свободном доступе на официальном сайте Кузнецова выложены четыре готовых водогрейных кирпичных котла мощностью 16 кВТ, 17 кВт, 34 кВт, 64 кВт. В них может быть встроен бак для нагрева воды для бытовых нужд. Котел  нужно обвязать металлическими уголками, при необходимости можно утеплить, сверху уложить армирующую сетку и оштукатурить.

Отопительная печь. Красиво

Вариантов конвекционных печей гораздо больше. В разделе отопительно-варочных печей без использования шамотного кирпича ОВИК насчитывается 25 разных проектов. Есть три варианта отопительно-варочной печи с камином. Располагаться камин может сбоку (справа или слева). Такие варианты маркируются ОВИК БК (боковой камин), есть вариант с лежанкой и камином ОВИК БК 13л. При камине расположенном сзади маркировка ОВИК ЗК (задний камин).

Отопительно-варочная печь Кузнецова выглядит очень достойно

Чисто отопительные тепловые агрегаты маркируются ИОК. Порядовки, в которых есть лежанка, в названии имеют буквы «леж» или «Л», при наличии духовки добавляется буква «Д». В отопительных печах также есть варианты с каминами. Маркируются они ОИК К. Есть печи калориферные ПКИК1Х. Отдельно категорией выделены печи для теплиц и хлебные.

Отопительная печь Кузнецова ОИК. Впечатляет

Русские печи Кузнецова маркируются РТИК, всего выложены порядовки 10 моделей, две из которых с лежанками. Они имеют привычную конфигурацию варочной камеры, устье которой должно иметь герметичную заслонку. При не герметичности камеры нормально печь работать не будет.

Русская колпаковая печь с лежанкой

В разделе печей для бани Кузнецов предлагает сразу вариант планировки помещений с указанием габаритов и показано как можно «вписать» туда подходящие модели. Ведь помещения бань, как правило, небольшие и если металлическую печь разместить в ней можно легко, то габаритную кирпичную уже проблематично. И учитывать при этом нужно многие факторы: откуда топиться будет, где выход пара и самая горячая часть печи. А тут предложены готовые варианты. Очень удобно и стоит сказать автору большое спасибо! Сами печи вынесены в отдельную категорию и маркируются БИК.

Банные печи Кузнецова маркируются БИК. Презентабельно выглядят и по отзывам имеют отличные характеристики

В этом видео предлагается проект печи, сконструированной по предложенному Кузнецовым принципу построения печей. В первой половине рассказывается о движении газов и о том, как это работает, о принципах управления работой конкретной модели. Во втором комментируется процесс кладки. Очень полезное и познавательное видео.

Проекты печей для частного малоэтажного строительства

Создано уже около 150 проектов колпаковых печей, воплощённых в жизнь. Все они прошли испытание временем и успешно работают. Команда единомышленников Кузнецова продолжает разрабатывать новые варианты, совершенствуя действующие. На его сайте выложена полная информация с детальным описанием и рекомендациями по изготовлению печей.

Модели проиндексированы и записаны аббревиатурой. Например, ОВИК обозначает «отопительно-варочная печь Игоря Кузнецова». ОИК — просто «отопительная» и т.д. Каждый проект сопровождается пошаговой инструкцией и наглядной порядовкой, выполненной в программе «AutoCAD»

Комбинированная модель печи с камином: расположение камина на печи выбирается, исходя из планировки комнаты — боковой камин, задний камин и боковой с лежанкой

Заниматься расчётами и вычислениями не нужно: на сайте даны точные замеры и описания готовых проектов. При необходимости можно связаться с Кузнецовым и обсудить условия проектирования с постановкой конкретной задачи.

Вертикально расположенные колпаки позволяют выстроить узкую печь, если помещение совсем маленького размера

Печь можно устанавливать в любой дом: новостройку или в уже построенный. Но строительство в готовом доме обойдётся дороже, так как придётся частично разбирать крышу для вывода дымохода. Работы лучше запланировать на тёплое время. Чтобы правильно выбрать место для установки печки, следует помнить о том, что чем ближе она расположена к центру помещения, тем равномернее будет обогрев. В то же время печь располагают ближе к входной двери — удобнее заносить топливо.

Видео: постройка печи Кузнецова с водяным котлом

С наибольшей отдачей тепла работает купольная печь округлой формы. Но если речь идёт о небольшом помещении и радиус окружности печи менее 2 м, возникают осложнения с установкой печного литья — дверок топки, очистных карманов и т.п. Металлические детали, рассчитанные на ровные плоскости, не ставят в полукруглые формы: появятся зазоры и щели, что недопустимо.

Схематичное изображение функционирования печи с горизонтальными разрезами-порядовками помогает лучше понять специфику выкладывания кирпичей

Опытный мастер с помощником выкладывает колпаковую печь за 2–3 недели (в зависимости от сложности модели). Процесс неспешный, требует большой аккуратности, подгонка всех деталей должна быть тщательной, с замерами. Новичку же потребуется больше времени, и к этому надо быть готовым до начала работ.