Печи и камины предназначены для сжигания топлива с целью получения тепла. Их эффективность определяется коэффициентом полезного действия, каковым считается отношение количества полезно используемого тепла, выделенного при сжигании единицы топлива к теплотворной способности топлива. Иными словами, тепловые установки с высоким КПД должны обеспечивать не только эффективное сжигание топлива, но и использование полученной тепловой энергии по назначению.
Основная проблема каминов — в низкой теплоотдаче: для создания и поддержания нужной температуры в помещении приходится тратить большое количество топлива. Классический английский камин имеет КПД около 10-15%, большая часть тепла безвозвратно теряется, «вылетает в трубу» вместе с дымом. Для увеличения эффективности применяют различные конструктивные решения.
Камины греют, пока горит огонь. Их принцип действия основан на излучении тепла. Чем ближе огонь, тем больше тепла можно от него получить. Поэтому топливник открытых каминов устраивают минимальной глубины.
Немаловажна форма топки. Она может быть прямоугольной или в виде трапеции, с вертикальной или наклонной задней стенкой. Форма топливника влияет на направление теплового излучения. В прямоугольнике стороны попарно расположены друг напротив друга, поэтому тепло, отраженное от боковых стенок, не участвует в обогреве помещения: камин греет сам себя, выбрасывая «лишнее» тепло вместе с продуктами горения.
У трапеции боковые стороны расположены под углом друг к другу, тепловое излучение от них направлено в сторону комнаты, рассеивается по большей площади и расходуется эффективнее.
Аналогичным образом наклонная задняя стенка топливника отражает тепловую энергию вниз, нагревая пространство ниже камина.
Как уже отмечалось, один из путей повышения КПД камина — устройство массивных тепловых щитов, аккумулирующих тепло огня и отдающих его по окончании горения. Другой путь улучшения теплоотдачи — совершенствование процессов теплообмена.
При классическом теплообмене огонь в топке использует для горения воздух из обогреваемого помещения. Это самая затратная схема: при горении огня помещение постоянно проветривается, теплый воздух уходит наружу через дымовую трубу и заменяется холодным наружным.
Незамкнутый цикл теплообмена предполагает подачу наружного воздуха в помещение через коллектор, расположенный внутри камина. В результате в комнату поступает уже подогретый воздух, и суммарная отдача тепла камином увеличивается.
При внешнем теплообмене наружный воздух подается в камин только для обеспечения процесса горения топлива, а обогрев помещение происходит за счет теплового излучения пламени. В полной мере внешний теплообмен можно реализовать только в закрытых каминах, иначе есть вероятность того, что воздух из помещения будет вытягиваться в трубу вместе с дымом.
В моделях с классическим теплообменом конструкция каминов, в которой используется коллектор, позволяет дополнительно улучшить теплообменные характеристики камина по сравнению со схемами с наружным и незамкнутым циклом. Воздух из помещения попадает в камин через коллектор, проходящий под подом. Часть воздуха расходуется на горение топлива, другая — нагревается и возвращается в отапливаемое помещение.
Наибольший КПД камина обеспечивает замкнутый цикл теплообмена, при котором наружный воздух, поступающий в топливник, используется для горения, а воздух из отапливаемого помещения нагревается, проходя через коллектор. Комнатный воздух практически не участвует в горении, поэтому помещение не вентилируется и хорошо прогревается.
Как известно, самая горячая зона в камине — топливник, где температура достигает значений 1000-1300оС. Температура газов (дыма) на выходе из топливника — около 500оС. По мере набора высоты температура дыма падает до значения 80оС на выходе из дымовой трубы.
На практике теплообменные коллекторы в камине, сложенном из кирпичей, устраивают в виде зазоров между корпусом камина и элементами конструкции — топливником, дымосборником и дымовой трубой. Зазоры сообщаются с воздухом в помещении через входные (внизу) и выходные (вверху) отверстия в кладке.
