Budowa pieca kaflowego


Zapewne każdemu się zdarzyło, że zapragnął mieć coś, co niekoniecznie jest praktyczne i opłacalne. Niektórzy marzą o 40-letnim samochodzie, jakim kiedyś jeździł ojciec, inni chcieliby zamieszkać w drewnianej chałupie, którą pamiętają ze studenckich wakacji. Bez wątpienia znajdą się i tacy, którzy zamiast kominka przypominającego elektryczny piekarnik woleliby mieć w domu prawdziwy piec kaflowy. 

Technika rozwija się w błys­kawicznym tempie i wszys­tkie urządzenia są stale­ udoskonalane, aby były wygodniejsze, bezpieczniejsze i przyjazne dla środowiska. Mimo to wiele osób chciałoby mieć w domu coś, co przypominałoby im dzieciństwo i pozwalało się oderwać od skomputeryzowanego świata. Stąd zapewne bierze się zainteresowanie piecami kaflowymi i sentyment do nich. Wprawdzie dziś buduje się je przede wszystkim dla dekoracji, ale jeśli ktoś inwestuje niemałą kwotę w takie urządzenie, na pewno wolałby mieć z niego także jakiś pożytek. Dzięki zasadom, którymi kierowali się zdunowie, budując piece naszym dziadkom, do dziś nierzadko są one skutecznym i bezpiecznym źródłem ciepła. Budując nowy piec, też warto z nich skorzystać.




Autor: Krzysztof Zasuwik
Jednym ze sposobów na uniknięcie szczelin między kaflami jest obciążanie pieca kilkoma warstwami cegieł układanych na jego wierzchu. Powoduje to dociskanie do siebie poszczególnych kafli oraz zwiększenie siły tarcia między nimi. Stąd wzięły się zdobienia w postaci gzymsów i koron – są one ważnym elementem konstrukcyjnym dociążającym boczne ściany pieca.
Autor: KALBAR
We współczesnych domach piece kaflowe stanowią przede wszystkim ozdobę. Są chętnie łączone z nowoczesnymi urządzeniami, dla których pozostają jedynie obudową. W takim przypadku nie przykłada się wagi do rozwiązań konstrukcyjnych mających wpływ na walory użytkowe pieca.
Autor: Piotr Mastalerz

Łagodne ciepło
W Polsce mamy taki klimat, że ogrzewanie jest potrzebne niemal przez sześć miesięcy w roku. Najwłaściwsze w takiej sytuacji jest ogrzewanie piecami akumulacyjnymi, które mają dużą powierzchnię grzejną o umiarkowanej temperaturze i grzeją równomiernie przez całą dobę. Jeśli zależy nam na tym, by piec był komfortowym źródłem ciepła, nie może on być mały. Musiałby się bowiem rozgrzewać do wysokiej temperatury, co grozi powstawaniem szpar i pęknięć, a więc szybszym zużyciem pieca. Cząstki kurzu, które zawsze są w powietrzu, podgrzane do mniej więcej 60°C zaczynają się utleniać, czyli przypalać. Do obecności kurzu w normalnym powietrzu nasze organizmy są przystosowane, ale wysuszony kurz drażni drogi oddechowe i przyspiesza wysychanie błon śluzowych, a przypalony zanieczyszcza powietrze produktami spalania, których wdychanie powoduje ból głowy i znużenie. Właściwą temperaturę w pomieszczeniu można uzyskać, stosując większy piec rozgrzany do niższej temperatury.

Jaki powinien być dobry piec
Sprawność pieców wynosi od 30 do 60%, ale tę najwyższą mogą osiągać jedynie te bardzo fachowo i starannie wykonane. Dobrze zbudowane palenisko powinno być oczywiście trwałe, a więc odporne na działanie gwałtownych zmian temperatury i uszkodzenia mechaniczne spowodowane na przykład przez uderzanie twardymi przedmiotami w trakcie obsługi pieca. Palenisko zużywa się szybciej niż reszta pieca, dlatego ważne jest, by było zbudowane z elementów, które łatwo wyjąć przez drzwiczki. Można je wtedy naprawić bez rozbierania pieca. Konstrukcja pieców ewoluowała w kierunku zwiększenia wydajności i pojemności cieplnej przy jedno­czesnym zmniejszeniu wymiarów zewnętrznych. Osiągano to przez zwiększanie masy wnętrza i zastosowanie w obudowie materiałów lepiej przewodzących ciepło. Bardzo ważna jest zdolność pieca do akumulacji ciepła – im jest większa, tym dłużej piec pozostaje gorący po wypaleniu się paliwa. Dobry piec oddaje ciepło nawet przez kilka­naście godzin od rozpalenia w nim. Zdolność akumulacyjna zwiększa się wraz ze wzrostem masy i powierzchni, z którą stykają się gorące spaliny. Nie można ich zwiększać ponad pewną granicę, bo doprowadziłoby to do zbytniego wychłodzenia spalin i zaniku ciągu kominowego. To z kolei spowodowałoby zmniejszenie dopływu powietrza do paleniska i trudności z paleniem. Temperatura gazu w kominie powinna się utrzymywać na poziomie 120-180°C. Wielkość kanałów wewnątrz pieca musi być tak dobrana, aby prędkość przepływu gazów spalinowych wynosiła od 1,5 do 2 m/s. Wówczas ciepło jest efektywnie przekazywane ścianom pieca przy zachowaniu niewielkich oporów przepływu. Opory te rosną proporcjonalnie do kwadratu prędkości, zatem dwukrotne zwiększenie prędkości powoduje ich czterokrotny wzrost. Gdy są zbyt duże, siła ciągu kominowego nie wystarcza do ich pokonania i wtedy dochodzi do zakłócenia procesu spalania oraz zadymienia pomieszczenia.

Elementy piecaPodstawowe to palenisko, popiel­nik, kanały wewnętrzne i obudowa. W palenisku jest umieszczony żeliwny ruszt, którego wielkość i rodzaj zależą od wielkości pieca i rodzaju używanego paliwa (w piecach pali się węglem kamiennym lub drewnem, kiedyś torfem i węglem brunatnym). Do drewna i torfu jest potrzebna większa komora paleniskowa. Ponieważ palenisko rozszerza się i kurczy podczas nagrzewania i stygnięcia, jego konstrukcja powinna być niezależna od reszty pieca. Ścianki kanałów muszą być jak najcieńsze, aby akumulowały jak najmniej ciepła. Wówczas gromadzi się ono w ścianach zewnętrznych, a następnie stopniowo wypromieniowywuje do otoczenia. Dlatego ściany zewnętrzne powinny być masywne. Mają wtedy większą pojemność cieplną, dzięki czemu temperatura ich zewnętrznej powierzchni nie jest zbyt wysoka. Wysoka temperatura powierzchni zewnętrznej pieca daje wprawdzie jego wysoką wydajność, czyli moc przypadającą na jednostkę powierzchni, ale jednocześnie sprawia, że piec szybko się wychładza i trzeba w nim częściej palić.

Piece kanałoweWymurowane wewnątrz pieca kanały wydłużają drogę spalin od paleniska do wylotu, aby więcej ciepła zostało zakumulowane w masie pieca. Układ kanałów może być szeregowy – pionowy lub poziomy, równoległy – wtedy strumień spalin dzieli się i wpływa do kilku kanałów biegnących obok siebie, albo kombinowany – szeregowo-równo­legły. Piece, w których przebieg kanałów jest bardzo skomplikowany, z licznymi załamaniami i wymuszeniem nienaturalnego ruchu spalin (poziomo lub w dół), mają poważne wady. Najpoważniejszą z nich są duże opory przepływu gazu, co powoduje konieczność utrzymywania wysokiej temperatury spalin na wylocie do komina w celu uzyskania dużego ciągu. Ich sprawność jest wtedy stosunkowo mała. Piece ze skomplikowanym układem kanałów rozgrzewają się nierównomiernie – przy wlocie do komina są zawsze zimniejsze niż w pobliżu paleniska. Przez to elementy pieca podlegają niekorzystnym naprężeniom i często pękają. Korzystniejszy jest tak zwany dwukierunkowy układ kanałów równoległych. W tym wypadku spaliny najpierw unoszą się znad paleniska centralnym kanałem pionowym, a w górnej części pieca ochładzają się, nagrzewając przede wszystkim jego sklepienie. Następnie wypierane przez cieplejsze spaliny znad paleniska są kierowane do bocznych kanałów, którymi spływają w dół do komina (jego podłączenie znajduje się w dolnej części pieca). Przy takim rozwiązaniu praktycznie nie występują różnice temperatury w poziomie, jedynie w pionie, co nie powoduje szkodliwych naprężeń w konstrukcji pieca. Najcieplejsza jest jego górna część, która w związku z tym powinna być zbudowana z elementów o większej grubości niż dolna. Opory przepływu przez kanały o takim układzie są niewielkie, więc do ich pokonania wystarczy mniejszy ciąg kominowy. Dlatego temperatura spalin może być niższa – wystarczy 120°C. Dzięki temu mniej ciepła ulatuje z dymem do komina, a więc piec pracuje z większą sprawnością, czyli jest bardziej ekonomiczny.
Niedoskonałość tego typu pieców wynika z niecałkowitego spalania niektórych gazów zawartych w spalinach, które nie zdążą się spalić w kanale paleniskowym i wpływają do kanałów zwrotnych, gdzie już nie mogą się spalić. Powoduje to zbieranie się sadzy w tych kanałach. Niedopalone paliwo to oczywiście niewykorzystana energia.

Piece bezkanałowe
Znaczną poprawę warunków spalania osiągnięto dopiero, konstruując tak zwane piece bezkanałowe. Powstały one przez usunięcie ścianek wewnętrznego kanału paleniskowego z pieca o równoległych kanałach zwrotnych. Kierunek przepływu spalin w piecu się nie zmienił – gorące gazy znad paleniska unoszą się w środkowej części pieca. Górna przestrzeń (komora spalania) jest szersza. Wpadające do niej gazy podlegają zawirowaniom, mieszając się ze sobą, dzięki czemu dochodzi do bezpośredniego kontaktu poszczególnych składników mieszaniny gazów i mogą one ze sobą reagować. Spalanie jest więc dokładniejsze – energia chemiczna paliwa jest wykorzystana w większym stopniu.
Gazy (spaliny) mające kontakt ze ścianami pieca ogrzewają je. W miarę oddawania ciepła stają się cięższe i zaczynają opadać wzdłuż bocznych ścian pieca. Tam znów trafiają do strefy płomienia. Gazy, które wcześniej się nie spaliły, mogą tym razem wejść w reakcję z odpowiednimi składnikami. Najzimniejsze spaliny, pozbawione części palnych, trafiają do komina, do którego wylot znajduje się także w dolnej części pieca. Niewielkie otwory w bocznych ścianach komory paleniskowej są zabezpieczeniem przed szybkim wychłodzeniem pieca, gdy po zakończeniu palenia jego drzwiczki nie zostaną zamknięte. Wówczas napływające do środka zimne powietrze, cięższe od gorącego znajdującego się w górnej części pieca, nie wpłynie do komory spalania, tylko najkrótszą drogą (właśnie przez te otwory) trafi do komina.

Wielkość elementów piecaPowierzchnię rusztu pieca pokojowego ustala się w bardzo prosty sposób. Jeśli ma być opalany drewnem lub torfem, powinna ona wynosić 1/150 powierzchni grzejnej pieca, a jeżeli węglem – 1/200 tej powierzchni. Ważny jest także stosunek światła rusztu, czyli otworów między jego prętami, do jego całkowitej powierzchni. Od tego zależy ilość powietrza dopływającego do paliwa. Dla drewna i torfu stosunek ten powinien wynosić 1/5, dla węgla brunatnego – 1/4, dla kamiennego i koksu – 1/3. Powierzchnia przekroju otworu i kanału doprowadzającego powietrze do spalania nie powinna być mniejsza niż 75% powierzchni światła rusztu. Powierzchnia paleniska musi być większa od powierzchni rusztu przynajmniej o 5 cm z każdej strony. Minimalna wysokość komory paleniskowej wynika z najkorzystniejszej grubości warstwy paliwa powiększonej o niezbędną wysokość wolnej przestrzeni nad paliwem – ich wartości podano w tabeli 1 (s. 198)

BezpieczeństwoDzięki temu, że piece kaflowe akumulują ciepło, pali się w nich intensywnie przez stosunkowo krótki czas – jedną-dwie godziny. W tym czasie powinno się kontrolować proces spalania i w razie zakłóceń (na przykład odwrócenia ciągu) odpowiednio zareagować. Przez kilka następnych godzin piec grzeje, mimo że już się w nim nie pali. Dzięki temu zdecydowanie zmniejsza się ryzyko powstania pożaru, a przede wszystkim zatrucia czadem. W piecach grzejących niegasnącym przez cały czas żarem, tak zwanych stałopalnych, ryzyko zaczadzenia śpiących domowników jest zdecydowanie większe. Czad, czyli tlenek węgla, powstaje w wyniku niepełnego spalania węgla. Ma to miejsce, gdy do paleniska nie dopływa odpowiednia ilość powietrza, i może się zdarzyć na przykład w wyniku osłabienia ciągu kominowego, chociażby z powodu niekorzystnego kierunku wiatru albo zanieczyszczenia kanału dymowego sadzą. Po wypaleniu w piecu całej porcji paliwa ciąg kominowy przestaje być potrzebny. Wysysanie powietrza przez komin staje się wręcz niepożądane, ponieważ powoduje wychładzanie wnętrza pieca, który z tego powodu nie jest w stanie ogrzewać pomieszczeń. Dlatego kiedyś między piecem a kominem stosowano klapy, tak zwane szybry, które zamykano ręcznie po zakończeniu palenia. Zaletą pieca szybrowego było to, że wszelkie szpary i nieszczelności w jego obudowie nie miały większego wpływu na jego sprawność. Po zamknięciu klapy i tak całe ciepło z pieca pozostawało w pomieszczeniu. Jeśli ciąg w kominie był dostatecznie silny, cały dym z pieca ulatywał do komina, tak że nieszczelności mogły pozostać niezauważone. Problemem były jednak liczne przypadki zaczadzenia, gdy w wyniku zbyt wczesnego zamknięcia klapy dochodziło do powstania czadu, który następnie wydostawał się do pomieszczenia przez nieszczelności w ścianach pieców.
Dlatego zamiast klap oddzielających piec od komina zaczęto budować piece hermetyczne, ze szczelnymi drzwiczkami paleniska i popielnika. Brak dopływu powietrza do pieca powoduje ustanie jakiegokolwiek ruchu powietrza wewnątrz, a więc ciepło zakumulowane w ścianach pieca jest oddawane jedynie do pomieszczenia. Ponieważ piec jest hermetyczny, nie ma niebezpieczeństwa, że wydostanie się z niego tlenek węgla. Warunkiem jest oczywiście jego całkowita szczelność, ale o to w praktyce, niestety, trudno. Nawet dokładnie wykonany piec może się rozszczelnić po kilkakrotnym rozpaleniu w nim.

SzczelnośćNieszczelności powstają w wyniku naprężeń spowodowanych nierównomiernym rozgrzewaniem się elementów pieca. Największe pojawiają się w czasie intensywnego palenia, gdy jego zewnętrzna powierzchnia jest jeszcze zimna, a wewnątrz jest już bardzo gorąco. Wynika to z małej przewodności cieplnej materiałów ceramicznych, dlatego piec ceramiczny trzeba zawsze rozgrzewać powoli. Jego górna ściana (zasklepienie) nie może się opierać na wewnętrznych ścianach kanałowych, które nagrzewają się bardziej niż ściany zewnętrzne i w związku z tym bardziej się wydłużają. Ponieważ wewnętrzna część ściany rozgrzewa się wcześniej niż zewnętrzna, także wcześniej się rozszerza. Po jednej stronie ściany następuje ściskanie, a po drugiej rozrywanie cegieł, co prowadzi do pękania ścian. Można tego uniknąć, budując ściany z kilku cienkich warstw cegieł przedzielonych zaprawą zamiast jednej grubszej. Dzisiaj do budowy pieców mogą być używane specjalne płyty z odlewanego szamotu wzmacnianego włóknem szklanym, o grubości zaledwie 25 mm. Stawianie pieca z takich płyt jest dużo łatwiejsze niż murowanie z cegieł. Płyty są dostępne w różnych kształtach. Łączy się je na zaprawę i wkręty, podobnie jak płyty gipsowo-kartonowe. Ich zastosowanie pozwala na łatwe zbudowanie pieca o skomplikowanej formie.

Kafle
Zewnętrzną obudowę pieca wykonuje się ze specjalnych kafli ceramicznych. Ich jakość ma bardzo duże znaczenie dla trwałości pieca. Nie warto na nich oszczędzać (choć trzeba przyznać, że kafle do budowy pieców są bardzo drogie), bowiem kafle marnej jakości nie mają praktycznie żadnej wartości. Jeżeli nie będą odporne na zmiany temperatury, mogą popękać już przy pierwszym uruchomieniu pieca. Kafle robi się z różnych gatunków gliny zmieszanych w odpowiednich proporcjach z wodą. Mieszaninę przepuszcza się przez sito do osadnika i pozostawia na kilka miesięcy do odparowania. Gdy glina osiągnie konsystencję masła, trzeba ją dokładnie wymieszać w specjalnych mieszadłach (dawniej wyrabiano ją nogami), aby cała masa miała jednolite właściwości fizyczne. Wtedy można z niej formować kafle. Wyciska się je w prasie, odlewa lub formuje ręcznie. Po uformowaniu kafle muszą wyschnąć – trwa to co najmniej kilka tygodni. Nie powinno się tego procesu przyspieszać, by nie uległy deformacji. Potem kafle się wypala, a następnie powleka szkliwem, nanosi ewentualne zdobienia i wypala ponownie (niektóre gatunki gliny wypala się tylko raz – po szkliwieniu).

Łączenie kafli
Kafle w piecu osiągają temperaturę nie wyższą niż 80°C, rozszerzają się zatem w niewielkim stopniu, o mniej więcej 0,1%. Jeśli ich wymiary nie są zbyt duże, można zapobiec ich rozsuwaniu, łącząc je sprężystymi wiązadłami metalowymi. Ich zadaniem jest dociskanie do siebie kafli, które się kurczą, stygnąc. Dodatkowym wzmocnieniem obudowy pieca są stalowe druty. Mocuje się je, wsuwając sprężyste metalowe pręty o zagiętych końcach w otwory wykonane w środku romp każdego kafla. Pod prętami przewleka się cienkie druty, opasując nimi i ściągając każdą warstwę kafli. Ten sposób wzmocnienia konstrukcji pieca jest bardzo skuteczny, jednak – ze względu na koszty – nie zawsze stosowany. Użycie nowoczesnej zaprawy przeznaczonej do budowy pieców pozwa­la na rezygnację z metalowych wią­zadeł łączących kafle. Są jednak miejsca, w których klamry są zawsze potrzebne – gdy kafel jest elementem samonośnym lub podlega obciążeniom statycznym, na przykład nad drzwiczkami paleniska.

Wszystko w rękach zdunaAby powstał solidny, trwały i skutecznie działający piec, musi go wybudować osoba z dużą wiedzą i doświadczeniem. Z tym od dawna były w Polsce kłopoty. W tej chwili jest jeszcze trudniej, bo nie można zdobyć w żadnej szkole. Cechy i zrzeszenia kontrolujące pracę fachowców i dbające o poziom ich edukacji praktycznie przestały się liczyć. Do budowy pieców nierzadko zabierają się przypadkowe osoby, które uczą się same, niestety, na własnych błędach, których konsekwencje ponoszą ich klienci. Przed wojną, by zostać zdunem, trzeba było się nauczyć zawodu u majstra, który należał do związku, ale najpierw przed specjalną komisją należało udowodnić, że ma się do takiej pracy predyspozycje. Przez pierwszy rok uczono się przede wszystkim wyrabiać glinę. Dopiero po roku można było pomagać majstrom, wykonując coraz trudniejsze zadania. Postawić piec samodzielnie można było dopiero po dwóch-trzech latach nauki. Organizowano nawet konkursy dla zdunów, na przykład który szybciej zbuduje piec. Dziś fachowcy rzadko chcą się dzielić  swoją wiedzą z innymi, aby nie rosła im konkurencja. Dlatego wybudowanie porządnego pieca kaflowego może się okazać dużym problemem. Nie należy też oczekiwać, że dobry piec uda się postawić tanio. Jest to jeden z powodów, dla których dzisiaj piec kaflowy należy traktować bardziej jak dzieło sztuki niż ekonomiczne źródło ciepła.

Budowa pieców kanałowych

Piec kanałowy w układzie szeregowym. Spaliny przepływają kolejno przez kilka pionowych kanałów – raz w górę, raz w dół.
Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki


Piec kanałowy w układzie równoległym. Spaliny rozdzielają się na kilka strumieni, trafiając do pionowych kanałów, którymi płyną w jednym kierunku – do góry.
Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki


Piec z kanałami zwrotnymi – dwukierunkowy. Charakteryzuje się małymi oporami przepływu i dużą sprawnością.
Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

NasadkaAby przyspieszyć reakcję gazów w kanale paleniskowym i doprowadzić do ich zmieszania, zaczęto stosować w piecach tak zwaną nasadkę, czyli cegły ogniotrwałe ustawione w poprzek kanału paleniskowego tak, by zaburzały przepływ spalin. Efekty jej działania zaczynają być odczuwalne dopiero po jej rozgrzaniu. W przypadku palenia węglem, kiedy okres palenia jest stosunkowo krótki, jej obecność nie przyczynia się do usprawnienia procesu spalania i ograniczenia osadzania się sadzy w kanałach bocznych. Ściany nasadki nie są związane ze ścianami zewnętrznymi pieca, aby mogły się swobodnie rozszerzać pod wpływem temperatury.


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Budowa pieca bezkanałowegoPiec bezkanałowy to rozwinięcie konstrukcji pieca z kanałami zwrotnymi. Dzięki turbulencjom w komorze spalania unoszące się nad paleniskiem składniki dymu są dopalane, a więc spalanie jest dokładniejsze i piec jest bardziej ekonomiczny. Aby zwiększyć zawirowania gazów wpadających do komory spalania, a tym samym zwiększyć stopień ich zmieszania, u wylotu z paleniska robi się zwężenie. Powstaje wtedy rodzaj dyszy, która zwiększa prędkość spalin. Otwory rewizyjne ułatwiają czyszczenie pieca z sadzy gromadzącej się na spodzie.


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki

Kafel ceramiczny
Pomocne przy budowie zachowujących szczelność ścian pieca są specjalne kafle ceramiczne zbudowane z płaskiej płyty czołowej z umieszczonymi z tyłu tak zwanymi rompami. Rompy służą do podtrzymywania materiału akumulującego, który składa się na przykład z tłucznia ceglanego na zaprawie glinianej. Płyty czołowe kafli są zestawiane  bez zaprawy (na sucho), więc ich krawędzie powinny być zeszlifowane, aby dokładnie do siebie przylegały.


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki
Uszczelnieniem jest jedynie materiał akumulacyjny.
Łączenie kafli
Sprężyste metalowe wiązadła zapobiegają rozsuwaniu się kafli podczas rozgrzewania pieca i dociskają je do siebie, gdy te się kurczą, stygnąc. Dodatkowym wzmocnieniem obudowy pieca są stalowe druty zaczepione o metalowe pręty wsunięte w otwory wykonane w środku romp każdego kafla.


Autor: Agnieszka Sternicka , Marek Sternicki