Расчет системы горячего водоснабжения для бани

26 Июн

Просмотров: 3 441

GVS v BIKПриведем расчет основных  элементов автономной системы для нагрева воды в русской бане с кирпичной печью.

Система горячего водоснабжения (ГВС) включает в себя регистр ГВС (отрезок металлической трубы, вмонтированный в кирпичную печь, часто за свою изогнутую форму называемый «змеевиком»), соединенный 2-мя трубопроводами (напорным и обратным) с баком для нагрева воды.

Расчетными величинами в нашем случае будут являться геометрические размеры регистра ГВС и бака для горячей воды.

Сразу оговоримся, что размеры «змеевика» будут определяться количеством воды, которую необходимо нагреть для своих нужд в бане (для мытья, запаривания веников, поддач на каменку, опаривания стен, потолка, полоков и пр.). В свою очередь время нагрева воды должно быть не больше времени приготовления бани.

Как правило, время приготовления бани с кирпичной печью может варьироваться от 2,5 до 4 часов (в зависимости от времени года и температуры воздуха).

Если же учесть еще время для «настаивания» бани (равномерного прогрева ограждающих поверхностей парной до температур порядка 42-45ºС), то в среднем на приготовление бани уходит 4 часа.

Поэтому в наших расчетах примем, что время приготовления бани составляет 4 часа.

Баню планируют принимать 4 человека.

Для мытья 1 человека в среднем требуется 3 ведра теплой воды, т.е. ~ 36 литров воды с температурой ~ 38ºС.

Теплую воду будем получать путем разбавления горячей воды в баке, нагретую с помощью вмонтированного в печь регистра ГВС,  холодной водой из колодца (скважины).

Тогда, в первом приближении, воспользуемся соотношением

mх.в.* Тх.в. +  mг.в.* Тг.в = mт.в.* Тт.в.,                                                             (1)

из которого можно определить количество  mг.в. и температуру Тг.в. горячей воды, которую надо взять для приготовления требуемого количества теплой воды с параметрами mт.в.и Тт.в.

Пусть для нашего случая для получения 36 литров теплой воды (mт.в.= 36 кг) с температурой Тт.в.=38ºС возьмем 2 ведра (24 литра = mх.в.= 24кг) холодной воды с температурой Тх.в.=10ºС. Горячая вода в баке должна иметь температуру Тг.в.=90ºС.

Из уравнения (1) следует, что нам для этих целей потребуется mг.в.=12,9 кг (~ 1 ведро) горячей воды с температурой Тг.в.=90ºС.

Таким образом, на семью из 4 человек потребуется 4*12,9=51,6 кг (литра) горячей воды с температурой 90ºС.

Прибавим сюда еще 1 ведро (~12 л) горячей воды для запаривания веников, плюс 2  дополнительных ведра горячей воды для поддач на каменку и разбрызгивания на потолок и стены парной для создания требуемой климатической обстановки в парной.

На круг выходит потребность в ~ 90 литрах горячей воды для принятия бани 4 человеками. Следовательно, бака для горячей воды объемом в 100 литров будет достаточно.

При этом помним, что этот объем воды должен быть нагрет за время приготовления бани, то есть за 4 часа.

Для нагрева 90 кг воды от температуры 10 ºС до температуры 90ºС потребуется тепла:

Q = c * m * (Тг.в. — Тх.в.) = 4,2*90*80 = 30 240кДж,                     (2)

где с=4,2– удельная теплоемкость воды, кДж/(кг*ºС); m – масса воды,кг; Тг.в. и Тх.в. –температура горячей и холодной воды, ºС.

Для выработки такого количества тепла потребуется источник тепла мощностью

 W = Q/t = 30 240* 0,2778*10-3 = 8,4 кВт,                                    (3)

где 0,2778*10-3  – коэффициент перевода количества тепла из кДж в мощность источника тепла в кВт.

Таким образом, тепловая мощность регистра ГВС («змеевика»), вмонтированного в кирпичную печь, должна быть в 4 раза меньше (W ~ 2 100 Вт/час), поскольку мы предполагаем нагреть данный объем воды (90 кг) не за 1 час, а за 4 часа (время приготовления бани).

Тепловая мощность регистра ГВС W (тепловая энергия Q, передаваемая через металлические стенки «змеевика» циркулирующей в нем воде, в течение t = 1 часа) будет прямо пропорциональна:

  • величине площади поверхности регистра S, м2;
  • разности средних температур печных газов снаружи регистра между его верхним и нижним концами ΔТвнеш. средн. = (Твнеш.верх. + Твнеш.низ.)/2, ºС;
  • разности средних температур воды в регистре на его входе (нижний конец трубы, «обратка») и выходе (верхний конец трубы, напорный) ΔТвнутр.средн.= (Твнутр.верх. + Твнутр.низ.)/2, ºС.

Или

W = Q/t = α * S * (ΔТвнеш. средн.  - ΔТвнутр. средн.), Вт,                     (4)

где α – коэффициент теплопередачи (теплоотдачи) от горячего воздуха (печных газов, омывающих «змеевик») через стенку стальной трубы регистра ГВС протекающей в нем воде, Вт/м2*ºС.

Коэффициент теплоотдачи α является сложной функцией, зависящей от большого числа факторов (теплофизических свойств теплоносителей (печных газов и воды), их агрегатного состояния (газ, жидкость), геометрии стенки контакта между теплоностелями, температуры этой стенки, режимов (турбулентный или ламинарный) теплоносителей и их скорости).

Для рассматриваемой системы нагрева воды расчеты показывают, что α ~ 14 Вт/м2*ºС.

В кирпичных банных печах разработки И.В.Кузнецова температура печных газов под крышей нижнего колпака, объединенного с топливником через «сухой шов» в единое целое, достигает температур порядка 900 — 1000ºС.

Температура печных газов в колпаке за стенкой топливника на уровне его (топливника) пода достигает  500-600ºС.

Именно в нижнем колпаке кирпичной банной печи за стенкой топливника и размещают регистр ГВС.

Таким образом, можно принять, что в режиме активного горения дров в печи средняя температура, омывающих «змеевик» печных газов, в среднем равна ΔТвнеш. средн. = ((900-1000)+(500-600))/2 = 700-800ºС.

В то же время температура воды, выталкиваемая через верхний напорный патрубок «змеевика» в бак с нагреваемой водой, будет иметь во время нагрева более стабильную температуру, равную 80-90ºС.

Температура воды, поступающая из бака с нагреваемой водой в нижний патрубок «змеевика» (по «обратке»), будет постоянно меняться по мере нагрева воды в баке. На первоначальном этапе это будет температура воды равная температуре залитой в бак холодной воды (в нашем случае это 10 ºС). По мере поступления в бак все больше порций нагретой воды, температура воды в «обратке» будет неуклонно повышаться и в пределе стремиться к температуре, выходящей из верхнего конца регистра ГВС нагретой воды.

В конце концов, если горение дров в печи прекратиться, а вся вода в системе примет одну и ту же температуру, циркуляция через «змеевик» прекратится.

В общем случае можно принять, что в среднем на этапе активного горения дров температура воды на верхнем напорном конце «змеевика» равняется 80ºС, а температура воды, поступающая через «обратку», равна 60ºС.

Тогда средняя разность температур воды в регистре ГВС на этапе активного горения дров будет равна (80+60)/2=70ºС.

И вот мы подошли к конечному пункту наших расчетов – определению геометрических размеров «змеевика», способного нагреть за определенное  время (4 часа) требуемый объем воды (90 литров) до заданной температуры (90ºС).

Все необходимые для расчета величины у нас уже есть.

Итак, наш регистр ГВС должен иметь площадь поверхности равную (см.формулу (4)):

S = W / (α * (ΔТвнеш. средн.  - ΔТвнутр. средн.)) = 2100 / (14*(800-70)) ~ 0,2 м2.

Принимая во внимание, что труба имеет форму цилиндра, тогда площадь ее поверхности можно представить как:

 S = π * D * l, м2,                                                       (5)

где π=3,14; D – диаметр «змеевика»,м; l – длина «змеевика»,м.

Имеем две неизвестные – длину регистра ГВС l и его диаметр D.

Верхний конец регистра ГВС, желательно, размещать за стенкой топливника чуть ниже хайла (отверстия в верхней части топливника для выпуска печных газов). Нижний конец регистра ГВС не целесообразно опускать ниже уровня пода топливника.

В банных печах И.В.Кузнецова под топливника находится в 5 ряду внешней кирпичной кладки. Хайло топливника, в зависимости от модели печи», может находиться на уровне 14 ряда кирпичной кладки (модель печи БИК 41), 18 ряда кирпичной кладки (БИК П1 и БИК П2) или, как в случае печи БИК П3 – 24 ряда.

Принято считать, что толщина 1 ряда кирпичной кладки печи с толщиной шва между двумя смежными рядами кирпичей составляет 7 см.

Тогда для модели банной печи периодического действия БИК П1, вполне достаточной для семейной бани, в нижнем колпаке печи у нас имеется пространство высотой в 13 рядов (0,9м) для размещения  регистра ГВС.

Глубина внутреннего пространства колпака, где можно разместить регистр ГВС, в указанных печах БИК составляет  1 ¾ кирпича, т.е. ~ 0,44 м.

Таким образом, теоретически, в печь БИК П1 можно вставить регистр ГВС П-образной формы с максимальной общей длиной до 1,78 м.

Принимая эту длину «змеевика» для наших расчетов из формулы (5) определим диаметр трубы, из которой должен быть изготовлен этот «змеевик».

Расчеты дают значение диаметра трубы D~36 мм.

Но при этом, при расчетах следует, в обязательном порядке, учесть два фактора.

1-й фактор.  Бак с нагреваемой горячей водой, который, как правило, находится в моечной, должен быть теплоизолирован. Это следует сделать, чтобы свести к минимуму теплопотери нагреваемой в баке воды. Если этого не сделать, бак с нагреваемой водой будет своими стенками греть моечную. Интенсивность тепловых потерь будет прямо пропорциональна разности температур нагреваемой воды в баке и температуры воздуха в моечной. Следовательно, за время подготовки бани можно не достичь желаемой температуры нагреваемого объема воды.

2-й фактор.  При изготовлении регистра ГВС надо учитывать то, что рано или поздно придется производить его замену в печи на новый. Срок эксплуатации регистра напрямую будет зависеть от марки стали, из которой он изготовлен. Поэтому следует продумать вопрос, каким образом его придется извлекать из печи. Это обстоятельство накладывает ограничения на реальные максимальные размеры данного регистра, а также его геометрическую форму  (наличие скругленных углов, наличие дополнительной секции, ввариваемой параллельно вертикальному отрезку «змеевика»).

 Примечание.  Для изготовления регистра ГВС лучше всего использовать  аустенитную хромистую жаропрочную нержавеющую сталь марки  12Х18H9 или 12Х18H10TВ этом случае (при условии обеспечения качественной сварки) он прослужит у Вас без ремонта лет 10 и более!

Итак, подведем черту сказанному.

В результате проведенных расчетов мы выяснили, что семье из 4 человек в бане вполне может хватить 90 литров горячей воды, нагретой до  90ºС. Для этого достаточно иметь бак под горячую воду объемом до 100 литров. В кирпичную банную печь конструкции БИК разработки И.В.Кузнецова достаточно вмонтировать регистр ГВС П-образной формы из металлической трубы диаметром 36 мм и максимальной общей длинной 1,78м.

Руководствуясь изложенными в данной статье подходами, теперь в силах каждого рассчитать под свои запросы для своей бани конструктивные параметры основных элементов такой системы горячего водоснабжения.

Вот и все.

Пока и до встречи!

 

Другие статьи на эту тему:

Комментариев нет

Размещен в разделе Водоснабжение

 

Теги: , , , ,

Добавить комментарий

 
 
 

«Банная печь Игоря Кузнецова БИК 41» 
(3-D модель и 3-D порядовки печи в SketchUp)

 Конфиденциальность гарантирована