Методика расчета кирпичной печи-каменки для русской паровой бани. Часть 4. Окончание

08 Авг

Просмотров: 658

ScreenShot_01_300x300Продолжим, начатое ЗДЕСЬ.

Определим размеры поддувального отверстия (зольника) будущей банной печи по формуле [2]:

Fз = Вчас V0(1+(tв/273))/(3600*v),   (1)

где:

Fзплощадь входного отверстия зольника, м2;

Вчасчасовой расход топлива (сжигаемых за 1 час дров), кг/час;

V0объем продуктов горения, образующийся в результате сжигания 1 кг топлива, м3/кг. Для дров V0 = 10 м3/кг [1];

tвтемпература подаваемого в печь воздуха, 0С;

3600 – количество секунд в 1 часе;

vcкорость движения воздуха в поддувальном отверстии, м/с. По [1] скорость движения воздуха в поддувале не должна превышать v≤2 м/с.

Fз = 13,3*10*(1+(18/273))/(3 600*2)= 0,02 м2 =200 см2. 

Для реализации условий подачи в печь необходимого количества воздуха для сжигания в ней заданного количества топлива (13,3 кг/час) при установленной в печи колосниковой решетке требуемых размеров (0,06 м2) и соблюдении условия скорости движения воздуха через поддувало (≤2 м/с) нам хватит установки в печь одной стандартной поддувальной дверки с размерами 130×270 мм (например, SVT 432).

Площадь сечения хайл Fх (а их в нашей печи будет 2, поскольку конвективная система содержит 2 опускных канала) также определим по формуле (1), исходя из соблюдения требования, что скорость печных газов в опускном первом дымовом канале не должна превышать значения v≤4 м/с [1], а вместо tв подставляем значение температуры газов в этом канале t опуск.канал. Температуру газов в опускных каналах (как в 1-м дымоходе) по [1] принимаем равной t опуск.канал =7000C.

Fх = 13,3*10*(1+(700/273))/(3 600*4)= 0,0329 м2 =329 см2. 

Тогда площадь одного хайла будет равна: 329/2=164,5 см2.

В предположении квадратной формы отверстия хайла получаем, что сторона 1-го хайла должна быть равна √164,5 = 13,0 см.

Поперечное сечение канала дымовой трубы для нашей печи с тепловой отдачей Qчас = 5 952 ккал принимаем равным 13×26 см (1 кирпич) [1].

Итак, с расчетом основных параметров топливника печи мы закончили.

Перейдем к определению вида конструктивного исполнения (архитектуры) конвективной системы банной печи и ее основных геометрических размеров.

Под конвективной системой будем понимать совокупность организуемых в печи полостей/ колпаков и дымовых каналов для утилизации (накопления тепла в массиве печи) выделенного в топливнике тепла горящими дровами, их количество и расположение друг относительно друга.

Чтобы определиться с архитектурой конвективной системы будущей банной печи нам надо знать какое количество тепла сжигаемых дров будет аккумулироваться тем или иным ее конструктивным элементом: топливником, каменкой, дымовыми каналами. Другими словами нам надо определить величины тепловосприятия внутренними поверхностями отдельных элементов банной печи.

Тепло, которое воспринимается внутренними поверхностями печи за 1 топку продолжительностью m часов, определяется из выражения [1]:

Qвосп= Qт+ Qкам+Qоп.к +Qпод.к =т*fт + βкам*fкам  + 2βоп.к*fоп.к + 2βпод.к*fпод.к )*m, (2)

где:

Qвосптепло, воспринимаемое внутренними поверхностями печи, ккал;

Qт – тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями топливника печи, ккал;

Qкамтепло, воспринимаемое внутренними поверхностями каменки печи, ккал;

Qоп.ктепло, воспринимаемое внутренними поверхностями опускного канала печи, ккал;

Qпод.ктепло, воспринимаемое внутренними поверхностями подъемного канала печи, ккал;

fт, fкам, fоп.к, fпод.кплощади внутренних тепловоспринимающих поверхностей топливника, каменки, опускного и подъемного дымовых каналов печи, м2;

βт, βкам, βоп.к, βпод.ксоответствующие этим поверхностям коэффициенты тепловосприятия, ккал/м2*час.

mпродолжительность 1 топки, час.

Количество тепла, которое должна аккумулировать в себе печь с размерами сторон 5,5×5,5 кирпичей и высотой 30 рядов кирпичной кладки, чтобы теплоотдача ее поверхностей составляла бы 5 952 Вт*час (см. Таблицу 3 ЗДЕСЬ) в течение 24 часов (1 суток), составляет:

Qвосп =24*Qчас =24*5 952*0,8605 = 122 920 ккал,    (3)

где

5 952 – теплоотдача печи за 1 час, Вт;

0,8605 – переводной коэффициент Вт в ккал*час.

В нашей печи, как уже отмечалось ранее, каменка находится в полости, размещенной над топливником и, фактически, являющейся его продолжением. Эта полость, как и топливник, внутри  банной печи выкладывается из шамотного кирпича для защиты внешней кладки печи от высоких температур топливника.

В двух боковых стенках каменки делаются проемы (хайла) для выпуска дымовых газов в каналы конвективной системы.

В нашем случае мы предположили, что будущая банная печь будет содержать два опускных и два подъемных дымовых канала. Эти каналы находятся по бокам топливника и каменки с двух сторон, они параллельны одной из своих длинных сторон длинным сторонам топливника и каменки и располагаются друг за другом.

В каменке в верхней части ее боковых стенок находятся 2 хайла, через которое дымовые газы попадают в опускные каналы печи.

Исходя из подобного видения архитектуры будущей банной печи, и была написана формула (2) для нашего случая.

Найдем последовательно объемы тепла, воспринимаемого отдельно топливником печи, каменкой и тепла, воспринимаемого конвективной системой печи. А уже потом, исходя из полученных результатов, определимся с геометрией конвективной системы печи, поскольку геометрия топливника нам уже известна.

В этом случае, количество тепла, воспринимаемого внутренними поверхностями топливника, будет равно:

Qвосп.топл = βт*fт*m,    (4)

где

βт = 6000 — коэффициент тепловосприятия топливника, ккал/м2*час за 1 топку [1];

m = 4,0 – продолжительность 1 топки, час.

Qвосп.топл  = 6000*((0,97+0,38)*2*0,77+0,97*0,38*2)*4,0 = 67 588 ккал (78 605 Вт).

Теплота, которую должна будет воспринять каменка (совместно с ограждающими ее теплопоглощающими поверхностями шамотных стен) и конвективная система печи, равна:

Q кам.+конв.сист = Qвосп — Qвосп.топл .    (5)

Прежде чем определить количество тепла, аккумулированное конвективной системой печи, найдем количество тепла, пошедшего на нагрев закладки каменки.

Это количество тепла будет зависеть от вида и  количества материалов, загруженных в качестве накопителей тепла, а также способа их укладки в каменке (наличия/отсутствия между ними проходов для пропуска печных газов, размеров этих проходов).

Различные материалы характеризуются индивидуальными теплофизическими параметрами (плотностью, теплоемкостью, теплопроводностью), непосредственно определяющими количество поглощаемого этими материалами подведенного к ним тепла за определенный промежуток времени.

В общем виде количество поглощенного/отданного телом тепла при его нагреве/охлаждении на ΔT градусов можно найти по формуле:

Q = С*M*ΔT,   (6)

где:

С – удельная теплоемкость вещества нагреваемого тела, Дж/кг*0С;

М – масса нагреваемого тела, кг;

ΔTразность между температурами тела в нагретом/остывшем и исходном состоянии, 0С. 

Перед тем как определиться с количеством тепла, аккумулируемым каменкой во время протопки печи, определимся с видом и количеством теплонакопительных материалов каменки (чугун-камень), требуемых для получения требуемого количества сухого перегретого пара для наших нужд.

Как было показано ЗДЕСЬ, для получения 25 кг сухого перегретого пара нам понадобится 23,7 кВт тепла.

Допустим, что в качестве закладки в каменке будут использоваться чугун (с теплоемкостью Сч=540 Дж/кг*0С) и камни породы диабазов или базальтов (со средней теплоемкостью Скам=800 Дж/кг*0С) общей массой 300 кг.

Для расчетов примем, что чугуна и камня в каменке будет поровну (по Мчкам=150 кг).

Закладку будем греть до T=7000C.

Заметим, что 1 кг подобной каменно-чугунной закладки, характеризуемой средней теплоемкостью  (540*150+800*150)/(150+150)=670 Дж/кг*0С, при остывании с 7000С до 2000С (при поддачах на него порций воды для парообразования) способен отдать Qкам пар = 670*(700-200)= 335 000 Дж*0,2388*10-3= 80 ккал*1,163=93 Вт тепла.

Нижняя температура парообразования равная Т=2000С еще гарантировано позволяет получить с каменки сухой перегретый пар, не содержащий капельножидкой фракции воды, и из которого можно легко приготовить «легкий пар». 

Таким образом, для получения 25 кг сухого перегретого пара нам хватит тепла, запасенного 23 700 Вт/93 Вт = 255 кг подобной каменно-чугунной закладки.

Теперь проверим, поместится ли подобная каменно-чугунная закладка общим весом 300 кг в проектируемой банной печи. 

Объем пространства, отведенный под каменку в нашей печи, составляет:

Vкам = 0,38*0,97*0,77 = 0,284 м3.

Объем закладки, состоящей из чугуна и камней, равен:

Vзакладки = (Мчч + Мжж)/η =(150/7200+150/2800)/0,5 = 0,150 м3, (7)

где:

ρч = 7200 кг/м3 – плотность чугуна;

ρж = 2800 кг/м3 – средняя плотность камней.

η = 0,5 — средний коэффициент пористости каменки (отношение объема пустот Vпустот в объеме, занимаемом каменно-чугунной закладкой Vзакладки, к объему Vзакладки).

Сопоставляя величины  Vзакладки=0,150 м3  и Vкам=0,284 м3 видим, что выбранное нами количество чугуна и камней свободно поместится в печи: Vзакладки   Vкам.

 

Примечание. Даже в случае использования в качестве теплоаккумулирующей закладки одних лишь камней в количестве 300 кг (при том же значении коэффициента пористости заполнения каменки η= 0,5) ее (закладки) объем составит Vзакладки =300/2800*0,5=0,214 м3 и (гипотетически) может поместиться внутри каменки с объемом Vкам=0,284 м3.

 

А мы продолжаем.

Используя формулу (6), определим количество тепла, поглощенное закладкой каменки после протопки печи:

Qкам = (540*150+800*150)*700*0,2388*10-3 = 33 600 ккал. (8)

Примечание. В наших расчетах принято следующее допущение: тепло, поглощенное шамотными стенками каменки, не рассчитывается.

Подобное допущение было принято из следующих соображений.

Поскольку каменно-чугунная закладка мешает дымовым газам свободно обтекать  шамотные стенки каменки, поэтому точно определить количество переданного этим стенкам тепла не представляется возможным.

Коэффициенты тепловосприятия βкам (ккал/м2*час) для стенок внутренних каменок кирпичных банных печей  экспериментально никто и никогда не определял.

Подобные коэффициенты в свое время были определены и обозначены в ГОСТ только для отдельных функциональных узлов (топливника, дымовых каналов и колпаков) теплоемких кирпичных отопительных печей.

Общее количество тепла, аккумулируемое каменкой, можно с определенной степенью приближения определить по формулам (6) — (8).

При этом только следует иметь в виду, что под теплоаккумулирующим массивом каменки, принимающим участие в парообразовании,  понимается общая масса каменно-чугунной закладки и ограждающих каменку шамотных стен.

Объем каменно-чугунной закладки, рассчитанный по формуле (7), должен быть уменьшен на такую величину теплонакопительного объема шамотных стен каменки, чтобы объем тепла, требуемый для получения нужного количества пара (25 кг) и нагрева всего массива каменки до требуемой температуры (7000С), остался неизменным. 

 

Отметив данное допущение, далее рассчитаем количество тепла, которое должны будут поглотить внутренние стенки конвективной системы печи (2-х опускных и 2-х подъемных каналов): 

Qконв.сист = 122 920 – 67 588 – 33 600 = 21 732 ккал.   (9)

Суммарную площадь тепловоспринимающих поверхностей дымовых каналов конвективной системы нашей печи найдем из выражения:

Fконв.сист = Qконв.системы /m*βср, м2         (10)

где 

βср = (2βоп.к + 2βпод.к)/4 – средний коэффициент тепловосприятия опускного и подъемного дымового каналов, ккал/м2*час;

m=4 – продолжительность топки печи, час. 

Для расчетов по [1] мы принимаем:

βоп.к = 4500 ккал/м2*час (как 1-й дымовой канал);

βпод.к = 2300 ккал/м2*час (как 2-й дымовой канал).

βср =(2*4500+2*2300)/4 = 3 400 ккал/м2*час.  (11)

Тогда

Fконв.системы = Qконв.системы /m*βср = 21 732/(4*3400) = 1,6 м2, (12) 

Исходя из геометрических размеров нашей печи, примем высоту опускных дымовых каналов равной расстоянию от перекрыши печи до верха 1 ряда печи: 

h конв.системы = h печи – h перекрыши = 2,1 (30 рядов) — 0,21 (3 ряда) =1,8 м,  (13)

Тогда длина дымовых каналов конвективной системы будет равна: 

lконв.сист = Fконв.сист/ h конв.сист = 1,6/1,8 = 0,90 м.  (14)

Расчет сечений дымовых каналов конвективной системы печи произведем, отталкиваясь от значений объемов проходящих по ним печных газов, их температуры и максимально допустимой скорости этих газов для соответствующих каналов.

Объем печных газов при горении дров равен [2]:  

V=V0*Bчас*(1+t в канале/273) =V0*Bчас*(1+t в канале/273), м3     (15)

где

V0объем воздуха, необходимый для сжигания 1 кг топлива (объем дымовых газов, образующихся при сжигании 1 кг топлива), м3. Для дров по V0=10 м3;

Bчас часовой расход сжигаемых в топливнике дров, кг/час;

t в каналетемпература дымовых газов в соответствующем дымовом канале конвективной системы печи.

Повторимся, что, согласно [2], температура газов во 1-м дымовом канале (в нашем случае опускном канале) принимается равной 7000С, а в последнем дымовом канале (в нашем случае подъемном канале) – 1600С.

При этом скорость печных газов в опускном дымовом канале не должна превышать vв опуск.кан. ≤ 4 м/с, а в последнем (подъемном) дымовом канале – vв под.кан.  ≤ 2 м/с [2].

Отметив эти обстоятельства, приступим к расчету опускного дымового канала. 

Объем проходящих через один из 2-х опускных каналов дымовых газов равен:

Vв опуск.кан = 10*13,3*(1+700/273)/2= 237 м3.    (14) 

Примем размеры сечения каждого из опускных каналов равными: 

F опуск.кан = 0,19×0,63 (0,75×2,5 кирпича) = 0,12 м2.  (15)

Тогда скорость дымовых газов в нем будет равна: 

v опуск.кан = Vв опуск.кан /(3600* F опуск.кан) = 237/(3600*0,12)= 0,55 м/с. (16) 

Поскольку при выбранных размерах опускного канала скорость печных газов в нем не превышает скорости ≤ 4 м/с, следовательно, такие подобранные нами размеры сечения для данного канала допустимы.

Теперь произведем расчет геометрии подъемного дымового канала.

Объем проходящих через один опускной канал дымовых газов равен:

Vв опуск.кан = 10*13,3*(1+160/273)/2= 106 м3.  (17)

При сечении каждого из опускных каналов равном

Fпод.кан = 0,19×0,25 (0,75×1,0 кирпич)=0,0475 м2 (18) 

скорость дымовых газов в нем будет 

vпод.кан = Vв под.кан /(3600* Fпод.кан) = 106/(3600*0,0475) = 0,62 м/с.  (19)

Полученная величина скорости печных газов через подъемный канал НЕ превышает допустимые для данного канала скорости течения газов, которые не должны превышать значения  ≤ 2 м/с.

Следовательно, подобранные нами размеры каждого из подъемных каналов правильные. 

На этом закончим рассмотрение порядка расчета кирпичной банной печи.

Итак, подведем итоги.

  1. Изложенные в этом цикле статей подходы к расчету кирпичных банных печей имеют определенные допущения, а сами расчеты носят приблизительный характер и требуют более подробной проработки для каждых конкретных условий (исходных данных):
    • наиболее типичных климатических условий, в которых предстоит эксплуатировать баню,
    • используемых при строительстве бани строительных материалов (их теплофизических характеристик);
    • обеспечение печью требуемых эксплуатационных показателей: начального прогрева бани и удержания нужных температурных режимов в помещениях бани в течение заданного отрезка времени, нагрев заданного объема воды для бани, получение заданного количества сухого перегретого пара для создания в парной требуемой климатической обстановки.
  1. Изложенная методика предлагает один из возможных подходов (направлений) к расчетам кирпичных печей с закрытыми каменками для паровых русских бань, придерживаясь которого (которых), как мне кажется, каждый, кто находится в процессе подбора для себя кирпичной банной печи, сможет успешно решить эту задачу.

 

Использованная литература.

  1. ГОСТ 2127-47. Печи отопительные, теплоемкие. Нормы проектирования. М., 1948
  2. Школьник А.Е. Печное отопление малоэтажных зданий. М., Высшая школа, 1991.

 

 

Другие статьи на эту тему:

 

Теги: ,

Добавить комментарий

 
 
 

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

 Конфиденциальность гарантирована