Методика расчета кирпичной печи-каменки для русской паровой бани. Часть 2

02 Авг

Просмотров: 1 030

kirpichnaya-pech-dlya-bani-svoimi-rukami-106Продолжаем тему, начатую ЗДЕСЬ.

На первом этапе процедуры расчета печи для русской паровой бани мы определились с направлениями использования тепла в бане (тепло на начальный прогрев ограждающих конструкций бани, на поддержание в помещениях бани требуемой климатической обстановки, на нагрев каменки до заданных температур с целью дальнейшего парообразования, на нагрев воды для мытья).

В первой части Методики мы определились с порядком проведения необходимых расчетов, а также, в качестве примера, для гипотетической бани рассчитали объемы необходимого для нее тепла.

В этом посте мы коснемся второго этапа расчетов, посвященного определению основных характеристик банной печи, способной справиться с поставленными перед ней задачами.

Здесь под характеристиками банной печи будут пониматься ее некоторые теплофизические и массогабаритные характеристики:

  • отдача печью своей нагретой поверхностью в окружающее ее пространство определенного количества тепла за единицу времени или средняя часовая тепловая отдача печи Qчас (ккал/час или Вт*час);
  • суммарное запасаемое массивом печи тепло, в процессе сжигания в ней определенного количества топлива Q (ккал или Вт). Это тепло нам понадобиться для решения задач, обозначенных в первом абзаце настоящего поста;
  • а также габариты (ДхШхВ, м) и масса M, кг кирпичной печи (в т.ч. и каменки), которые будут способны вобрать в себя количество тепла Q, достаточного для покрытия всех требуемых тепловых затрат.

 

Отметим, что величина среднечасовой тепловой отдачи поверхностью теплоемкой отопительной печи аккумулированного ею тепла Qчас прямо пропорциональна площади теплоотдающей поверхности печи,  и количеству проведенных за сутки топок [1, 2].

Другими словами

Qчасcт*Scт + αкр*Sкр,      (1)

где:

Scт,  Sкрплощади теплоотдающих стенок и перекрыши печи в пределах ее активной высоты, м2;

αcт, αкрсоответствующие этим стенкам и перекрыше печи значения удельной теплоотдачи  1 м2 их поверхности, Вт*час/м2 или ккал/м2*час. Величины коэффициентов αcт, αкр зависят от числа топок печи за сутки (1 или 2 топки с определенным часовым интервалом между топками). Фактически величины коэффициентов αcт, αкр определяются суммарным количества тепла, получаемого печью в результате сжигания в ней в течение суток определенного объема дров.

Примечание.

Теплоотдающей поверхностью печи считается:

  • поверхность стенок печи, находящаяся в пределах активной ее высоты, омываемая с одной стороны воздухом, а с другой – прогреваемая печными газами или соприкасающаяся с топливом;
  • перекрыша, при высоте печи не свыше 2,1 м (30 рядов кирпичной кладки).

 

Расчетная (активная) высота печи считается:

  • при толщине крыши не более 140 мм (2 ряда кирпичной кладки) – расстояние по вертикали от колосниковой решетки до верхней плоскости перекрыши;
  • при толщине крыши более 140 мм – расстояние по вертикали от колосниковой решетки до нижней плоскости перекрыши.

 

Продолжительность одной топки теплоемкой кирпичной отопительной печи  не должна превышать 2 часов (зависит от размеров печи).

В таблице 1 показаны значения величин ориентировочной теплоотдачи поверхностей теплоемких отопительных печей (в числителе – значения при двухкратной топке печи в сутки, в знаменателепри однократной топке печи в  сутки) [2].

Таблица 1

screenshot_table05

 

 В таблице 2 указаны поправочные коэффициенты к теплоотдаче поверхностей печи [2].

Таблица 2

screenshot_table06

 

Кирпичные теплоемкие банные печи (в отличие от отопительных печей) топятся дольше (как правило, более 4 часов) и, в большинстве случаев, вытоп печи до ее готовности осуществляется  за 1 раз (1 топку).

Исходя из этих особенностей эксплуатации банных печей в наших дальнейших расчетах  в качестве коэффициентов αcт, αкр  для кирпичных банных печей будем использовать соответствующие значения коэффициентов αcт, αкр  для оштукатуренных и изразцовых печей с массой более 1 тонны и толщиной стенок более 120 мм ,  взятых из Табл.1 для двукратной топки печи в сутки (с учетом поправочных коэффициентов по Табл.2).

Подобный подход считаю допустимым по следующим причинам. Аналогичные коэффициенты теплоотдачи именно для кирпичных банных печей никем и никогда ранее не определялись и точных их значений в природе не существует. Но корректность сравнения банных печей с отопительными оштукатуренными кирпичными и изразцовыми печами оправдана, так как банные печи имеют стенки толщиной более 120 мм (и, как правило, футерованы шамотом внутри) и топятся более 4 часов.

Необходимые для дальнейших расчетов усредненные значения удельных коэффициентов теплоотдачи 1 м2 поверхностей кирпичных банных печей были получены следующим образом: αcт = (550+650)/2=600 Вт*час/м2 и αкр = (275+325)/2=300 Вт*час/м2.

Используя данные коэффициенты αcт и αкр ,  а также расчетные значения  площадей теплоотдающих поверхностей кирпичных банных печей с одной и той же активной высотой, равной 1 600 мм  ((общая для всех печей высота: 30 рядов*7см=2 100 мм) – 4 ряда кладки от основания печи до колосниковой решетки топливника (280 мм)– 3 ряда кладки перекрыши печи (210 мм)), были получены значения общей теплоотдачи поверхностей банных печей разных в плане размерами (от 3×3 кирпича до 6,5×6,5 кирпичей).

Все данные сведены в Таблицу 3.

Таблица 3

teplootdacha-bannyx-pechej

 

Из таблицы 3 видно, что печи, имеющие разную площадь своих теплоотдающих поверхностей, характеризуются и разным воспроизводимым за 1 час количеством тепла.

Теперь вплотную встает вопрос: «А какую же банную печь (печь с какими геометрическими размерами и с какой теплоотдачей своей поверхности) следует выбрать для нашей бани»?

Вспомним, что для наших нужд (как было показано в Части 1 этой Методики) нам потребуется аккумулировать в печи 112,1 кВт тепла в результате сжигания n-го количества килограммов дров. О требуемом для решения этой задачи количестве сжигаемых дров будет сказано позже и в свое время.

Определяющим параметром при выборе конкретной модели кирпичной банной печи, характеризуемой конкретными геометрическими размерами и конкретной часовой тепловой отдачей (Qчас, Вт*час), будет выступать масса печи (М, кг). Именно масса печи (а точнее, теплоемкость кладочного материала), по сути, и будет определять потенциальную способная печи вобрать в себя (аккумулировать) конкретный и нужный нам объем тепла.

Для этого пришлось рассчитать ориентировочную массу для кирпичных печей с разными геометрическими размерами. Все полученные данные по весу различных печей также отображены в Таблице 3.

При расчетах массы каждой конкретной печи были приняты следующие исходные данные и допущения:

  • все печи содержать 30 рядов печной кладки;
  • перекрыша во всех печах состоит из 3-х рядов;
  • кладка 1-го ряда печи и рядов перекрыши является сплошной (коэффициент заполнения ряда к=1);
  • со 2-го по 27-й ряд печи принят коэффициент заполнения каждого из рядов к=0,72;
  • масса глиняного керамического кирпича принята равной массе шамотного кирпича m=3,9 кг;
  • масса каменно-чугунной закладки каменки не учитывалась;
  • вес кладочного раствора и печной фурнитуры также не учитывались.

 

Теперь прикинем, каким должен быть вес активного массива печи, чтобы печь смогла аккумулировать в себе ΣQ =112,1 кВт тепла, необходимого для наших нужд. Для понимания того, что из себя представляет величина ΣQ=112,1 кВт и как она была получена, было уже сказано и показано ЗДЕСЬ.

В нашем примере вес активного массива печи M, кг должен быть не менее:

M = ΣQ/(с * ∆Т),                (2)

где:

ΣQ – суммарное аккумулируемое печью количество тепла, требуемое для проведения конкретного банного процесса, кВт;

— с – удельная теплоемкость нагревающегося массива печи, ккал/кг*0С;

∆Тперепад температуры между нагретым и остывшим (стартовым) массивом печи,0С.

Подставив в формулу (2) значения соответствующих величин получим:

М = 112 100*0,8605 / (920 *80*0,2388*10-3) = 5 488 кг,

где:

— 920=(840+1000)/2 – средняя теплоемкость кирпичей печи, Дж/кг*0С (теплоемкость полнотело керамического кирпича принята = 840 Дж/кг*0С, шамотного кирпича – 1000 Дж/кг*0С). Принято допущение, что в печи использованы равные количества глиняного и шамотного кирпича;

— 0,2388*10-3переводной коэффициент Дж в ккал;

— 0,8605 – переводной коэффициент Вт*час в ккал;

80=(60- (-20)) – принятое значение перепада температур между нагретым и остывшим (стартовым) массивом печи,0С.

На кладку такой печи потребуется порядка 5 488/3,9 = 1 407 штук кирпича (без учета кирпича для кладки трубы).

Полученная нами величина веса нашей банной печи является приблизительной величиной. Однако она дает общее представление о требуемом весе теплоаккумулирующего массива печи, способного вобрать в себя 112,1 кВт тепла.

Обратившись к Таблице 3 можно увидеть, что подобной массой обладают банные печи с размерами сторон в плане порядка 6,0 х 5,0 кирпичей (М=5,316 кг) или 5,5 х 5,5 кирпичей (М=5,361 кг). Печи таких размеров способны генерировать своей поверхностью до 5 947 Вт*час и 5 952 Вт*час тепла, соответственно.

Полученные величины часовой теплоотдачи поверхностью печи (5 947 Вт*час и 5 952 Вт*час) спокойно смогут восполнять аналогичные тепловые потери прогретой бани через свои ограждающие конструкции.

Как мы помним (см. Часть 1 данной Методики), часовые потери тепла нашей условной протопленной баней при заданных начальных условиях составляют  3 477 Вт*час.

Таким образом, все избыточное запасенное и отдаваемое поверхностью печи тепло (5 950 – 3 477 = 2 473, Вт*час) может быть направлено на решение других задач (начальный прогрев бани, нагрев воды, парообразование и т.д.).

Однако не надо буквально воспринимать, что этот излишек тепловой мощности печи (2 473, Вт*час) может быть передан бане именно в течение 1 (одного) часа.

Тепло, запасенное в массиве печи и ее каменке, может быть «извлечено» наружу и за меньшее время.

Достигается это путем «прокачивания» воздуха через раскаленное нутро печи при открытых дверках зольника (топки) и каменки.

Точно также, поддавая порции воды на каменку с целью парообразования, мы «конвертируем» тепло печи в тепло сухого перегретого пара и передаем это тепло в парилку (потолку, стенам, воздуху).

Итак, что же мы получили в результате всех проведенных расчетов...?

А получили мы следующее.

Предварительные расчеты показали, что справится с поставленными задачами (нагреть баню, поддерживать в ней в течение нужного нам времени требуемые климатические условия, нагреть требуемый объем горячей воды, получить нужное количество сухого перегретого пара) в нашем случае (при принятых начальных условиях) может лишь кирпичная печь весьма внушительных размеров.

В случае признания этой печи с такими размерами неприемлемой для кладки, придется обратить самое пристальное внимание на пересмотр перечня материалов, планируемых использовать при строительстве бани и обладающих другими теплофизическими характеристиками.

Другим альтернативным вариантом кладке в бане кирпичной печи меньших размеров может быть принятие решения использование в бане дополнительных (помимо банной печи) источников тепла (например, применение электрических конвекторов, центрального отопления и пр.).

На этом прервемся.

В следующем посте мы начнем рассмотрение процедуры расчета основных конструктивных элементов банной печи: каменки, топливника, конвективной системы, поддувального отверстия, колосниковой решетки, сечения канала дымовой трубы.

А пока подведем итоги.

Выводы.

  1. В данном посте был произведен расчет удельной часовой отдачи тепла кирпичными печами разными по величине, но с одинаковой активной высотой теплоотдающей поверхности.
  2. В качестве основного параметра, характеризующего способность выполнить кирпичной банной печью возлагаемые на нее задачи, была определена масса печи.
  3. Был проведен расчет приблизительного веса кирпичных банных печей разных геометрических размеров.
  4. Расчетным путем на конкретном примере показано, какими массогабаритными показателями должна обладать кирпичная печь, чтобы быть способной аккумулировать в своей массе определенный объем тепла, достаточный для выполнения определенных задач (прогрев и поддержание в помещениях бани конкретной климатической обстановки в течение конкретного времени).
  5. Определено ориентировочное количество кирпича, требуемого на кладку такой банной печи.

 

Вот пока и все.

До встречи!

Продолжение следует…

P.S. Всем, кто находится в поиске для себя подходящей банной печи, настоятельно рекомендую заглянуть СЮДА и ознакомиться с проектом одной из таких кирпичных печей разработки известных печных дел Мастера.

Располагая этим проектом, можно самостоятельно, не имея предварительных навыков кирпичной кладки, со знанием дела, без каких-либо серьезных ошибок сложить банную печь, которая будет радовать вас и ваших близких долгие годы.

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