Методика расчета кирпичной печи-каменки для русской паровой бани. Часть 3

04 Авг

Просмотров: 1 827

ScreenShot_07_350x350_ред

Итак, мы рассмотрели ЗДЕСЬ и ЗДЕСЬ часть факторов, которые требуется учитывать при выборе для своей бани подходящей для нее кирпичной банной печи.

Кратко перечислим эти факторы.

Это:

—  количество тепла, теряемого вашей (будущей или имеющейся) баней в течение 1 часа. Значение этого параметра напрямую зависит от теплотехнических характеристик, используемых для строительства бани материалов;

—  стартовая температура наружного воздуха и температура, до которой предстоит нагреть банной печью то или иное помещение бани (парную, моечную, комнату отдыха). Одно дело нагреть парную от -20 0С до 60 0С, и совсем другое дело нагреть парную, например, от 0 0С до тех же 60 0С;

продолжительность процесса пользования баней, в течение которого должны поддерживаться стабильными температурные и влажностные характеристики атмосферы внутри того или иного помещения бани (в первую очередь парной);

— будет ли вами использоваться печь для нагрева воды, если да, то сколько (каков объем) воды собираетесь нагреть и до какой температуры;

— сколько килограммов пара вам нужно в процессе принятия бани (зависит от продолжительности поддержания в парной требуемых вам температурно-влажностных режимов).

В конечном итоге, все вышеуказанные факторы будут определять необходимое бане количество тепла. И именно банная печь призвана будет обеспечить баню этим теплом.

От величины генерируемого и отдаваемого печью тепла (как было показано в Части 2 Методики) будут зависеть будущие массогабаритные показатели печи, ее внутренняя архитектура и требуемое для ее кладки количество кирпича.

Отметив все эти факторы, перейдем к процедуре расчетов основных конструктивных элементов кирпичной банной печи.

Итак, предположим, что  будущая наша банная печь должна иметь в плане размеры 5,5 на 5,5 кирпичей (1,43х1,43м) и содержать 30 рядов кирпичной кладки (активная высота печи при этом будет равна 1,6м).

Основными элементами конструкции нашей печи, расчет которых мы будем производить, являются:

— топливник;

— каменка;

— конвективная система (опускные и подъемные дымовые каналы);

— входное сечение поддувального отверстия;

— размеры колосниковой решетки и ее «живое» сечение;

— сечение канала дымовой трубы.

Первым шагом в наших расчетах будет расчет основных конструктивных параметров топливника банной печи: его геометрических размеров (lт, bт, hт, м), площади его пода Fпода, м, размеры колосниковой решетки (ее площадь Fкм2,  комбинацию ее сторон lк, bк, м, наиболее подходящие для данного топливника, площадь ее «живого» сечения).

Для наших расчетов будем использовать ГОСТ 2127-47 [1].

Хотя этот ГОСТ уже и утратил силу (отменен с 01.01.76г.), но ничего альтернативного ему на замену так и не было больше принято. Поэтому при расчетах архитектуры нашей будущей банной печи будем руководствоваться соображениями, изложенными в Части 1 и Части 2 данной Методики, а также некоторыми положениями данного нормативного документа.

Итак, наша банная печь в выбранных размерах после протопки будет генерировать своей поверхностью за 1 час 5 952 Вт*час (или 5 122 ккал/час) тепла.

Вспомним, что наша банная печь должна будет запасти для наших нужд в своем массиве не менее 112 100 Вт = 96 462 ккал тепла.

Если разделить нужное нам для бани количество тепла 96 462 ккал  на тепловую отдачу печи 5 122 ккал/час, то мы узнаем время (96 462/5 122=19 час), в течение которого печь будет отдавать запасенное тепло бане только за счет конвективного теплопереноса.

Естественно, мы всегда сможем ускорить (увеличить) интенсивность изъятия тепла  из печи, прокачивая через раскаленное нутро печи воздух, либо испаряя на каменке воду.

Вначале определим количество дров В, кг, которое нам предстоит сжечь, для того, чтобы печь способна была генерировать через свою поверхность в течение  1 суток тепловой поток 5 122 ккал/час.

Время 1 сутки (24 часа) вместо 19 часов  берем с запасом, поскольку лишнее генерируемое печью тепло мы предполагаем направить на просушку конструктивных элементов  бани после завершения банных процедур.

В этом случае за 1 сутки печь должна будет отдать Qрасч  =  Qчас*24 = 5 122*24  = 122 928 ккал тепла.

Для получения этого количества тепла в печи надо сжечь следующее количество дров:

B = Q расч/(Qднпечи) = 122 928/(3 300*0,7) =  53,2 кг,    (1)

где: 

 Qдн = 3 300 ккал/кг – минимальная теплотворная способность 1 кг дров с относительной влажностью 25% (дрова, сушенные в поленнице в течение 2 лет);

—  ηпечи=0,7 – коэффициент полезного действия печи на дровах c колосниковой решеткой [1].

Cогласно [1], для отопительных печей со среднечасовой теплоотдачей свыше 5 000 ккал*час продолжительность 1 топки (при 2-х разовой топке печи в сутки) не должна превышать m = 2 час.

Как мы уже отмечали, банные печи, топятся в большинстве случаев за 1 раз и общая продолжительность 1 топки составляет не менее 3,5-4 часов.

Поэтому для наших расчетов примем продолжительность 1 топки банной печи m=4 часа.

При этом часовой расход, сжигаемых в топливнике нашей будущей банной печи дров Bчас, кг/час,  составит:

Bчас = B/m = 53,2/4,0=13,3 кг/час.   (2) 

Размеры топливника определяют из условия одновременной загрузки в него всего количества топлива, потребного на одну топку. В нашем случае эта величина составляет 53,2 кг дров.

Далее определяем объем, занимаемый дровами, сжигаемыми в топливнике за 1 топку (m=4 часа) Vдров, м3

Vдров = B/γ = 53,2/420 = 0,13 м3,     (3)

где:

γ = 420 – удельная объемная плотность 1 м3 уложенных в поленнице дров, кг/м3.

Именно этот объем дров (Vдров = 0,13 м3) должен помещаться целиком в топливнике нашей будущей банной печи и прогорать за 1 топку (m=4 часа).

Имея величину объема загружаемых в топку дров, рассчитаем площадь пода нашей печи Fпода, м2:

Fпода = Vдров/h дров = 0,13/0,35 = 0,37 м2,     (4)

где:

h дров = 0,35, м  высота охапки дров, загружаемых в топливник печи с производительностью Q > 4 000 Вт*час , при которой наиболее эффективно происходит процесс их сжигания [2(как раз наш случай).

Определив размеры площади пода топливника, подберем его ширину (bт, м) и длину (lт, м) для нашей печи с размерами сторон 5,5 на 5,5 кирпичей. При этом также будем учитывать то обстоятельство, что согласно [2],  стороны топливника желательно делать кратными длине 120 мм (0,5 кирпича).

Примем для нашего топливника ширину равную bт = 0,38 м (1,5 кирпича).

Учитывая немалые размеры в плане  нашей будущей банной печи, примем решение, что топливник будет располагаться посередине печи. Над топливником сверху будет располагаться каменка. По бокам топливника симметрично вдоль его правой и левой стенок будут располагаться 2 опускных (сзади) и 2 подъемных (спереди) канала конвективной системы. Стенки топливника будут футерованы шамотным кирпичом марок ШБ-8 (250×124х65 мм) и ШБ-5 (230×114х65 мм), а стенки каналов конвективной системы будут футерованы шамотом ШБ-6 (230×114х40 мм) (Рис.1).

razrez-bannoj-pechi_

Рис.1

Определим длину нашего топливника:

lт = Fпода/ bт = 0,37/0,38 = 0,97 м (~ 4 кирпича).    (5)

Топливник данной длины отлично вписывается в размеры, которые наша печь будет иметь в глубину (5,5 кирпичей).

Теперь определимся с высотой топливника hт, м. 

При определении высоты топливника будем учитывать 3 фактора:  

1-й фактор, размер свободного пространства, заключенного между верхом загруженных в печь дров и перекрышей топливника.

2-й фактор, объем нашего топливника не может быть меньше определенных размеров, т.е. Vт ˃ Vmin. Минимально-допустимый объем топливника Vmin , м3  диктуется величиной максимального удельного напряжения топочного пространства  топливника Е, (ккал/м3*час или Вт/м3), которое может быть создано в нем горящим топливом (в нашем случае дровами) и превышение которого не допустимо. Для топливников на дровах теплонапряженность их топочного пространства не должна превышать значения E=350 000 ккал/(м3*час) [1] или E=440 000 Вт/(м3) [2].

3-фактор, размер каменки, которая будет размещаться над топливником.

Согласно [2], для печей с тепловой отдачей  4 000 Вт и более между верхом загруженного в печь топлива (дровами) и перекрытием топливника должно оставаться минимум 420 мм свободного пространства, необходимого для максимально полного сгорания летучих.

Посмотрим, каким должен быть по высоте наш топливник, чтобы удовлетворять вышеуказанным требованиям.

В нашем случае высота слоя загружаемых в печь дров равна h дров = 0,35 м. Добавляем 0,42 м свободного пространства над дровами, и получаем высоту нашего топливника hтопл = 0,35+0,42=0,77 м.

Тогда минимально допустимый объем топливника Vmin, отвечающего этим требованиям, можно найти  из соотношения:

Vmin = Bчас* Qдн топл /E*1,2  м3,   (6)

где: 

Bчас  часовой расход сжигаемых дров, кг;

Qдн  минимальная теплотворная способность дров влажностью 25%, ккал/кг;

Е = 350 000 – напряжение топочного пространства топливника при сжигании дров с влажностью 25%, ккал/(м3*час) [1];

η топл = 0,9 – коэффициент полезного действия топливника c колосниковой решеткой [1];

1,2 – коэффициент максимального допустимого превышения теплонапряженности топочного объема топливника E [1].

Таким образом, топливник на дровах для нашей будущей банной печи Vт должен иметь внутренний объем не менее:

Vmin = 13,3*3 300*0,9/350 000*1,2=0,094м3 .     (7)

Проверим, каким получается объем нашего топливника и соответствует ли он требованию  Vт ˃ Vmin.

В нашем случае получаем

Vт =  bт* lт* hт = 0,38*0,97*0,77 = 0,284 м3.

Видим, что объем топливника нашей будущей банной печи соответствует предъявляемому требованию (превышает по своим размерам Vmin): 0,284 м3 ˃  0,094 м3.

Итак, мы (предварительно) определились с основными размерами топливника (по его внутренним поверхностям) нашей будущей банной печи.

Теперь разберемся с 3-м фактором, который мы должны будем учесть при выборе (проектировании) банной печи. Касается этот фактор каменки, и не только ее геометрии и будущих размеров, но и ее расположения относительно топливника печи.

В нашем примере мы будем предполагать, что каменка находится непосредственно над топливником печи и греется дымовыми газами, пронизывающими ее (чугунно-каменную закладку) снизу-вверх. Другими словами мы предусматриваем наличие в нашей печи каменки фильтрующего типа (условно фильтрующую проходящие сквозь нее дымовые газы).

Условно допустим, что каменка состоит из n-го количества узких извилистых дымовых каналов, по которым дымовые газы поднимаются к перекрыше печи и через 2 хайла, расположенных в боковых шамотных стенках топливника поступают в опускные каналы конвективной системы печи, расположенные симметрично вдоль длинных сторон топливника (см. Рис.1).

Как мы уже знаем, наша будущая печь с теплоотдачей 5 952 ккал*час имеет 30 рядов кирпичной кладки, т.е. высота печи составляет 2,1 м.

В печи перекрыша содержит 3 ряда кирпичной кладки толщиной 3*0,07=0,21 м.

Колосник топливника лежит на уровне верха 4 ряда внешней кирпичной кладки печи или на расстоянии 4*0,07 = 0,28 м от основания печи. 

Топливник, как мы рассчитали и спроектировали, будет иметь высоту 0,77 м.

Таким образом, у нас остается внутри печи над топливником свободное пространство высотой 2,1-0,21-0,77-0,28 = 0,84 м (равное толщине 12 рядов внешней кирпичной кладки: 0,84/0,07=12), в котором мы и разместим нашу каменку. 

Предположим теперь, что пространство топливника в нашей печи сверху ограничено шамотной (чугунной) решеткой высотой 6-7 см.

Назначение данной решетки — перемешивание дымовых газов с подаваемым в топливник воздухом на горение, а также для лучистого нагрева этой решеткой в раскаленном состоянии загруженных в печь дров и способствованию их скорейшему пиролизу (разложению) на горючие летучие (СО, СхНу, Н2).

Над этой решеткой сверху на расстоянии еще 6-7 см находится чугунный колосник (или чугунные бруски), на который(ые) и опирается непосредственно чугунно-каменная закладка каменки.

Таким образом, объем внутреннего пространства печи, отводимый под каменку, уменьшиться по высоте на 1 ряд кирпичной кладки (~ 7см).

Итоговая высота этого объема составит 0,84-0,07=0,77 см или 11 рядов кирпичной кладки.

При таких раскладах низ каменки окажется на высоте (от основания печи):

0,28м (расстояние от основания печи колосника) +0,77м (высота топливника)+0,07 (высота шамотной решетки) = 1,12 м (16 ряд кирпичной кладки).

Общий объем внутреннего пространства печи, отводимый под каменку, составит:

Vкам = 0,38*0,97*0,77 = 0,284 м3.

А общая высота топливника и каменки в будущей банной печи будет:

lтопкам = 0,77+0,07+0,77=1,61 м.

По сути, эта величина оказалась равной активной высоте печи, непосредственно определяющей активный объем печи и величину ее теплоотдачи Qчас.

Отметим данный факт и будем двигаться далее.

Следующим этапом нашего расчета будет определение геометрических размеров колосниковой решетки топливника.

Площадь колосниковой решетки топливника определяется из соотношения [1]:

Fк = Bчас/R = 13,3/250 = 0,053 м2,    (8)

где:

R=250 – весовое напряжение колосниковой решетки при сжигании на ней дров с влажностью 25%, кг/м2*час.

Учитывая форму и размеры сторон пода топливника, а также то, что колосник своей длинной стороной будет располагаться вдоль топливника, и имеющиеся в продаже ассортимент колосников с заданными типоразмерами, примем, что длину нашей колосниковой решетки равной lк = 0,3 м.

Тогда ширина колосника будет равна:

bк = Fк/ lк = 0,053/0,3=0,18 м. (9)

В качестве колосника можно выбрать, например, колосник РУ-2 (300х200 мм).

При расчете колосника подразумеваются его внешние размеры.

Нормативное «живое» сечение колосниковой решетки для дров (площадь отверстий в решетке) должно составлять не менее 18% от общей площади колосника по [1] или 25% по [2].

На этом прервемся, а завершим уже наши расчеты основных конструктивных элементов будущей банной печи уже в следующем посте.

Пока!

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