Особенности нагрева каменки в банной печи «РусСауна»

23 Ноя

russauna_05-300x225_ Ранее в статьях (ЗДЕСЬ и ЗДЕСЬ), посвященных рассмотрению особенностей конструкции банной печи “РусСауна» авторства И.В.Кузнецова, были обозначены моменты, которые позволили обеспечить нагрев каменки в печи данной конструкции до более высоких температур по сравнению с другими кирпичными банными печами постоянного действия разработки этого Мастера.

В банной печи «РусСауна» удается нагреть каменно-чугунную закладку каменки в баке-духовке до температур порядка 450-500⁰С. В баках-духовках старой конструкции, имеющих форму параллелепипеда с боковой дверкой для загрузки камней, редко удавалось нагреть теплоаккумулирующую закладку до температур выше 350-400⁰С к моменту окончания топки печи ( к моменту нагрева стенок печи до температур 80-90⁰С).

Таким образом, по температуре нагрева каменки банная печь «РусСауна» существенно приблизилась к аналогичным показателям ряда кирпичных печей периодического действия с закрытыми каменками фильтрующего (по терминологии Ю.М.Хошева) типа.

За счет чего же это удалось достичь? В указанных выше статьях данный вопрос, с моей точки зрения, не получил должного объяснения. Поэтому я решил исправить возникшее свое упущение и осветить в данной статье причины, позволяющие достичь таких результатов.

Вспомним, что нагрев твердых тел, находящихся в контакте друг с другом и окружающим их воздухом, возможен за счет кондуктивного, конвективного и лучистого теплопереносов.

В банных печах, в которых каменка заключена в металлические баки-духовки, из процесса нагрева теплоаккумулирующей каменно-чугунной закладки практически полностью исключена конвективная составляющая теплопереноса, а лучистая составляющая теплопереноса существенно (по сравнению с каменкой, нагреваемой непосредственно пламенем горящих дров) ослаблена.

Таким образом, в нагреве каменки, заключенной внутри обычной по конструкции металлической духовки, принимают участие только кондуктивная и лучистая составляющие теплопереноса.

Причем соотношение между этими нагревающими каменку компонентами теплопереноса изменяется в процессе нагрева самой каменки, а также зависит от вида, формы, размеров и способа укладки теплоаккумулирующих материалов (камней, чугунных и стальных чушек и пр.) внутри металлической духовки.

Напомним, что кондуктивная передача тепла теплоаккумулирующей закладке внутри бака-духовки происходит от нагретого металлическими стенками воздуха, а также от одного нагретого твердого тела другому менее нагретому телу через их точки соприкосновения друг с другом.

Величина кондуктивного теплового потока q _конд ,Вт/м², возникающего между двумя твердыми нагреваемыми телами, а также между нагретым воздухом и твердыми телами определяется выражением:

q _конд = λ _конд(Т₂-Т₁)/δ = α _конд(Т₂-Т₁), (1)

где λ_конд – коэффициент кондуктивной теплопроводности воздуха (камней, чугуна, стали и т.п.) соответственно, Вт/м*град;

δ – толщина слоя нагретого воздуха (толщина твердого тела), м;

Т₂-Т₁ – перепад температур между нагретым воздухом и нагреваемым твердым телом (либо между более и менее нагретыми твердыми телами), град С;

α _конд = λ/ δ – коэффициент кондуктивной теплопередачи нагретого неподвижного воздуха и от одного нагретого твердого тела другому соответственно, Вт/м²*град.

Величина лучистого теплового потока q _луч, Вт/м², передаваемого слоем нагретых до температуры Т₂камней (чугунных чушек) к слою камней (чушек) с близкой температурой Т ₁, определяется из выражения:

q _луч = σ(Т₂⁴ – Т₁⁴) = σТ₂³а ΔT/Δх= λ_луч ΔT/Δх= α_луч ΔT , (2)

где σ = 5,67*10^-8 – постоянная Стефана-Больцмана, Вт/м²*град⁴;

х – характерная длина пробега излучения, принимаемая среднему размеру пустот между камнями каменки (чугунными и металлическими чушками), м;

λ_луч = σТ³х – коэффициент лучистой теплопроводности материала камней (чушек), Вт/м*град;

α_луч= λ_луч/ Δх — коэффициент лучистой теплопередачи между камнями (чушками), Вт/м²*град.

Причем заметим, что до температур порядка 100-150⁰С при нагреве камней в баке-духовке в общем теплопереносе преобладает его кондуктивная составляющая (q _конд). При более высоких температурах нагрева – начинает преобладать лучистая составляющая теплопереноса (q _луч) (см. ниже Табл.).

Таблица

Температура, ⁰С

100

200

300

400

500

600

700

800

Конвективная

теплопередача

q _конд, кВт/м²

Лучистая

теплопередача

q _луч , кВт/м²

При температурах нагрева до 100-150⁰С кондуктивная теплопроводность каменки определяется (зависит) от ее пористости ε (плотности укладки камней, отношения объема пустот между камнями (чушками) к общему объему каменки).

Как правило, обычная каменка характеризуется степенью пористости ε=0,5 (объем пустот каменки составляет 50% общего объема, занимаемого каменкой).

В этом случае теплопроводность всей каменки составляет около 10% теплопроводности материала самих камней (2-4 Вт/м*град) или приблизительно равна теплопроводности древесины (0,2 — 0,4 Вт/м*град), то есть является весьма малой величиной. С такой пористостью каменка плохо проводит через себя тепло, передаваемое горящими дровами через металлические стенки бака-духовки, и, по сути, является теплоизолятором.

Если камни заменить на металлические болванки (чушки, шары) (а теплопроводность металла, как известно, ~ в 10 раз выше теплопроводности камня и в ~ 1000 теплопроводности неподвижного воздуха), но при этом оставить пористость каменки прежней (то есть, на уровне ε=0,5), то суммарная теплопроводность каменки хоть и повысится, но незначительно ( всего до 0,3-0,5 Вт/м*град).

Напрашивается вывод, что в закрытую в металлическую духовку-каменку следует укладывать камни (чушки) как можно более плотно (и при этом уменьшать их размер).

Но не все так просто.

Как уже отмечалось выше, при температурах нагрева камней (чушек) выше 200⁰С в их нагреве все большую роль начинает играть лучистый теплоперенос. А он, как видно из формулы λ_луч = σТ³х, прямо пропорционален длине пробега теплового излучения между камнями (чушками) каменки. То есть, чем свободнее уложены камни (чушки) в духовке, тем лучше, тем сильнее они нагреваются лучистым теплопереносом.

Исследования показали, что уже при размере камней в 5 см лучистая теплопроводность каменной засыпки в духовке при Т=600⁰С сравнивается с теплопроводностью материала самих камней (то есть с теплопроводностью каменки максимально плотной упаковки с ε→0).

Таким образом, получаем противоречие: для низких температур нагрева лучше уменьшать пористость каменки, а для высоких температур – пористость закладки каменки следует увеличивать!

Как же быть?

Оптимальные свойства (в смысле нагрева) каменок в закрытых металлических духовках достигаются при высокой теплопроводности внутренних глубинных областей каменки (это обеспечивает достижения равномерности прогрева ее внутренних слоев) и при низкой теплопроводности внешних слоев каменки (обеспечивает минимальные потери тепла каменкой через стенки духовки).

Внутренние и нижние слои каменки в металлических духовках следует выкладывать из наиболее теплопроводных материалов (например, металлических чушек), плотно уложенных и контактирующих друг с другом и с днищем металлического бака-духовки (с минимальной пористостью ε→0). Это может быть достигнуто укладкой чушек правильной геометрической формой в виде кирпичей (параллелепипедов).

Если же не удалось найти чугунных (металлических) брусков такой формы, то низ и середина каменки должны быть выложены из крупных камней. Это позволит выровнять температурное поле внутри каменки за счет высокой лучистой теплопроводности.

В свою очередь, внешние слои таких каменок должны быть выложены как можно более рыхло, причем из камней как можно более мелкого размера, чтобы уменьшить и и кондуктивные, и лучистые теплопотери.

Но все эти манипуляции с содержимым каменки, заключенной в металлический бак-духовку, позволяют в какой-то мере улучшить (повысить) прогрев парообразующей закладки. Однако, геометрические размеры и форма самого бака-духовки, в свою очередь, накладывают определенные ограничения как на возможность закладки определенного количества и вида теплонакопительных материалов, так возможного способа их укладки в конкретной духовке.

Причем, в подобных духовках с проемом для закладки, находящемся на одной из боковых ее (духовки) сторон, в нагреве каменки отсутствует конвективная составляющая теплопереноса.

В баке-духовке для камней, сконструированным И.В.Кузнецовым для своей банной печи «РусСауна», конвективная составляющая нагрева парообразующей закладки появляется. Это стало возможным благодаря новой конструкции бака-духовки и изменения внутренней архитектуры банной печи под установку в нее бака данной конструкции.

Что касается конструкции бака, то бак-духовка представляет собой металлический бак прямоугольной формы, в верхнюю плоскость которого вварены 2 паровыводящих трубы высотой, практически равной высоте самого бака (см. фото в начале данной статьи и рис. ниже).

SHEMA_PECHI_2

Сверху бака также находится отверстие квадратной формы, через которое в бак загружаются камни и металлические и чугунные элементы (чушки, ядра, колосники и т.п.).

Данное отверстие закрыто крышкой, в которую вварена воронка для поддачи на нагретые камни порций воды для парообразования. С обратной стороны данной крышки к воронке приварен кусок полой и заваренной по торцам трубки. По всей длине трубки просверлен ряд отверстий малого диаметра для относительно равномерного разбрызгивания на нагретые камни порций заливаемого в воронку кипятка. Данный отрезок трубы с отверстиями служит своеобразным гидрозатвором и не дает возможности пару выходить из бака наружу через лейку.

Преобразованные нагретыми камнями порции кипятка в пар имеют возможность покинуть бак исключительно через нижние срезы паровыводящих труб. А нижние срезы данных паровыводящих труб находятся всего в 40-50 мм от днища бака.

Подобная конструкция бака-духовки дала возможность получить на выходе из бака перегретый водяной пар, находящийся исключительно в газообразном состоянии и не содержащего капельно-жидких фракций воды.

Но самое главное нововведение в конструкции бака, которое дало возможность нагревать находящуюся внутри него пароорбразующую закладку до более высоких температур (до 450-500⁰С), по сравнению с баками старой конструкции (позволяющими греть камни до 350-400⁰С), это присутствие в баке именно данных паровыводящих труб и способ размещения бака внутри печи.

За счет некоторой неравномерности начала нагрева отдельных мест каменно-чугунной закладки внутри бака в процессе топки печи и своеобразного обтекания самого бака внутри печи дымовыми газами через бак возникают конвективные воздушные потоки воздуха. Данные потоки (при открытых оголовках паровыводящих труб) способствуют не только более быстрому прогреву парной, но и привносят в нагрев каменно-чугунной закладки конвективную составляющую теплопереноса.

Именно появление этой дополнительной составляющей теплопереноса, а также наличие в банной печи камеры дожига летучих, расположенной в верхней части топливника и располагающей развитой подачей в нее подогретого «вторичного» воздуха, позволило нагревать камни до более высоких температур.

На этом, пожалуй, прервемся.

Выводы.

В качестве основного вывода можно констатировать, что среди всего многообразия кирпичных печей постоянного действия с закрытыми и открытыми каменками банная печь «РусСауна» занимает по совокупности эксплуатационных параметров лидирующее место.

До встречи!