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

08 Авг

ScreenShot_01_300x300 Продолжим, начатое ЗДЕСЬ.

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

F_з = В_часV₀(1+(t_в/273))/(3600*v), (1)

где:

F_з – площадь входного отверстия зольника, м²;

В_час – часовой расход топлива (сжигаемых за 1 час дров), кг/час;

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

t_в – температура подаваемого в печь воздуха, ⁰С;

3600 – количество секунд в 1 часе;

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

F_з = 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 F_х (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 t_в 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.

F_х = 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 Q_час = 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]:

Q_восп= Q_т+ Q_кам+Q_оп.к +Q_под.к =(β_т*f_т + β_кам*f_кам + 2β_оп.к*f_оп.к + 2β_под.к*f_под.к )*m, (2)

где:

Q_восп – тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями печи, ккал;

Q_{т –} тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями топливника печи, ккал;

Q_кам_–тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями каменки печи, ккал;

Q_оп.к_–тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями опускного канала печи, ккал;

Q_под.к_–тепло, воспринимаемое внутренними поверхностями подъемного канала печи, ккал;

f_т, f_кам, f_оп.к, f_под.к – площади внутренних тепловоспринимающих поверхностей топливника, каменки, опускного и подъемного дымовых каналов печи, м²;

β_т, β_кам, β_оп.к, β_под.к – соответствующие этим поверхностям коэффициенты тепловосприятия, ккал/м²*час.

m – продолжительность 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:

Q_восп=24*Q_час =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:

Q_{восп.топл}= β_т*f_т*m, (4)

где

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

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

Q_{восп.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.сис}_т = Q_восп — Q_{восп.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;

ΔT – разность 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 С_ч=540 Дж/кг*⁰С) и камни породы диабазов или базальтов (со средней теплоемкостью С_кам=800 Дж/кг*⁰С) общей массой 300 кг.

Для расчетов примем, что чугуна и камня в каменке будет поровну (по М_ч=М_кам=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 Q_{кам 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:

V_кам = 0,38*0,97*0,77 = 0,284 м³.

Объем закладки, состоящей из чугуна и камней, равен:

V_{закладки} = (М_ч/ρ_ч + М_ж/ρ_ж)/η =(150/7200+150/2800)/0,5 = 0,150 м³, (7)

где:

ρ_ч= 7200 кг/м³ – плотность чугуна;

ρ_ж = 2800 кг/м³ – средняя плотность камней.

η = 0,5 — средний коэффициент пористости каменки (отношение объема пустот V_пустот в объеме, занимаемом каменно-чугунной закладкой V_{закладки}, к объему V_{закладки}).

Сопоставляя величины V_{закладки}=0,150 м³и V_кам=0,284 м³ видим, что выбранное нами количество чугуна и камней свободно поместится в печи: V_{закладки}‹ V_кам.

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 V_{закладки} =300/2800*0,5=0,214 м³ и (гипотетически) может поместиться внутри каменки с объемом V_кам=0,284 м³.

А мы продолжаем.

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

Q_кам = (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 β_кам(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):

Q_{конв.сист} = 122 920 – 67 588 – 33 600 = 21 732 ккал. (9)

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

F_{конв.сист} = Q_{конв.системы} /m*β_ср, м²(10)

где

β_ср= (2β_оп.к + 2β_под.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:

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

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

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

Тогда

F_{конв.системы} = Q_{конв.системы} /m*β_ср = 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:

l_{конв.сист} = F_{конв.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*B_час*(1+t _{в канале}/273) =V₀*B_час*(1+t _{в канале}/273), м³ (15)

где

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

B_час— часовой расход сжигаемых в топливнике дров, кг/час;

t _{в канале} – температура 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 v_{в опуск.кан.} ≤ 4 м/с, а в последнем (подъемном) дымовом канале – v_{в 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:

V_{в 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}= V_{в 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:

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

При сечении каждого из опускных каналов равном

F_{под.кан} ⁼0,19×0,25 (0,75×1,0 кирпич)=0,0475 м² (18)

скорость дымовых газов в нем будет

v_под_.кан= V_{в под.кан} /(3600* F_{под.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.

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.

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.