Строим русскую баню по уму

Просмотров: 3 075

Настоящая статья открывает собой ряд статей, посвященных изложению методики расчета требуемой кирпичной банной печи для конкретной парной конкретной паровой русской бани.

До сих пор мне не посчастливилось напасть на след проведения кем-либо расчетов,  аргументировано доказывающих, что именно такая-то кирпичная банная печь  является наиболее подходящей для вполне конкретной русской бани.

Исходя из этого факта, а также того обстоятельства, что данный вопрос представляет для многих любителей русской паровой бани определенный и неподдельный интерес, я взял на себя смелость предложить вниманию всех заинтересованным в этом лиц методику подобных расчетов.

Итак, известно, что основными требованиями, предъявляемыми к кирпичной банной печи с закрытой (размещенной внутри печи) каменкой являются:

—  во-первых, печь  должна быть способна нагреть до возможно более высоких температур (не менее 350 ⁰С, а желательно, и выше) каменную закладку заданных размеров, за как можно более короткое время и, желательно, при минимальном расходе дров. Размер и температура нагрева каменной закладки будет определять количество воды, которую можно будет преобразовать на такой каменке в сухой насыщенный перегретый пар;

— во-вторых, банная печь должна быть способна создать и удерживать заданное время внутри бани требуемые температурные режимы (прогреть ограждающие конструкции помещений бани до требуемых нам температур и восполнять потери тепла помещениями бани на протяжении всего времени пользования баней);

—  в- третьих, печь не должна перегревать парную за то время, пока греется каменка. Температура воздуха и температура ограждающих парную элементы конструкции (стен, потолка, пОлоков, пола) не должна на момент окончания нагрева каменки превышать 45-50⁰С.

— в-четвертых, печь должна быть способна быстро и за относительно минимальное время поднять температуру воздуха в парной до значений 70-80⁰С, а температуру ее ограждающих конструкций  до 60⁰С (в среднем).

Еще одним требованием, которое можно предъявить к кирпичной банной печи, является способность печи нагреть за время топки требуемый объем горячей воды до за заданной температуры, не превышающей 100⁰С.

Но, с моей точки зрения, этот список должен быть дополнен еще одним требованием, которое следует предъявлять к банной печи, а именно, способность печи обеспечить нагрев каменки до требуемых нам  температур и равномерно прогреть парную до отметки 45-50⁰С за одно и то же минимальное время.

Как правило, достичь выполнения данного требования кирпичной банной печью является наиболее сложной задачей.

Мы не говорим уже о том, что данное требование является практически невыполнимым для металлических банных печей.

Теперь, когда мы определились с требованиями, которым должна соответствовать кирпичная печь-каменка для паровой русской бани, самое время перейти к рассмотрению методики расчетов такой печи для конкретной парной.

При разработке методики расчета требуемой для паровой русской бани кирпичной печи использовалась литература, приведенная в конце данной статьи.

Предлагаемая методика и приводимые по ней расчеты носят упрощенный характер и не претендуют на абсолютную точность получаемых результатов.

Однако изложенные подходы к расчету требуемой для конкретных условий кирпичной печи, с моей точки зрения,  дают направление, в котором должны двигаться мысли тех, кто решил подобрать для своей бани подходящую ей кирпичную печь-каменку.

Итак, всю методику расчета необходимой для конкретной парной конкретной бани конкретной кирпичной банной печи мы условно разобьем на три этапа.

На первом этапе будут рассматриваться порядок определения величины тепловых затрат, идущих на нагрев внутреннего пространства бани (воздуха и ограждающих конструкций отдельных ее помещений), а также затрат тепла, идущих на компенсацию тепловых потерь баней через ограждающие ее конструкции в течение периода приема банных процедур. На этом же этапе расчетов определим количества тепла, требующегося для нагрева печью нужного нам количества горячей воды. Также на данном этапе расчетов определим количество тепла, необходимого для получения требуемого количества сухого перегретого пара для создания в парной требуемых нам паровых режимов.

Именно этот суммарный объем тепла должна будет саккумулировать в своей массе (в т.ч. в каменке) наша будущая кирпичная банная печь.

На втором этапе мы рассмотрим порядок определения основных характеристик банной печи, способной покрыть определенные на первом этапе расчетов затраты тепла баней и ее отдельных помещений.

На третьем этапе рассмотрим способ расчета основных конструктивных элементов банной печи, способной удовлетворить озвученные выше требования и сгенерировать объем необходимого тепла.

Все расчеты будут продемонстрированы на примере бани определенных размеров с заданной планировкой, характеризующейся вполне определенными  физическими и теплотехническими параметрами.

Пояснение выполняемых действий будут комментироваться в процессе проведения расчетов.

Исходные данные. 

• Баня представляет собой одноэтажное строение с размерами сторон 6×6 м (рис.1).
•  Материал внешних стен бани – деревянный брус толщиной 200 мм.
• Материал внутренних стен бани — деревянный брус толщиной 150 мм. Планировкой бани предусмотрено наличие комнаты отдыха, моечной и парной.
• Высота потолков в бане – 2,5 м.
• Чердак – не утепленный. Толщина конструкции чердачного перекрытия - 200 мм. Материалы, используемые в конструкции потолка – деревянная доска (60 мм —  парная и 30 мм - КО и моечная) + слой минваты 200 мм.
• В комнате отдыха предусмотрен проем во внешней стене с размерами сторон 1200×800 мм и вставленным в него деревянным оконным блоком с одинарным стеклопакетом.
• Точно такие же оконные блоки предусмотрены для установки в парной и моечной, но только с размерами сторон блоков 600×500 мм. В окнах установлены однокамерные стеклопакеты с обычным стеклом и толщиной воздушной прослойки между стеклами 10 мм.
• Входные и внутренние двери бани – деревянные, одинарные, толщиной 60 мм.
• Пол во всех помещениях бани – плитка по цементной стяжке, уложенная поверх керамзитной засыпки толщиной 500 мм по грунту. Считаем, что грунт под баней не промерзает и имеет температуру – t_гр=0⁰С.
• Температура воздуха, поддерживаемая в помещениях бани: комната отдыха –  t_в =23⁰С, парная — t_в = 60⁰С, моечная — t_в = 38⁰С. Температура наружного воздуха (для расчетов берется одна из характерных отрицательных зимних температур) - t_н = -20⁰С.

 

Рис.1

Порядок расчета, который будет нами предпринят, следующий.

1.Определяем затраты тепла на прогрев ограждающих конструкций    помещений бани до требуемых нам температур.

Определяем часовые тепловые потери каждым из помещений бани и бани в целом через ограждающие конструкции.

Определяем количество тепла, затрачиваемого печью для нагрева заданного количества воды до заданной температуры.

Определяем количество тепла, требуемого на преобразование каменкой заданного количества воды в сухой перегретый пар для создания необходимой нам паровоздушной обстановки в парной во время парения.

Определяем общие затраты тепла, которые призвана будет саккумулировать в себе будущая кирпичная банная печь, чтобы выполнить все перечисленные выше задачи.

2. Определяем геометрические размеры банной печи (площади ее теплоизлучающих поверхностей) и ее ориентацию по отношению к помещениям бани.
3. Производим теплотехнический расчет внутренних элементов конструкции банной печи (топливника, колосниковой решетки, площади поддувального отверстия, конвективной системы).
4. Подбираем банную печь (по готовым проектам, имеющимся порядовкам, либо проектируем свою банную печь), удовлетворяющую полученным расчетным данным.

 

В этом посте будет рассмотрен первый этап расчетов, посвященный определению суммарных затрат тепла, необходимых для прогрева помещений бани до требуемых температур, почасовых и общих затрат тепла баней за планируемое время принятия банных процедур, затрат тепла, требуемых для нагрева требуемого количества воды и преобразования нужного нам объема предварительно нагретой воды в сухой насыщенный пар для парообразования.

Итак, приступим.

Примем, что средняя температура воздуха в парилке и температура ее ограждающих конструкций (потолка, стен) за время приема бани составляет 60⁰С. Среднюю температуру пола в парилке при этом примем (условно) равной 30⁰С.

Также учтем, что до заданных температур эти поверхности (условно) прогрелись на глубину 20 мм. Остальная толщина ограждающих конструкций имеет температуру окружающей баню среды (t_н = -20⁰С и t_гр=0⁰С).

Температуру стен и потолков  моечной и комнаты отдыха на глубине 20 мм от их поверхностей примем равной t_в = 38⁰С (моечная) и t_в = 23⁰С (комната отдыха). Полы в этих комнатах прогрелись до температуры t_в = 18⁰С на эту же глубину.

Количество тепла Q, Вт*час, требуемого для нагрева тела (воздуха) массой m,кг с удельной теплоемкостью С, Вт*час/кг*град на ΔТ=(t_в-t_н),⁰С равно

Q=mС(t_в-t_н).                     (1)

Поскольку стены и потолок у нас деревянные, а пол – плитка по бетонной стяжке, то для нагрева этих конструкций толщиной в 20 мм, а также воздуха в отдельных помещениях бани у нас будет затрачено тепла, общее количество которого отражено в табл.1.

Таблица 1

Как видно из таблицы, чтобы прогреть ограждающие конструкции внутренних помещений бани до «стартовых» температур (температур начала банного процесса) для бани данных размеров в соответствующем конструктивном исполнении требуется затратить порядка 52,16 кВт тепловой энергии, что, скажем, совсем немало. Это эквивалентно теплу, выделяющемуся в результате сгорания 13,6 кг дров с относительной влажностью 25% и теплотворной способностью 3 300 ккал/кг (3,84 кВт/кг).

Теперь оценим величину тепловых потерь, которые будет терять протопленная баня ежечасно через свои ограждающие конструкции (стены, потолок, пол).

Количество теплоты q Вт/м², которое проходит через поверхность ограждения площадью S, м² за 1 час, равно

Q=S ( t_в-  t_н)/R₀,    (2)

где

S – площадь ограждающей помещение (здание) поверхности, м². Площадь наружных ограждающих конструкций берется по внутренним размерам помещения (здания);

t_{в  –} температура на внутренней стороне ограждающей конструкции, ⁰С;

t_н —   температура с внешней стороны ограждающей конструкции, ⁰С;

R₀ – общее сопротивление теплопередачи ограждающей конструкции, м²х⁰С/Вт.

R_{0 =} R_в + R_н + R_вп + R_к = 1/α_в + 1/α_н + R_вп + Σδ_i/λ_i,       (3)

где

R_в, R_н – сопротивления теплообмену на внутренней и наружной поверхностях ограждения. Термическое сопротивление теплообмену оконных проемов принимается по Приложению 6 СНиП II-3-79 [4];

R_вп – термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, находящейся в толще ограждающей конструкции (не путать с воздухом, заключенным в стеклопакеты), принимаемый по Приложению 4 СНиП II-3-79. В нашем примере таких прослоек нет. Т.е. при расчетах принимается R_вп = 0;

R_к – термическое сопротивление отдельных слоев, составляющих ограждающую конструкцию;

α_в, α_н – коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях теплообмена, Вт/м²х⁰С;

δ_i – толщина слоя материала в ограждении, м;

λ_i – расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/м х ⁰С, принимаемый по Приложению 3 СНиП II-3-79.

Справка. Для нашего примера α_в = 8,7 Вт/м²х⁰С;  α_н = 23 Вт/м²х⁰С (для стен) и α_н = 12 Вт/м²х⁰С (для чердачного перекрытия и полов) [2];

Все сделанные расчеты тепловых потерь отдельными помещениями и всей бани в целом сведены в единую таблицу (Табл.2).

Таблица 2

Из Таблицы 2 видно, что часовые общие тепловые потери бани (при заданных «стартовых» температурах прогрева ограждающих конструкций различных помещений бани) составляют 3 477 Вт, в том числе: комната отдыха – 1 141 Вт, моечная – 804 Вт и парная – 1 531 Вт.

Именно эти потери тепла баней через свои ограждающие конструкции и должна будет восполнять ежечасно будущая банная печь (после того как будут прогреты ограждающие конструкции бани до указанных «стартовых» температур) за счет запасенного в своей массе (в т.ч. и каменке) тепла.

Сопоставляя значения тепла, требуемого на начальный прогрев ограждающего модуля бани (Табл.1), с количеством тепла, ежечасно теряемого баней через свои ограждающие конструкции после своего начального прогрева (Табл.2), можно сделать следующие выводы:

1. Количество тепла, идущего на стартовый прогрев бани, определяется теплотехническими характеристиками материалов, использованных для ее строительства.  Величина таких тепловых затрат может быть сопоставима и даже превышать величину затрат тепла, идущих на создание и поддержание нужных температурных режимов внутри помещений бани и теряемых баней за время ее пользования.

 

Так, например, на восполнение тепловых потерь нашей гипотетической баней через свои ограждающие конструкции за 8 часов ее пользования (6 часов на пользование баней и еще 2 часа на ее сушку) нам потребуется 3,477 кВт/час * 8 час = 27,8 кВт тепла, которое должна будет сакуммулировать в себе, а затем отдать наружу наша банная печь.  В то же время количество тепла, требующегося на начальный прогрев бани, составляет 52,16 кВт (см.Табл.1).

Поэтому вопросу подбора материалов  для строительства бани  должно быть уделено особое внимание. Теплотехнические характеристики теплового контура бани будут определять требования, которым должна будет удовлетворять будущая банная печь.

        2. Количество тепла, идущего на стартовый прогрев бани, существенно зависит от внешней температуры.

В таблице 3 и таблице 4 приведен расчет величин тепла, идущих на нагрев конструкций бани и теряемых ею через эти конструкции, при температуре наружного воздуха t_н = 0⁰С.

Таблица 3

Таблица 4

Мы видим, что от повышения «стартовой» температуры наружного воздуха с t_н = -20⁰С до t_н = 0⁰С потребность в необходимом объеме тепла сократилась на ~ 30% (с 52,16 кВт до 36,33 кВт) для прогрева слоя обшивки бани толщиной 2 см и на ~ 30% (с 3,477Вт до 2,432 кВт) для восполнения тепла, ежечасно теряемого баней через свои ограждающие конструкции.

Отметив данное обстоятельство, продолжим наши расчеты.

Используя формулу (1), рассчитаем количество тепла Q_наг, которое будет затрачено нашей будущей банной печью для нагрева, например, 90 литров воды до температуры 90⁰С. Почему в качестве примера для расчетов нами будет использована величина, равная 90 литров воды можно ознакомиться ЗДЕСЬ .

Q_наг = 4,2*90*(90-10)*0,2778*10^-3 = 8,4 кВт,

где,

4,2, кДж/кг*⁰С – теплоемкость воды; 90, л – объем нагреваемой печью (регистром ГВС) воды; (90-10), ⁰С – конечная и  начальная температуры нагреваемой воды; 0,2778*10^-3 – коэффициент перевода кДж в кВт.

И, наконец, рассчитаем количество тепла, требующееся для испарения, например, 25 литров воды (предварительно нагретой до 90⁰С) в сухой перегретый пар при поддачи их на каменку. Сухой перегретый пар используется для создания в парной требуемых паровых режимов (в т.ч. и для пропитки влагой деревянного потолка парной). О роли, которую играет деревянный потолок в парной русской бани и в создании требуемых величинах его влажности, можно ознакомиться ЗДЕСЬ.

Общие затраты тепла по преобразованию 25 литров воды с начальной температурой 90⁰С в 25 кг сухого перегретого пара (Q_пара) будут равны:

с температурой 700⁰С (условная температура нагрева камней в каменке)

Q_пара = (4,2*25*(100-90)+2260*25+1,86*(700-100)*25)*0,2778*10^-3=23,7 кВт,

где

4,2, кДж/кг*⁰С – удельная теплоемкость воды; 25, л – объем преобразуемой печью воды в перегретый пар; (100-90), ⁰С – конечная и  начальная температуры нагреваемой воды до точки кипения; 2 260, кДж/кг – скрытая теплота парообразования воды при температуре кипения 100⁰С; 1,86, кДж/кг*⁰С – удельная средняя теплоемкость водяного пара; (700-100), ⁰С – конечная и начальная температуры перегретого пара (принято, что каменка нагрета до 700⁰С); 0,2778*10^-3 – коэффициент перевода кДж в кВт.

Таким образом, общее количество тепла, которым должна будет обеспечить нашу баню будущая кирпичная печь-каменка, будет равно:

ΣQ= 52,2+27,8+8,4+23,7=112,1 кВт.

Приняв во внимание все перечисленные выше факторы, обстоятельства и расчеты, можно переходить к вопросу подбора для конкретной (имеющейся или планируемой к постройке) бани требуемой кирпичной банной печи.

А вот какой должна быть такая печь (по своим геометрическим размерам, массе и конструкции) мы уже рассмотрим в следующих постах.

Выводы.

1. В этом посте мы перечислили и конкретизировали требования, которым должна отвечать кирпичная банная печь.
2. Наметили порядок расчета кирпичных печей для русских паровых бань.
3. Оценили величину требуемой тепловой энергии для нагрева бани, характеризуемой конкретными теплофизическими характеристиками и геометрическими параметрами для конкретных климатических условий.
4. Произвели оценку величины тепловой энергии, требующейся на поддержание в помещениях бани в течение заданного промежутка времени ее использования требуемых температурных режимов.
5. Произвели оценку величины тепловой энергии для нагрева заданного объема воды и производства заданного количества перегретого сухого пара для создания в парной требуемой климатической обстановки.
6. Рассчитали суммарный объем тепловой энергии, который должна будет обеспечить будущая банная печь.

 

На этом прервемся.

Продолжение следует…

Пока!

Литература.

1. Школьник А.Е. Печное отопление малоэтажных зданий. М., Высшая школа, 1991.
2. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 1, Отопление. М., Стройиздат, 1990.
3. ГОСТ 2127-47. Печи отопительные, теплоемкие. Нормы проектирования. М., 1948.
4. СНиП II-3-79. Строительная теплотехника. М., Госстрой России, 1998.

 

Другие статьи на эту тему:

• Банная «Печь В Кубе» Игоря Васильева. Дайджест. Продолжение
• Банная «Печь В Кубе» Игоря Васильева. Дайджест
• Банная печь с нагревом каменки обращенным пламенем «BackFire»
• Банные печи с пламенным прогревом каменки. Подведение некоторых итогов по прошествии 5 лет строительства и эксплуатации печей подобного типа
• Банная печь по мотивам «Печи В Кубе» Игоря Васильева