Оценка теплового баланса банной металлической печи

Спасибо Юрию Михайловичу, подвигшего меня своими размышлениями на эту тему и эти расчеты.

Итак, исходные данные для расчетов
Банька, описанная в https://www.forumhouse.ru/threads/39227/ (там есть планировка)
Температура наружнего воздуха 0 градусов.
Цифры, приведенные далее, взяты на основании опыта использования бани и печи Ермак-Элит 16Т более двух лет

Попытаемся подсчитать тепловой баланс на основе этой информации

Подготовка бани занимает при таких исходных данных 2 часа, при этом сжигается около 10 кг сухих дров
В результате имеем:
парилка, прогретая в среднем до 60 градусов, моечная - 35 градусов, комната отдыха - 20 градусов
бак воды 50 литров, нагретый до 80 градусов

Тепла выделилось от сжигания дров 10 000 кДж/кг (типовая удельная теплота сгорания древесины) х 10 кг = 100 000 Кдж
Это соответствует средней мощности 100 000 кДж / 7200 сек (2часа) ~ 14 кВт - хорошее совпадение с данными производителя

Значит, что на все, про все у нас есть 100 000 КДж, попробуем вычислить, куда ушло это тепло.

1. Вода в баке отняла 4.2 кДж/кг*гр Х 75 гр (75=80-5 температура воды из колодца) Х 50 кг ~ 16 000 кДж (16% общего объема тепла)

2. Воздух попробуем посчитать следующим образом
а)парная 8.5 кубов Х 1.3 кг/куб (плотность воздуха) = 11 кг
11 кг Х 1 кДж/кг*гр (удельная теплоемкость воздуха) Х 60 гр ~ 660 кДж

б) моечная 7.4 кубов Х 1.3 кг/куб = 9.6 кг
9.6 кг Х 1 кДж/кг*гр Х 35 гр ~ 340 кДж

в) комната отдыха 13.5 кубов Х 1.3 кг/куб = 17.5 кг
17.5 кг Х 1 кДж/кг*гр Х 20 гр ~ 350 кДж

Итого по воздуху имеем 660 + 340 + 350 = 1450 кДж

Учтем воздухообмен, имеющий место быть
Пусть воздух менялся полностью за 2 часа 6 раз (20 минут на обмен), тогда полные затраты тепла на воздух ~ 1450 Х 6 = 8700 кДж
В общем не так много получилось, менее 9 %

3. Печь. Печь в упрощенном варианте состоит из:

металл сталь 60 кг, прогрета в среднем до 250 гр
60 кг Х 0.44 кДж/кг*гр Х 250 ~ 6600 кДж

камень 70 кг, прогрет в среднем до 200 гр
70 кг Х 0.8 кДж/кг*гр Х 200 ~ 11200 кДж

кирпичная стенки и подиум печи 200 кг, прогреты в среднем до 50 гр
200 кг Х 0.84 кДж/кг*гр Х 50 ~ 8400 кДж

Итого по печи 6600 + 11200 + 8400 = 26200 кДж (~ 26% объема тепла - существенный вклад)

4. Брус-дерево
тут больше всего допущений, но тем не менее попробуем оценить кол-во тепла на его прогрев

а) Парилка: учтем только вагонку которой она оббита, потому как дальше идет теплоизоляция и можно считать, что тепло туда не уйдет
22 кв.м (площадь оббивки) Х 0.009 м (толщина вагонки) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 120 кг

120 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 60 гр ~ 12 000 кДж

б) Моечная: используется брус, допустим, что брус прогрелся до 17 градусов (половина температуры воздуха) на глубину в 5 см (это половина его сечения в 10 см)
Площадь бруса в моечной ~ 12 кв.м.
12 кв.м Х 0.05 м (толщина прогрева) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 360 кг

360 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 17 гр ~ 10 000 кДж

в) комната отдыха: используется брус, допустим, что брус прогрелся до 10 градусов (половина температуры воздуха) на глубину в 5 см (это половина его сечения в 10 см)
Площадь бруса в КО ~ 24 кв.м.

24 кв.м Х 0.05 м (толщина прогрева) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 720 кг

720 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 10 гр ~ 12 000 кДж


Итого на нагрев дерева ушло 12 000 + 10 000 + 12 000 = 34 000 кДж (львиная доля тепла, однако)

и всего на полезный нагрев получается 16 000 (вода) + 8700 (воздух) + 26 200 (печь) + 34 000 (сруб) ~ 85 000 кДж

Оставшиеся 15 000 кДж улетели в трубу с газами.

полученный КПД = 85%, по-моему очень неплохо

Я понимаю, что в расчетах достаточно много допущений, особенно при расчете по срубу, но в любом случае, результат довольно любопытный.

 

Спасибо за расчеты!
Только, если используя ту же методику и вводные данные посчитать теплопотери с отходящими дымовыми газами данное утверждение будет верно лишь для температуры в 200 градусов.
Считаем:
Сечение дымового канала в 110 мм, имеем площадь сечения 0,05м х 0,05м х3,14 = 0,00785м2
при минимаьной скорости движения газов в канале 1 м/с за 1 час 3600 секунд получаем объем газов равный 28,26 м3, за два часа 56,52 м3.
Умножаем на 1,3 кг/м3 = 73,476 кг
Для температуры в 200 градусов теплопотери составят:
73,476 х 1 кДж/кг*гр (удельная теплоемкость воздуха) х 200 гр = 14 695 кДж
Однако, производиели нам сообщают, что температура дыма может достигать 400 , 650 и 750 градусов.
Так что если температура дымовых газов будет в среднем значении достигать хотябы 400 градусов. Общие теплопотери составят около 30 000 кДж, а это составляет 30% от образующегося тепла, что говорит о КПД банных печей в 70%!
Или я где-то ошибся?

 

Нашел полезную статью

http://www.istok59.ru/61-mexanizmy-teplosyoma-v-pechax.html

Потом стандарт для расчета

http://www.ruspech.com/index13-2.html

Способы увеличения кпд печи

http://www.curbala.ru/p0067.htm

Потом вычитал фразу

"Высокая производительность - благодаря вышеописанным системам вторичного дожига (двухконтурный топливник с перфорацией), длительного горения (регуляторы подачи воздуха в камере вторичного дожига чугунной печи), конвекционных каналов (отвод горячего воздуха по сторонам или в смежные помещения), термо - вставкам в топливнике (шамотные пластины, повышающие теплоёмкость камеры печи) и внешней отделке керамикой, КПД металлических печей - буржуек достигает 80%; для сравнения: КПД кирпичных печей и каминов значительно зависит от "сухости" кладки тела печи\камина и дымохода; КПД кирпичного камина не превышает 25%, значение КПД отопительной печи (в идеальном состоянии печи и дымохода) существенно выше каминного, но не более 70%. "

Задумался, всегда считал кпд прямоточки не выше 30 %. КПД паровоза 5-10%!

 

Алексей, спасибо за комментарий

Не думаю, что в Ваших расчетах есть существенная ошибка. Скорее всего, температура на выходе трубы на улицу выше 200 градусов. У меня нет к сожалению термопары для ее определения, но думаю, что она в районе 250 - максимум 300 градусов. Я по интенсивности ИК могу сказать, что 400 градусов там нет точно, руку можно держать на расстоянии в 20 см без проблем.

И данные, которые приводит Сергей ZYBY тоже говорят, что 85% - это фантастично много и скорее всего следствие допущений в расчетах. Однако если считать температуру в 275 градусов, то получим примерно потери в 20 000 кДж и КПД в 80 %, что уже более похоже на правду.

Основной целью проведенных расчетов было не определение КПД, хотя и эта цифра очень интересна, а понимание распределения тепла по его потребителям (воде, воздуху, печи, срубу), и выводы, которые можно сделать на основании расчетов.
1. Нагреваемая вода забирает существенную часть мощности (15-20%). Если планируется печь с регистром, надо предусмотреть запас процентов в 20.
2. Обшивка вагонкой парилки существенно уменьшает необходимое количество тепла на ее прогрев. Если посчитать ее как сруб (аналогично моечной) то на прогрев парилки уйдет не 12 000 кДж, а все 30 000, и соответственно потребуется больше времени и дров.
3. Можно дополнить каждому, что покажется важным.

Сергей, спасибо, за ссылки
Я глянул их краем глаза, информации много, а по методике определения КПД печей, ИМХО даже приборов братьев РусПарычей не хватит промерить

 

По п 2. хотелось бы добавить, чтобы было понимание. На прогрев даревянного массива парной (сруб или липовый горбыль) и аккумулирование тепла массивным кирпичным экраном уйдет дополнительное количество тепла - это верно. Но, это несоизмеримо с пользой для того, что эти элементы привнесут в кондиции парной и (ОСОБО) во время их поддержания!
Поэтому есть смысл добавить немного дров, но за то получить НЕЧТО более существенное, чем просто от печи без зкрана и тоненькой вагонки! Это для меня аксиома. И на этом экономить - нет смысла. Мои ощущения и заключения руспаровцев совпадают!

 

Сергей, если ты заметил, я никак не откомментировал (в плане хорошо это или плохо) заметный рост расхода тепла на прогрев при необшитом срубе. Каждый может решить сам для себя, что для него важнее.
Более того, на русбанях сейчас тема обсуждается, что чел с Малюткой Ферингера не может прогреть сруб, хотя топит из всех сил. Исходя из расчетов, подобных моему, можно прикинуть, что если он обошьет вагонкой, то проблема уйдет, или на сколько более мощную печь ему надо приобрести вместо Малютки для решения проблемы.

 

Да, Николай, поэтому я и не ругался! Попробывал откоментировать напрасную бережливость! Написал, именно, для понимания!

Раз человек не может прогреть сруб отличной печью, значит ему нужно в консерватории что-то подправить! Каких чудаков у нас только нет!

 

Печь отличная, спору нет, только похоже слабовата при его размерах парилки. Интересно, какова мощность Малютки в кВт на максимуме? А КПД ее принципиально не может быть высоким из-за теплоизоляции каменки и удушения конвекции.
Для чего 5_6 щиток у себя строил? Чтобы поднять КПД до максимума. Может и этому челу с русбань подсказать насчет щитка?

 

Николай, я считаю (и писал об этом Сергею 5_6, за это он меня обозвал оппонентом!), что щиток нужен в мыльной для ее обогрева и дальнейшей просушки. В парной ему делать нечего, потому как он разогреется, ну допустим, до 40 град. И в свете тобой поднятой темы будет ЕСТЬ тепло парилки! Потому как там 60 град нужно.

 

Посмотрел на теплоту сгорания дров в нете еще раз, я ориентировался на цифры из Википедии 10,2 МДж/кг, согласно ряду других источников для сухой древесины (~ 10% влажности) она выше и равна примерно 12 МДж/кг

Тогда получаются новые цифры по КПД, более приближенные к реальности

85 000 кДж / 120 000 кДж Х 100% = 71 %

 

В поисках найти мощность Малютки от Ферингера нашел в нете скан паспорта печей, а там любопытная таблица. Мощность то тепловая для Малютки всего 6кВт!

Потому и не прогреть ей сруб.

 

Оппонент, привет!
Зачем допускать? Нужно внимательно читать тему про щиток, там все описано.
Щиток разогревается до температуры 90-100 град - рукой не дотронуться) Поэтому атмосфера в парной определяется именно щитком, здесь его функция подобна КП. И температура держится стабильная 55-60 град даже после проветривания сквозняком в течении 20-30 минут, что и наблюдалось при тестировании.
Дополнительно он обогревает и моечную. А после бани все эти помещения еще и сушит.
Причем, как я уже не раз писал, на все это уходит энергия дымовых газов, которая без щитка улетает в трубу. Удачи

Николай, думаю вряд ли КПД буржуйки прямоточки, какими являются все банные МП, выше 50%. Температура исходящих из печи газов, как уже не раз отмечалось, достигает 700-800 град. И не могут они, двигаясь по прямому пути утепленной тонкостенной трубы сендвича остыть до разумных пределов. Отбирать то тепло от дымовых газов нечему. Поэтому значительная часть энергии сгорания дров просто улетает в трубу.
Но ты прав, что твои расчеты можно принять как примерные оценки, показывающие лишь общую картину относительного распределения тепла сожженных дров.
Вот со щитком общий КПД тандема "МП + Щиток" существенно увеличивается. И его значения могут достигать 70-80%.
Безусловно, только значения измерений температур в каждом конкретном случае могут более четко прояснить эту картину. Удачи

 

Возможно, я разочарую Вас Сергей, но современные металлические банные печи далеко не буржуйки-прямоточки . Достаточно посмотреть на их разрез. Это подтвердит любой профи, занимающийся разработкой печей.

И в плане КПД любой производитель самых дешевых металличек точно выиграет у Ферингера (без дополнительных наворотов типа щитка, естественно).

Два, это никто не заставляет трубу одевать в сендвич, она тоже отдает тепло, если это нужно. Какая именно часть улетает в трубу, можно посчитать зная температуру трубы на выходе из парилки. По моим оценкам она не превышает в моем случае 300 градусов. Очень хочется померить точнее, нет ли термопары у кого-нить на выходные?

 

Вот тут ошибка, потому как температура дымовых газов на выходе из печи у Ферингера ниже чем у этих самых дешёвых металличек , это ещё и без кастрюля и конвектора.
Почему так получается ещё будем обсуждать отдельно, но пока могу сказать, что по концепции АП с которой я вполне согласен

Именно все эти навороты и завороты являются не только не эффективными, но и вредными.

 

А вот с этого места поподробнее, желательно с цифрами, ссылками, патентами концепции АП, и так далее. Правда, очень интересно.

И по поводу вредных наворотов можно поподробнее?