Размышления на тему "Какой быть хорошей банной печи?"

Gleentvein, мет. печи со щитком благодаря 5_6 (Сергею из СП) уже вовсю ставят.
Щиток настолько прост, что его может сложить каждый. Это как кубики или конструктор Лего.

 

Спасибо за полезную идею для еще одного анализа.
Щиток - вещь полезная как в доме (у меня например стоит), так и в бане. И КПД по усвоению тепла у такой системы будет однозначно выше. При этом чем эффективнее печь, тем меньше нужен щиток для нее.
Есть идея просчитать оптимальный вариант системы печь-щиток для разных вариантов КПД печей, основываясь на посылке по мощности печей из начала этой темы и прогрева щитка до скажем 50 градусов за время подготовки парной. Будет время, прикину.

 

Именно благодаря теме Сергея я и "проникся" щитком. Вот думаю печь брать и по весне в уже готовой коробке заливать фундамент под щиток. Ну а сюда решил добавить об этом, поскольку (тут я согласен с предыдущим оратором) тема сама по себе как энциклопедия. и многие, читая ее, будут делать выводы о особенностях выбора печи и строительстве бани вообще. Мне эта тема ОЧЕНЬ помогла бы года два назад.

Было бы интересно увидеть такие прикидки для Классики АПФ - думаю взять эту печь.

 

Ну что же, прикинем оптимальный размер щитка (в числе кирпичей на 1 кВт полезной мощности) для печей с разным КПД.
Исходные данные для расчета будут такие:
Спасибо за уточнение от Misha Misha
Кирпич красный - масса 3.9 кг, теплоемкость 0.84 кДж/кг*гр
Кирпич шамотный - масса 4.1 кг, теплоемкость 0.95 кДж/кг*гр

Будем считать оптимальным щитком такой щиток, который печь за счет своих дымовых газов сможет прогреть за два часа с 0 до средней температуры в 60 градусов (на поверхности около 50) - такой средний летне-зимний вариант.
На выходе щитка будем считать примерная температура дымовых газов 90-100 градусов, что даст ориентировочное значение КПД всей системы в 90%.

Тогда на нагрев одного кирпича на 60 градусов потребуется

3.9 кг х 60 гр х 0,84 кДж/кг*гр = 196 кДж - для красного кирпича
4.1 кг х 60 гр х 0,95 кДж/кг*гр = 234 кДж - для шамотного кирпича

Какова мощность, которую сможет утилизировать щиток?
На 1 кВт эффективной тепловой мощности печи, отдаваемой в парную, ее можно рассчитать так
(0.9 - КПД)/КПД
КПД берем в абсолютных значениях, 0.9 - это озвученные выше 90%

Для примера рассчитаем для печи с КПД в 60%

(0.9 - 0.6) / 0.6 = 0.5 кВт, т. е. на каждый полезный киловатт, отдаваемый в парилку, пол-киловатта может быть использовано щитком.
0.5 кВт х 7200 с (2 часа) = 3600 кДж

Тогда можно рассчитать, сколько кирпичей нужно для утилизации такого количества тепла
3600 / 196 ~ 18 красных кирпичей на 1 кВт полезной мощности печи
3600 / 234 ~ 15 шамотных кирпича на 1 кВт полезной мощности печи

Если печь имеет заявленную мощность в 10 кВт, то соответственно, оптимальный щиток будет примерно из 180 красных кирпичей или 150 шамотных.

Приведу табличку, где указаны рассчитанные по такой методике кирпичеемкости оптимальных щитков.

Какие полезные выводы можно сделать из нее?
Во-первых, с ростом КПД печи количество доступного тепла быстро падает и фактически начиная с 70-75 процентов его просто не хватит на прогрев даже очень скромного щитка в сотню кирпичей.
Во-вторых, использование шамотного кирпича, несмотря на разрекламированную по интернету его высокую теплоемкость, не дает серьезного выигрыша.
И в завершение анализа, не стоит сильно отклоняться от оптимальных значений ни в ту, ни в другую сторону. В случае уменьшения кирпичеемкости шиток будет нагреваться быстрее, но при длительной протопке, особенно летом, может стать чрезмерно горячим. В случае завышения может потребоваться очень длительная протопка, в особенности зимой.

 

Спасибо за расчет. Но не маловато-ли 100 градусов на выходе? может хотя-бы 170 - боюсь конденсата и разрушения кирпичной трубы над крышей.

 

Откуда взялась цифра в 100 градусов, объясняю. Это мои оценки НА ВЫХОДЕ из щитка. Внутри температура будет выше. Поднять температуру на выходе- значит ухудшить утилизацию тепла, топить небо, т. е. заведомо делать щиток, который будет выполнять свои функции хуже. По простой оценочной формуле если прикинуть, то 170 градусов, это около 80% общего КПД печь-щиток.
Подставляйте в формулу 0.8 вместо 0.9 моих и вперед по примеру расчетов. Боюсь только, что щиток может получится в таком варианте совсем маленький, какой-то игрушечный - 3-5 десятков кирпичей.

 

Спасибо большое.

 

Выполняю свое обещание поподробней рассмотреть тему ИК излучения и его экранирования.
Сначала, как всегда, немного теории. В соответствии с законом Стефана-Больцмана излучение пропорционально четвертой степени температуры и коэффициенту эмиссии (или степень черноты - от 0 до 1).
Введем два понятия: температура реальная и эффективная. С первым все понятно, а вот второе означает температуру не черного тела, при котором его излучение по мощности равно излучению идеально черного тела (ИЧТ). Для ИЧТ обе температуры совпадают, но для реальных тел реальная температура всегда выше эффективной.
Несложно получить следующую зависимость
Тэ = корень четвертой степени (Е) х Тр и Тр = корень четвертой степени (1/Е) х Тэ
Тэ - эффективная температура (в К)
Тр - реальная температура (К)
Е - степень черноты.
Кельвины = С + 273, С - температура в гр. Цельсия

Для большинства тел (кирпич, камень, дерево, человек) в бане (парилке) Е близок к единице (0.9-0.95), поэтому особого смысла рассматривать отдельно эти две температуры нет, Но есть одно важное исключение - это МЕТАЛЛЫ. Для нержавейки Е находится в диапазоне от 0.42 до 0.5 а для алюминиевой фольги то 0.05 до 0.1. Что эти цифры могут означать на практике?
Возьмем простой пример.
У нас есть керамический (или металлический, покрашенный темной эмалью) дымоход с реальной температурой в 400 градусов (673 К). Мы его обернули листом нержавейки, какова будет в этом случае эффективная температура?
Тэ = корень четвертой степени (о.42) х 673 = 542 К (или 268 С)
Еще интереснее будет результат, если обернуть алюминиевой фольгой
Тэ = корень четвертой степени (о.08) х 673 = 358 К (или всего 85 Градусов!)
Результат весьма интересен, поскольку позволяет простыми средствами кардинально уменьшить излучение (его мощность).
Выше в этой теме я говорил о максимальных температурах в парной, рассуждая о телах, близких к ИЧТ, давайте посмотрим, а какие могут быть реальные температуры для, например, нержавейки?
Тр = корень четвертой степени (1 /о.42) х423 К (150С) = 525 К или 252 по Цельсию.
Иными словами, труба из нержавейки будет излучать в пределах максимально допустимого при температурах не 150, а 250 градусов.
Посчитать для алюминиевой фольги реальную предельную температуру предоставляю читателям.
В этих рассуждениях есть два важных момента.
Во-первых, мощность потока излучения действительно постоянна, но СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ РАЗНЫЙ. По закону Вина длина волны максимума спектра обратно пропорциональна температуре. Это означает, что для нержавейки при равенстве эффективных температур, излучение будет более коротковолновым, т. е. теоретически более жестким. Одно обстоятельство смягчает эту проблему, это то, что мы говорим об относительно невысоких температурах (до 600-700 градусов) и это смещение все равно ложится на ИК часть спектра (или самую длинноволновую видимую).
Во-вторых, то, что фольга излучает, как будто у нее 85 градусов, не отменяет того обстоятельства, что реальная температура намного выше, а именно 400 (и термопара покажет именно столько). Поэтому если к ней приложить деревяшку, то она загорится очень быстро и все противопожарные требования нужно считать естественно из расчета в 400 градусов.

Продолжение следует, и в нем мы с простенькими цифрами в руках поговорим о том, как работает экран от ИК излучения.

 

NickB, с металлами всё непросто. В ИК-излучении вольфрама нет максимума. У платины максимум в области 20-100мкм. Стефан с Больцманом могут здорово подвести.

 

Палеха, есть определенные тонкости, конечно, но для простоты я рассматриваю идеально серые тела.
Разобравшись с ними, можно поговорить и о более тонких материях.

Продолжаю, рассмотрим картинку.

На картинке Ти, Тэ и Тос - соответственно температуры излучателя, экрана и окружающей среды.
Ев и Ен - коэффициенты черноты внутренней и наружней стенок экрана.

Примем следующие важные допущения:
Экран теплопроводящий, т. е. его тепловое сопротивление равно нулю.
Излучатель и окружающая среда - идеально черные тела.
Поскольку мы говорим только об излучении, то считаем, что конвективного переноса тепла нет.

Тогда из равенства тепловых потоков внутри и снаружи экрана будет следовать
Ев * (Ти ^4 - Тэ^4) = Ен * (Тэ^4 - Тос^4)
Отсюда
Тэ = корень 4-й степени ((Ти^4 *Ев + Тос^4)/(Ев +Ен))
Рассмотрим несколько случаев, задав для примера следующие исходные данные
Ти = 600 С (873 К) - типовая температура топки банной печи при интенсивном горении (темно-малиновое свечение)
Тос = 50 С (з23 К) - типовая температура окружающей среды (парилки)
Поскольку нас в первую очередь интересует эффективная температура экрана, считаем Ен = 1.
Прикинем температуру экрана для описанных ранее вариантов Ев для ИЧТ, нержавейки и алюм. фольги.
Оставлю расчеты за темой, желающие могут проверить.
Для ИЧТ (Ев=1)
Тэ = 737 К (464 С)
Нержавейка (Ев=0,5)
Тэ = 669 К (396 С)
Фольга (Ев=0,08)
Тэ= 480 К (207 С)

Какие можно сделать отсюда выводы?

Во-первых, как ни странно, даже абсолютно черный экран и теплопроводящий экран защищает от ИК. Не очень эффективно, как видно из расчетов, но тепловой поток уменьшается в 2 раза. На форуме встречалось мнение, что такой экран вообще ничего на дает и его температура близка к температуре излучателя. На самом деле эффект защиты образуется за счет ОБРАТНОГО ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЯ экраном в направлении излучателя.
Во-вторых, имеет смысл внутреннюю сторону экрана сделать отражающей, это намного повышает его эффективность (как бы очевидно).
В-третьих, одинарный экран не в состоянии качественно защитить от излучения.

Если рассмотреть двойной экран, решив уже систему уравнений, то получим формулу.

 

Вывод формулы даже с учетом допущений (Ен1 = 1 и Ен2 = 1) занял больше времени, чем предполагал.
Т. е. рассматриваем систему такого вида
Е1* (Ти^4 - Тэ1^4) = Тэ1^4 - Тэ2 ^4
Е2 * (Тэ1^4 - Тэ2^4) = Тэ2^4 - Тос ^4


Вывод длинен, но в результате имеем зависимости температур экранов от излучателя и среды
Тэ1 = Корень 4-й степени((Е1*(Ти + Ти*Е2) + Тос)/(1+Е1 + Е1*Е2))
Тэ2 = Корень 4-й степени((Е1*(Тос + Ти*Е2) + Тос)/(1+Е1 + Е1*Е2))

Рассчитаем при тех же условиях температуры и для черных экранов получим
Тэ1 = 790 К (517 С)
Тэ2 = 669 К (396 С)
Температура первого экрана нас особенно не интересует, а вот второй экран позволил дополнительно уменьшить нагрев почти на 70 градусов, даже будучи черным!

Для Е1=Е2=0.5 (нержавейка)
Тэ1 = 710К (437 С)
Тэ2 = 551К (278 С)
Здесь полученный выигрыш по сравнению с одинарным экраном еще больше, почти 120 градусов.

Для Е1=Е2=0.08 (фольга)
Тэ1 = 487К (217 С)
Тэ2 = 346К (73 С)

Здесь мы видим, что эффективная температура второго экрана стала совсем низкой, близкой к температуре окружающей среды.
Кто хочет, может сам посчитать для других коэффициентов черноты, но главный вывод заключается в том, что даже теплопроводящий экран позволяет эффективно ограничивать ИК излучение, особенно при использовании светоотражающих материалов и при двойном экранировании.

Если теперь вспомнить о том, что кроме излучения есть и конвективный перенос тепла, то выяснится, что реальные температуры экранов будут еще ниже, чем приведенные в расчетах. Насколько, сейчас не могу сказать, это отдельная и большая тема для расчетов.
И еще, для экранов, обладающих заметными теплоизолирующими свойствами, эти расчеты тоже будут неверны, поскольку температуры наружних и внутренних стен экрана будут различны. Расчеты такого рода тоже уже выходят за рамки курса физики для технических вузов и требуют специальных знаний, коими я, увы, не обладаю. Одно можно сказать с уверенностью, что температура наружней поверхности экрана будет ниже. И соответственно, приведенные здесь оценки - это максимальные значения.

Все.

 

Рассуждения о щитках для бани вынесено в отдельную тему https://www.forumhouse.ru/threads/186751/

 

Продумал и рассчитал экран из кирпича.
Решение основывается на допущениях: кирпич рассматривается как ИЧТ (недалеко от истины), конвекция не учитывается.
За основу берется следующая система уравнений:

Ти^4 - T1^4 = T2^4 - Toc^4 - равенство тепловых потоков внутри и снаружи экрана
T1 - T2 = k * (Tи^4 - T1^4) * h / n - формула теплового сопротивления
где
Т1 - температура внутренней стенки экрана
Т2 - температура внешней стенки экрана
k - постоянная Стефана-Больцмана
h - полкирпича (обычно экраны телают так) = 0,12м
n - коэффициент теплопроводности кирпича (из справочника взят 0.7 Вт/м*К)

Аналитическое решение этой системы мне не под силу, но методом итерационного подбора вполне возможное дело.
Для исходных данных, указанных ранее Ти=873К (600С) и Тос=323К (50С)
получаем в итоге
Т1=861К (588С)
Т2=450К (173С)

Температура внешней стенки такого экрана оказалась несколько выше, чем ожидалось (~100C), но эффективность его тем не менее достаточно высока. Тепловой поток при его отсутствии составлял бы примерно 32 кВт/м.кв, а с учетом экрана составит всего 1,7 кВт. м. кв, т. е. уменьшается почти в 20 раз!
К сожалению, я не нашел коэффициента теплопроводности для шамотного кирпича, чтобы выяснить, насколько изменится температура экрана из него. Если есть у кого-нибудь достоверные данные по этой теме, прошу прислать.

 

Коля, если найдешь время, посчитай еще экран из воды. многое проясниться. потом ты рассматривеш какой быть банной печи строго с позиции эффективности получаемого от нее тепла, и совсем не учитываеш качество получаемой при этом атмосферы парилки. 150грС - это у тебя хорошее ограничение для щитка. но что происходит с воздухом меж щитком и печкой, ты не учитываеш.
А хорошая банная печь не только не должна его портить, но даже и не перегревать, ибо воздух в бане для того чтобы ДЫШАТЬ, а совсем не для того чтоб греться от него... для прогрева в бане есть ИК и пар.
А все конвективные печи так или иначе воздух гробят. придумали правда спасение - вентиляцию. но следствие ее - нужно увеличивать мощность печи на нагрев приходящего постоянно холодного воздуха.
и она на самом деле проблему не решает, а просто разбавляет горелый перегретый воздух. то есть хоть и разбавленный, но в легкие он все равно попадает.
и это есть немаловажная составляющая хорошей банной печи.
Я вот недавно провел испытания одного девайса, стенки топки по кругу - 250-300грС. каменка закрытая - на крышке около 300грС.
После нагрева парилки (у меня все парилки БЕЗ устройств вентиляции - ни Акве ни КП вентиляция не нужна)
зайти туда понятно было невозможно, - дышать абсолютно нечем... хотя т-ра воздуха всеголишь 70-80грС.
Проветрили поэтому и зашли. через пару минут я опять почуствовал что дышать становиться трудно...
Дверь открыли тут же - я убежал и перестал этим больше заниматься...
вывод простой - в условиях отсутствии вентиляции КП например, или Аква, могут работать сколь угодно долго и никаких проблем с атмосферой парилки не происходит. даж если топить пару суток не открывая дверь парной. а МП воздух угробила за час, при невысоких для обычной МП т-ре.
я это к чему? - даж при 200-300грС на стенках экспериментальной печи воздух парной приходит в негодность, я не буду счас разбирать почему - то другая тема, и это было наглядно видно в условиях отсутствия вентиляции. а ведь все МП имеют на стенках гораздо бОльшие т-ры... и это серьезная проблема, тянущая за собой кучу других проблем, - устройство вентиляции, увеличение мощности печи на эту вентиляцию, попытки сделать конвекцию регулируемой, применение нержавейки, хотя для порчи воздуха важен не металл, а его т-ра, применения экраноф разных, чтоб хоть спастись от жесткого ИКи, применение хромистых сталей, чтоб быстро не прогорела топка, необходимость постройки щитка, ну и тд...
И дело в том что ЛЮБАЯ МП тут же тянет за собой эти проблемы. то какая ж из них при этом может считаться хорошей, самостоятельной банной печью? не тянущей за собой стока доделок, и проблем...
типа - купил поставил и забыл.
Посчитай водяной экран Коля, заодно увидиш как все пропадают все проблемы разом при его применении...

 

Привет, Василий!
С юбилеем тебя!
Экран из воды считать нет смысла, поскольку его температура не определяется температурой излучателя, а только лишь температурой кипения воды при давлении, существующем внутри водяной рубашки, т. е. от 100 до 130 градусов. Сколько бы тепла дополнительно не поступало к внутренней стенке экрана, оно будет израсходовано только на парообразование, но не передастся наружу.
А насчет негодности воздуха, которой по определению грешат все МП, как ты пишешь - это вопрос спорный, и я (и многие другие авторитетные банные специалисты тоже) не согласен с тобой, и много копий на эту тему было сломано в т. ч. на русбанях, но его обсуждение здесь устраивать не будем.