Печи-каменки

Печи-каменки периодического действия.

Как правильно выбрать планировку и построить помещение бани, какой температурно-влажностный режим в бане принять? Информацию о русской бане можно найти на сайте rusbani@narod.ru, а так же на нашем сайте http://stove.ru .

Хорошую баню определяют два основных фактора:

удобная планировка и правильно выполненный тепловой контур здания;

хорошая печь, позволяющая добиться выбранного температурно-влажностного режима в каждом помещении бани и решить вопросы получения пара и ГВС.

В этой статье рассмотрим вопросы конструирования банной печи-каменки периодического действия, то есть с обогревом камней проходящими через них дымовыми газами.

Существует много конструкций таких печей.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся в литературе конструкции рис.1 и рис. 43.

Печь состоит (рис. 43) из топки 1, паровой камеры 2 и перекрытия между ними, а так же конвективной системы 7 и трубы 6.

В паровой камере, со стороны парилки, устанавливают дверку, через которую поливают раскаленные камни горячей водой, и через неё поступает пар в парилку.

Выше задвижки устанавливают регулируемую вентиляционную решетку или дверку для вентиляции.

При необходимости, её открывают для проветривания помещения после протапливания печи и закрытия задвижки.

Перекрытие может быть выполнено в виде свода из огнеупорных кирпичей со щелями или отверстиями.

В топку может быть вставлен змеевик 4 ГВС (горячего водоснабжения).

На перекрытие укладывается слой камней округлой формы вулканического происхождения с добавлением 20-30% чугунных чушек для "жара".

Имеются металлические печи, офутерованные внутри огнеупорным кирпичом, не имеющие конвективной системы (рис.2).

Они предназначены для обогрева только парилки и приготовления пара.

Рекомендуемое количество камней, укладываемых на перекрытие, на 1 м3 объема парилки у различных авторов находится в широких пределах. И.И. Ковалевский рекомендует 60-62 кг, при толщине засыпки 20-22 см, В.В. Литавр и Г.Л. Кайданов и др. рекомендуют 35-45 кг. Каменная базальтовая засыпка имеет объемный вес 2800 кг/м3, или 2,8 кг/дм3. В этом случае, на 1 м3 объёма парилки требуется от 12,5-16,1 до 22,14 дм3 камней. Если этот объём разместить на 1 м2 перекрытия печи, то толщина засыпки будет от 1,25-1,61 до 2,214 см на 1 м3 объёма парилки.

Если считать за эталон толщину засыпки 22,14 см (по И.И. Ковалевскому, так как у других авторов толщина не указывается), то для парной размером 6 м2, высотой 2,3 м (объём 13,8 м3), при загрузке 62 кг на 1 м3 объёма парилки, требуется 1,38 м2 площади перекрытия топки, при количестве камней 35 кг/м3 - 0,78 м2, 45 кг/м3 - 1,0 м2. Одинаковая толщина засыпки в этом примере, принята из условий получения одинакового прогрева камней до температуры указанной всеми авторами. Конструктивно, площадь перекрытия топки, в этих примерах, составляет 45-50% от площади печи с конвективной системой и 66% в печах без конвективной системы (рис.2). То есть площадь занимаемая печью для парилки площадью 6 м2 составит: по Ковалевскому 1,38/(0,45-0,50)=3,07-2,76 м2; по другим рекомендациям: 1,73-1,56 м2 и 2,2-2 м2. То есть, печь может занимать 26-51% площади парилки. Чтобы уменьшить величину печи, необходимо увеличивать толщину засыпки. К. Мякеля, рекомендует делать толщину засыпки 30-50 см, что соответствует 840-1400 кг/м2 перекрытия печи.

Процесс горения, по данным И.И. Ковалевского, протекает при температурах 800-900 °С для дров и 1000-1200 °С для угля, а температура нагрева стенок топливника примерно на 200 °С ниже. По данным испытаний, проведённых И.С. Подгородниковым, температура в топке колпаковых печей достигает 975 °С. По данным Ю.П. Соснина и Е.Н. Бухаркина, (стр.58) температура нагрева стенок топки при периодической топке углём достигает 800-900 °С. Естественно, при топке дровами температура будет ниже примерно на 200 °С. Все авторы утверждают (в том числе Ю.П. Соснин и Е.Н. Бухаркин), что камни прогреваются до температуры 1000-1100 °С снизу и 500-600 °С сверху (до малинового свечения). Не ясно, на чем основываются эти утверждения. На мой взгляд, этот вопрос требует дополнительного изучения, так как прогреть камни до такой температуры в дровяной печи нельзя. Чтобы увеличить прогрев камней, надо повысить температуру в топливнике, прогревать их со всех сторон или уменьшить толщину засыпки.

Принцип работы всех печей следующий: горячие газы из топки проходят через щели (отверстия) в перекрытии, пронизывают слой камней, поступают в конвективную систему и далее в трубу. Работа печи зависит, при прочих равных условиях, от толщины засыпки и коэффициента заполнения объема. То есть, при различной толщине и крупности камней, будет различным сопротивление выходящим газам и прогрев камней.

Следует отметить, что по сути, нельзя получить высокий КПД у банных печей, а так же быстро нагреть камни до требуемых параметров. Это объясняется тем, что при выравнивании температуры нагрева стенок печи и газа, уменьшается восприятие тепла стенками печи и камнями, в связи с чем, происходит повышение температуры выходящих газов. Конструктивно печи выполняются с толстыми стенками и поэтому сильно не прогреваются. Такими печами можно получить температурно-влажностный режим, близкий к режиму русской бани.

Из всего сказанного вытекают следующие задачи, порой противоречивые, которые необходимо решить, что бы получить хорошую печь:

Чтобы уменьшить размер печи, надо увеличить толщину засыпки;
Увеличить прогрев камней;
Уменьшить сопротивление выходящим газам;
Снизить температуру выходящих газов, те есть повысить КПД печи;
Получить максимальное, полезное количество теплоты от количества теплоты заключённом в топливе;

Как можно решить эти задачи? Эти задачи решаются, если сконструировать печь-каменку на "принципе свободного движения газов". Рассмотрим схему печи, показанную на рис. 3. Это схема "Двухъярусный колпак". Нижний колпак состоит из топки 1, в которой на щелевом перекрытии 2 уложена каменная засыпка 3. С двух сторон в перекрытии имеются свободные от камней щели 4, соединяющие топку с паровой камерой 5. Рядом с топкой размещается конвективная система нижнего колпака 6, которой устанавливается змеевик (регистр) ГВС 11. Топка и конвективная система нижнего колпака, соединяются между собой сухим швом 7 и рядом отверстий 8 в верхней зоне. В нижнем колпаке имеется канал 9 (переточной), ведущий в верхний колпак 10. Схема, показанная на рис. 3, соответствует формуле "нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". Вся идея сухого шва и свободных от камней проходов в верхнюю часть - обеспечить равномерную повышенную температуру в объеме колпака и равномерное прогревание камней со всех сторон, не зависимо от толщины засыпки, в том числе сверху. Разделить потоки выходящих газов на холодную и горячую составляющую в колпаке. При этом не увеличить сопротивление проходу газового потока. Если в качестве источника тепловой энергии использовать электрический обогреватель, то не требуется удалять продукты сгорания (принято условно, для лучшего понимания). В этом случае перенос тепловой энергии будет за счет естественных сил природы, даже при закрытой трубе. Данная система обладает всеми замечательными свойствами, сформулированными в статье "Еще раз о системе" http://www.stove.ru/new/index.php?lng=0&rs=16 .

При отсутствии сухого шва и свободных проходов, весь поток протаскивается через камни с повышенным сопротивлением и преимущественным прогревом нижней части засыпки, а работа печи и прогрев камней, будет существенно зависеть от толщины засыпки, при прочих равных условиях.

Известно, что бесканальная конвективная система обладает высокими теплотехническими качествами и КПД. Принцип работы этой схемы следующий: Дымовые газы, проходя через щели, свободные от камней, (а так же через каменную засыпку) заполняют колпак, причём наиболее горячие газы поступают в верхнюю его часть, а наиболее холодные, тяжелые, проходят через "сухой шов" низом колпака (не попадая в него) в переточной канал. В верхней части колпака создается зона с повышенной температурой. Обогрев каменной засыпки происходит сверху и снизу, что улучшает её прогрев, при этом работа системы не зависит от толщины засыпки. То есть сопротивление выходящим газам увеличивается незначительно.

Для получения качественного пара необходимо сильно прогреть камни. Это требует длительного времени протапливания печи, порой значительно большего, чем в обычной печи. Известно, что с увеличением длительности топки, КПД печи уменьшается, из за уменьшения восприятия тепла горячих газов стенками печи и камнями (выравнивается температура газов и стенок). В этом случае, необходимо понизить температуру выходящих в трубу газов. Это достигается двумя путями: в конвективную систему нижнего колпака устанавливается змеевик горячего водоснабжения (ГВС); а так же устройством над первым колпаком второго колпака. Змеевик и колпак воспринимают избыток тепла, возникающий при увеличении времени топки печи.

Змеевик (регистр) необходимо конструировать так, что бы силы, возникающие от температурного расширения, не разрушали печь и что бы его можно было просто поменять. Это достигается за счет придания ему зигзагообразной формы или устройства входных и выходных патрубков с противоположной стороны печи. Конструировать и устанавливать его следует так, что бы при заполнении водой в нем не возникало воздушных линз. В противном случае, при нагревании воды, в линзе повышается давление и, происходит гидравлический удар.

Регулировать нагрев воды можно за счет изменения скорости циркуляции воды при установке вентиля на обратной трубе, или за счет изменения направления движения газов, при малой мощности змеевика. Нельзя устанавливать вентиль на прямой трубе, так как возникающее давление в закрытой системе, может разорвать трубы.

Способы регулирования нагрева воды:

"колпак в колпаке", змеевик размещается в малом колпаке, вверху которого устанавливают задвижку регулирования нагрева воды, малый колпак размещается в большем колпаке;

"в стакане", змеевик размещают в "стакане", в днище которого устанавливают задвижку регулирования, стакан размещают в нижнем колпаке;

"во втором колпаке", змеевик размещают во втором по горизонтали колпаке, в верхней части перегородки между колпаками, устанавливают регулирующую задвижку.

Примерно 10-12 лет назад мы делали по такой схеме печь в общественной бане в пос. Половинном, под Екатеринбургом. Камни прогревались до белого каления, печь грела 1-1,5 м3 воды. Отзывы людей о бане были самые положительные. Недостаток такой печи состоит в её недолговечности. Камни при нагревании и охлаждении, расширяются и сжимаются, вследствие этого, они как клинья разрушают перекрытие (свод) и стенки печи. Поэтому, очень важно иметь камни округлой формы, что бы уменьшить силы, разрушающие печь. На камни действует так же лучевое тепло, поэтому для лучшего восприятие этого тепла камни подбирать черного цвета. На практике, подбрасывание воды происходит порой на охлажденные камни. Повышенная влажность размывает кладку печи.

По такой же схеме конструируются все наши банные печи с камнями, заключенными в духовку (парогенератор) из жаростойкой стали. Камни через металлическую стенку прогреваются до более низкой температуры. В связи с этим, для получения более качественного пара, применяются различные решения конструкции парогенератора. При пониженном прогреве камней, можно получить очень качественный пар, в том числе сухой, перегретый пар, с температурой близкой к критической (374 °С). Одной и той же печью можно создавать в парилке различные температурно-влажностные режимы. Эти печи долговечны.

О нагреве камней в закрытой духовке.

Известны основные виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Тепло газов передается в духовку через ее стенки за счет теплопроводности. Внутри духовки основной нагрев камней происходит от стенок за счет излучения и естественной конвекции нагретого воздуха, причем большая часть за счет конвекции. По этой причине на дно духовки должны укладываться камни больших размеров, что бы между ними были большие прозоры. Серьезной ошибкой укладывать на дно мелкие камни. В этом случае камни будут нагреваться, и накапливать тепло плохо, так как не будет конвективного теплообмена. Произойдет перераспределение тепла вырабатываемой топкой, между духовкой с камнями и теплообменными поверхностями печи. Камни не будут давать необходимого качества и количества пара. Печь же будет перегреваться.

Следует отметить, что на рисунке 3, показана только схема печи. На практике компоновка печи, как в плане, так и по высоте может иметь множество различных решений. При конструировании печи надо придерживаться рекомендаций, приведённых в статье "Основы конструирования печей" http://www.stove.ru/new/index.php?lng=0&rs=15 .

И.В. Кузнецов.