Банные печи для русской бани против стальных печей

Банные печи для русской баниОпять решил  пропарить вопрос  про  Банные печи для русской бани и вечном споре  про скорость нагрева  печи и комфортности парения, о ненавистном жаре железных печей и мягком паре кирпичных мастадонтов. Кто, кому, какие и почему впаривает печи?

Если отбросить в сторону визуальное восприятие печи и период подготовки парилки к процедурам, можно сопоставить  кондиции парения по нескольким параметрам:  температура в парилке, влажность и «легкость» полученного пара. Где и как получать пар пока не уточняем.

Некоторые могут найти неточности в изложении, но осмелимся напомнить читателям некоторые азы или, так сказать, аксиомы печной физики:

  1. От размера и формы топки, в которой горят дрова зависит мощность печи. Площадь поверхности топки и площадь поверхности дымохода, которые поглощают тепловую энергию определяют мощность.
  2. При равных конфигурационных параметрах (размерах и формы) кирпичной печи и стальной, одинаковой интенсивности горения дров скорость нагрева будет определяться исключительно такими свойствами как теплопроводность или теплоемкость. Теплопроводность стали значительно выше чем теплопроводность кирпича.
  3. здесь уместно напомнить, что не бывает кирпичных печей толщиной 2-4 мм!!! А значит: количество материала, которое подлежит нагреву, в массовом выражении несравненно отличаются и каменная печь в несколько раз тяжелее и массивнее стальной.
  4. Конструктивно – длина прохода дымовых газов в печи увеличивает ее КПД, так как газы на выходе сильнее охлаждены и КПД повышается. Чем длинее газоток – тем выше КПД  при одинаковых топках.
  5. С точки зрения теплофизики, КПД печи – показатель, который является функцией и в основном рассчитывается на основании измерения температуры газов на выходе соотносительно температуры газов на входе при одинаковых условиях горения. Чем холоднее выхлоп – тем больше КПД при равных остальных параметрах различных печей. Нельзя путать КПД печи с эффективностью и полнотой сгорания дров в топке, хотя они связаны между собой.

Учим здесь Характеристики печей из кирпича

 

Более точно КПД печи для русской бани можно описать так:
Одной из важнейших задач при проектировании и изготовлении печей является замер их
КПД. Именно это и позволяет дать окончательную оценку работе печи.
КПД — это отношение количества тепла, отданного печью помещению, к количеству тепла, содержащемуся в топливе.
Коэффициент полезного действия печи определяется по формуле:
(Q1/ Qтоп)*100 (1)
где: Q1-тепло, отданное печью помещению;
Qтоп количество тепла содержащееся в топливе
Тепловой баланс определяется по формуле:
Qтоп= Q1+ Q2+Q3+Q4 (2)
Где Q2+Q3+Q4 (3) тепловые потери в печи,
Q2 — потери с уходящими газами,
Q3 –потери от химической неполноты горения,
Q4 –потери от механической неполноты горения,
Зная эти величины, можно определить и КПД печи.
Существует два подхода определения КПД :
Первый – это определение КПД по расчету Q1-количества тепла, отданное печью помещению,
Второй – это определение КПД по расчету ( Q2+Q3+Q4) -количества тепловых потерь в печи и по этой величине определяют КПД по формуле:
((Qтоп – Q2-Q3-Q4) / Qтоп)*100 (4)

Если рассматривать печь как черный ящик, с входными и выходными параметрами, то совершенно без разницы, каким способом определять КПД. Конечно, предпочтение надо отдать тому способу, который проще и обеспечивает максимальную точность

Итак, что мы имеем? Кирпичная печь по умолчанию – больше в размере за счет особенностей элементной базы (размер кирпича), из которой она состоит. Кирпич нагревается дольше ввиду большей теплоемкости.

Удельная теплоемкость (количество тепловой энергии, которая расходуется на нагревание материала массой 1 кг на 1°C, ккал /кг):

  • —  кирпича   0,84
  • — стали       0,46

Таблица 1    Удельная теплоемкость

Материал Плотность,
кг/м3
Удельная теплоемкость,
кДж/(кг*°C)
Газо- и пенобетон 650 0,84
Гипсовые листы 800 0,84
Дерево 500 2,3
Клееная фанера 600 2,3
Керамический кирпич 1600 0,88
Бетон 2300 0,84
Железобетон 2500 0,84
Кирпичная кладка 1800 0,88
Сталь 7800 0,46

Количество получаемого тепла печкой:

Q=mc(T1-T2)
m – масса тела (очень грубо – печи)
C – массовая теплоемкость материала печи
T1-T2 разница температур при нагреве

В результате нехитрых  операций можно вычислить,  что при равных толщинах печи из кирпича и стали, кирпичную печь надо греть в 2 раза больше по расходованию энергии (не значит что по  времени).
А с учетом конструктивной массивности кирпичной печи ее масса в 3-4 раза больше стальной, т.е. для одинаковой разницы температуры при нагреве стальная печь требует в 3-4 раза меньше нагрева по массе.

Как результат – кирпичная печь греется дольше стальной в 3-4 раза. В виду того  что кирпичка имеет большую теплоемкость, то и остывание такой печи проходит в 3-4 раза дольше чем стальные конструкции.
Для справок: СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» приложение 9. Коэффициенты теплопроводности строительных материалов взяты по СНиП 2-3-79 «Строительная теплотехника» приложение 3.

Именно для нивелирования этого различия в аккумуляторных свойствах в железную печь укладывают камни с большой теплоемкостью. Многие думают что камень – для пара, в чем ошибаются, и помогают им заблуждаться  маркетологи, которые продают печи. Но об этом чуть позже и ниже.

Создание комфортных условий в парилке

Печь – единственный источник тепла в парилке и теплового излучения. Только режимами печи можно создавать комфорт или Ад. Существует  3  параметра печи, которые существенно влияют на скорость нагрева парилки и то что влияет на комфорт:

  1. площадь поверхности печи
  2. температура поверхности печи
  3. наличие или конструктивная организация конвектора, который увеличивает скорость съема тепла с поверхности печки
  4. спектр излучения печи

Не поддаем сомнению утверждение о том, что комфортность условий в парилке выше если:

  • равномернее излучение тепла всеми поверхности помещения парилки (потолок, стены, поверхность печи и воздух), греть должны и стены, а не только печь и воздух
  • спектр излучения тепла (длина волны излучения) поверхностей – ограничен «несветящемися» поверхностями. Грубо написано, но обозначает это на практике отсутствие раскаленного камня в вашем поле зрения и красных разжаренных или малиновых труб дымоходов, которые могут вызвать ожоги как летнее морское солнце на плечах бледнолицых туристов

Во многом комфорт зависит от спектра излучения попадающего на тело. Очень уместно заметить, что Длина волны теплового излучения может колебаться от 0,74 мкм. до 2 мм. Комфортная для человека длина волны теплового излучения от 7 до 14 мкм

 

Как нагревается парилка с различными печами?

Из сказанного выше ясно, что площадь, от которой нагревается воздух у кирпичной печи  выше, чем у стальной.  Контакт поверхности  кирпича с воздухом и площадь излучения у массивной печи – больше чем, в компактной стальной.  Но за счет того что в период нагрева парилки кирпичная печь  значительно холоднее и дольше выходит на режим готовности, основной теплоноситель  — воздух не является эффективным нагревателем, а значит и все остальные конструкции парилки ждут 3-4 часа пока не начнет «работать»  воздух. В тоже время стальная печь мгновенно нагреваясь превращает сразу воздух в тепловой носитель с высокой температурой, а наличие конвекторов у стальных печей включает режим ускорения тепловых конвекционных потоков и тепловой обмен внутри парилки. Это приводит к ускоренному нагреву деревянных конструкций  парной комнаты. А как реагирует парилка на горячий воздух, учитывая, что теплоемкость дерева высокая и выше в разы по сравнению с кирпичом и тем более с железом?  Здесь – в области прогрева парилки – стальным печам нет равных! Они быстрее, а значит —  эффективнее. Пока кирпичная печь медленно греет сама себя, «железки» прогревают и воздух и стены, интенсивно перемешивая  содержимое парилок.
Вывод: стальные печи более равномерно прогревают конструкции бани в период подготовки к парным процедурам.

Я сознательно написал «в период подготовки», потому что многие сторонники кирпичных печей считают основным недостатком железок повышенную конвекцию и как следствие  — саунные режимы. Простите, но кто вам говорит, что париться и греть парилку надо при одинаковых экстремальных условиях!? Грейте парилку, грубо говоря, «малиновой печкой», но парьтесь при умеренных температурах печи. Залпы получения тепла со стальных конвекторов настолько сильны, что позволяют не только нагреть воздух в очень короткие сроки , но частично прогреть дерево стен, ведь оно очень медленно греется ввиду высокой теплоемкости!
А в случае с кирпичной печью, стены начинают прогреваться только спустя 4-часов, ожидая прогрева самой печи.

Комфортная холодная русская баня — дитя медленных печей

Не будем тянуть резину и сразу напишем, что русская баня от того и комфортная, что холодная! Почему в ней легко и старику и детям и женщинам? Почему в русской бане легко дышится? Совсем не потому, что современные технологи придумали что-то  особенное, а потому, что баня не успевает нагреться до высоких температур! Не успевают нагреться и стены и полки и потолки. Относительно не раскаленные стенки печки медленно прогревают воздух, хотя и большей площадью, больше излучают мягкого тепла своей бОльшей поверхностью.
Вот мы и получаем комфортную серединку парилку на полках с холодным полом. Лежать на полках можно долго, медленно прогреваясь излучением печи и подогретым до 50 градусов воздухом, не обжигая при этом слизистой горла и легких.
И вот тут мы подходим к главному признаку русской бани – получение желанного «горячего» тепла в желаемом месте с помощью чудесного пара и веника. Веник  играет роль перевозчика-переносчика-носильщика тепла в виде пара. Пар мы получаем откуда угодно, но только не от поверхности  печи!!! Если бы кирпичная печь имела температуру поверхности пригодную для получения легкого пара – мы давно бы получили в ней ожоги.  Печь из кирпича для русской бани служит только оболочкой, внутри которой и располагается такое чудо как каменка – емкость или объем, в котором сконцентрировано определенное количество камня нагретого огнем  до очень высоких температур.
А стоит ли городить огромную массивную конструкцию из кирпича, чтоб нагреть внутри нее каменное ядро? А можно ли склепать такую конструкцию из железяки, чтобы нагреть внутри каменное ядро?

При одинаковой конструкции топки  и конфигурации дымо-газоходных каналов скорость нагрева каменной закладки в стальной и кирпичной печах – почти одинакова! Т.е. при встроенных одинаковых каменках с равным количеством камня получать кондиционное ядро — одинаково долго для кирпички и для железки.

Стальные парообразователи в железных печах – или о чем молчат производители?

Многие любители бани ни раз останавливали свое внимание на стальных печах с встроенными  парообразователями – как на единственно возможном способе получить быстро легкий пар. Но есть одно «НО» в этом вопросе. Рассмотрим процесс парообразования под линзой.

  1. Большинство печей снабжены пластинчатыми парообразователями, принцип действия которых основан на протекании воды сквозь пространство между стенкой топки и пластинами.
  2. Основной поверхностью, на которой проходит парообразование – боковая стенка топки.
  3. Вода перетекает между пластинами сверху вниз самотоком, испаряясь при этом.
  4. Для регенерации температуры стенок топки после испарения нужно время и наличие жара внутри топки

Вот как выглядит парообразователь на стенке моей печи «Сахара».

генератор пара на стальной печи для русской баниВода имеет возможность несколько раз протечь между пластинами, аж до самой нижней пластины. А протечет ли она к этим самым горячим частям печи (№2 на рисунке) не испарившись по дороге? В этом и кроется недостаток таких систем. Во время протекания воды происходит одновременное охлаждение стенки и пластин. Весь поток воды можно развернуть во времени и представить как ручеек через сеть дырочек. Попав в первый верхний отсек (на рисунке обозначен номером №1) вода мгновенно нагревается и начинает испаряться. Особенность конструкция такова, что вода постепенно протекает вниз, а не мгновенно — не испаряясь полностью! А это значит, что она испаряется постепенно. Последняя доза ручейка протекающего вниз движется уже по полухолодной части стенки и тоже испаряется, но не так интенсивно, т.к. железо успело остыть. А значит – пар не такой уж и перегретый как хотелось бы и больше напоминает медленное испарение с полугорячего камня. Именно так и выглядит желоб, в который наливается вода в печке.

Самыми горячими частями парообразователя являются пластины №2, но пока к ним попадет вода, она будет проходить не самые горячие стенки №3, которые отдалены от лежащих на дне углей. Как правило, фаза топки печи когда начинают производить пар припадает на фазу тления углей, а не интенсивного горения.

Не бывает в открытых системах воды нагретой более чем на 100 градусов, поэтому если вода попала во вторую пластину – значит это не пар. А медленно испаряющаяся вода. Только в самые первые секунды или части секунды  вода соприкасаясь с раскаленным металлом может «выстрелить» на нем перегретым паром. Но это состояние пластин  мгновенно утрачивается из-за их тонкости. И опять некоторая часть воды медленно испаряется как из чайника на пластинах из стали.
Только малая часть воды превращается в легкий пар, остальная ж вода испаряется как на «условно холодном» камне открытой каменки продолжая соприкасаться с только что охлажденной поверхностью.  В стальной печи за 1-1,5 часа открытая каменка никогда не прогревается до раскаленного камня!

Да мы получаем пар, но его «легкость» определяется с большой натяжкой. Достоинство быстрого нагрева стальной печи перечеркивается недостатком – быстрым остыванием парообразующих элементов.

Все это привело к созданию закрытых каменок. Камень в них прогревается лучше, но главная особенность в том,  что можно получить пар с раскаленного металлического дна и догреть-разбить пар на мелкодисперсный – идеальный вариант. А еще лучше — замкнуть пар на некоторое время внутри каменного ядра. Паровая пушка – лучшее, что может производить легкий пар в печи из любого материала.

Почему «издревле», «с незапамятных времен», «издавна», «испокон веков» печи в русских банях были кирпичными? Потому что бесплатной грязи (читай «глины») под ногами было бесконечно много. У большинства наших предков не всегда были деньги, чтобы достать дорогой печной арматуры из железа или чугуна. Вот и были очаги в банях и бани были по-черному с каменками-насыпью. Это объясняет причины почему остались мягкие воздушные режимы с возможностью погреться при необходимости паром с  каменки.

Тепловое излучение печей и как укротить раскаленное железо?

Если в двух одинаковых парилках (с кирпичкой и железкой) внутри установилась одинаковая температура, то  с уверенностью можно утверждать, что в них будет и одинаковая влажность (таковы законы физики, о которых я писал в статье «Секреты русской бани»). Поддержание одинаковой температуры будет происходить раскаленной железной печью с ковектором сравнительно малого размера  или большей по габаритам кирпичной печью, у которой температура значительно ниже.

Вокруг стальной печи – сильнее конвекция (скорость), а вокруг кирпичной печи меньше конвекция но больше площадь восходящих потоков горячего воздуха. Интегрально они одинаково нагревают воздух, а вот излучение теплового потока – значительно различается. Конвектора стальных печей экранируют тепловое излучение не позволяя ему делать на коже ожог.

Чем определяется спектр излучения и что мягче греет 200 градусов железного листа или 200 градусов кирпичной печи? Физика нам говорит, что все тела излучают электромагнитное излучение. Холодные тела излучают  меньше, а горячие дают  больший тепловой поток. Температура тела (печь – не исключение) определяется средней кинетической энергией хаотически движущихся микрочастиц — атомов или молекул, из которых состоит материал печи. Это значит — излучение зависит не только от температуры, но и от строения вещества, структуры его поверхности. При постоянных температурах внутри системы устанавливается некоторое термодинамическое равновесие в первом приближении (в идеале не существует). Такое излучение называется равновесным.

Важно! Равновесное излучение образуется внутри полости в твердом теле, причем оно не зависит от материала стенок, а зависит только от их температуры. Если бы энергия излучения зависела от материала стенок, то, подбирая материал стенок полости, можно было бы изготовить вечный двигатель (второго рода), в котором энергия переходит от холодных тел к горячим. Излучение, с которым мы обычно имеем дело не является равновесным.

Так какой вывод можно сделать о «мягкости» кирпичной печи для русской бани? Кирпич — такой же «мягкий» как и железная печь, если температура их поверхности одинакова! Они излучают одинаковый спектр.

Осталось выяснить температуру печи. Большая отопительная печь  не такая уж и горячая, как может показаться – до 60-80 градусов если топить долго. Вот и весь секрет — почему русская баня с кирпичной печью такая мягкая. Потому что массивная кирпичная печь долго греется, и люди начинают греться, как только воздух нагревается выше 50! Можно подождать еще несколько часов и потопить печку еще 2-3 часа. Но тогда мыться буде некогда.
ниже представлены пирометрические измерения температуры поверхности кирпичной печи.

Текстовое описание результатов :

  • Температура горящего угля — 850 градусов и выше.
  • Температура наружных поверхностей печи в течении суток колеблется от 45 до 70 °C.
  • самые горячие места возле плиты- 120 градусов
  • самое горячее место — над топочной дверкой
  • Плита  и топочная дверка при топке дровами нагреваются до 600 °C.
  • Температура на распушке — 40-50 °C
  • Температура футеровки топки сразу после прогорания дров -350-400°C
  • Температура футеровки перед следующей топкой или через 10 часов после предыдущей 80-90°C.

Но в банях применяются и малогабаритные кирпичные печи для русской бани, именно по той причине чтобы получить  более быстрый прогрев и меньше греть по массе кирпича. Результаты измерений приблизительно такие (результаты тестирования с сайта «печных дел мастера»):

  • При начальной температуре в помещении минус — 3 °C.
  • Через час температура на выходе печи 180-200°C,
  • Через 1,5 часа — 200-225°C,
  • через два часа — 225-250°C.
  • Максимальная температура поверхности стенок печи — 120°C.
  • Плита над топкой — Через 10 мин температура плиты на поверхности печи- 210°C
  • Плита над топкой — через 25-30мин — 300°C.
  • Максимальная температура плиты — 350°C.

Поднятые на железных ногах над полом (каркасные кирпичные печи) быстрее охлаждаются и имеют меньше температуру в сравнении с печами лежащими на дне. Дно «висящих печей нагревается до 50 градусов. Конвекция создаваемая такой поверхностью  — не интенсивная и слабая, не обеспечивает быстрых восходящих потоков горячего воздуха. В стальных печах – дно в разы горячее.

Печи, конечно, бывают разные. Толщиной в четверть кирпича и в полкирпича. По нормам печи толщиной в четверть кирпича должны иметь каркас и и усилены листом стали! Но это самые горячие и быстрые печи, потому что самые тонкие! Масса таких малогабаритных печей в четверть толщиной — в 2-3 раза легче полностенных.

Ошибочные трактования разницы русской бани и сауны:

  • Русская баня нагревается за счет излучения печи, а не конвекции. Реально — Конвекцию вокруг кирпичной печи никто не отменял, она тоже гоняет воздух и площадь соприкосновения с воздухом в 3-5 раз больше чем у стальной печи. А недостаток излучения железной печи компенсирует излучение горячего воздуха, потому что излучает любое тело или газ.
  • Высушить баню можно только кирпичной печью. Основы сушки бани не печь, а правильная вентиляция, залповое проветривание и элементарное убирание воды с пола

Температуру внешнего конвектора стальной печи я уже выкладывал в видео в статье Температура печи в парилке бани. Прошло не мало времени с момента публикации того видео и никто не упрекнул меня что температура поверхности экрана печи показанная пирометром отличается от температуры измеренной на том же экране но уже термометром. Температура показанная пирометром не учитывает закон Стефана Больцмана, где поток тепла от тела зависит и от его черноты! А нержавейка имеет понижающий коэфициент 0,5 для степени черноты тела. Т.е . грубо говоря если для тела человека, кирпича и камня степень черноты Е=1 (приблизительно), то для нержавейки  Е=от 0,42 до 0,5, а для алюминия — Е=0,05-0,1. Экраны из нержавейки или алюминиевой фольги для одной и той же топки понижаю реальную температуру до эффективной, которая меньше в несколько раз.
Что это значит, одна и та же поверхность имеет 2 температуры: реальную и эффективную. Эффективная определяет спектр потока тепла.
Для правильного трактования температур полученных пирометром надо правильно использовать настройки прибора на различные материалы!

Симулируем русскую баню с тонкостенными стальными печами

Чтобы получить русскую баню на быстрых железных печах надо:

  1. Осознать, что скорость подготовки парилки определяется скоростью подготовки каменной закладки каменки – ядра, которое является источником получения пара, а значит и прогрева, и массажа вениками, и банных ритуалов.
  2. Не стоит путать режим нагрева парилки (подготовки помещения) с режимом парных и банных процедур.  Грейте всё быстро и даже «адской» температурой на этапе подготовки парилки, но потом  поддерживайте комфорт малым огнем .
  3. Помним, что для ускорения парных процедур — не стыдно получать пар в современных печах из стали или из кирпича с помощью внешних парогенераторов, которые не обязательно являются частью печи.
  4. Лучший пар тот и те кондиционные условия, которые вам больше нравятся независимо от способа получения легкого пара: кирпич или железка? – неправильно противопоставлять эти печи.
  5. Дольше греем – дольше греемся. Настоящие любители бани не ставят в цену количество необходимых дров.
  6. Современная Русская баня на 70% состоит из традиций, привычек, истории и обрядов и 30% из глины, камня и огня с вениками.

Банные печи для русской бани, из чего бы они ни были сделаны должны нагреть парилку до 60 градусов и содержать в себе раскаленное каменное ядро для получения пара (закрытая каменка или камни насыпью для периодических печей). Влажностью в помещении парилки надо управлять для получения желаемых кондиций!
А вот полученный пар в сочетании с веником сделает из бани русскую баню.Читайте  о применении неравновесных условий влажности в статье Как быстро нагреть парилку

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *