Принципы конструирования бань

Аккумуляция тепла в бане

Принцип аккумуляции тепла является определяющим для правильного понимания конструкций и древних бань, и ультрасовременных. Напомним, что тёплые (то есть с малыми тепловыми потерями в разогретом состоянии) бани могут энергетически мыслиться в следующих противоположных по теплоёмкости предельных вариантах. Во-первых, это особо высокотеплоёмкие бани (с высокотеплоёмкими стенами и печами), например, так называемые белые бревенчатые (рубленые) бани с цельнокирпичной печью. В таких банях либо вынужденно используют пар для эпизодического или периодического вывода тепла из массива печи (из каменки) для подогрева помещения, либо очень долго топят печь (днями и неделями), а потому используют (поддерживают при высокой температуре) постоянно. К этому классу относятся усадебные бани, термы, хаммамы, городские непрерывно работающие коммунальные бани. Характерной чертой всех этих бань является долгое остывание, в частности, устойчивость температурного (именно температурного, но не влажностного) режима при залповых проветриваниях.

Каменки

Работать с горячей водой в древности не умели. Поэтому традиционными теплоаккумулирующими устройствами древнейших бань являлись всевозможные каменки — кучи (насыпи, засыпки, навалы, обваловки) камней: крупных окатаных валунов, окатаных среднего размера булыжников, крупных ломаных глыб, более мелких кусков, в том числе натурального гравия и искусственно долблёного щебня, вплоть до крошки и песка. В популярной литературе обычно различают каменки закрытые (располагаемые внутри печи) и открытые (располагаемые вне печи). Понятие закрытых каменок относится преимущественно к цельнокирпичным печам и означает, что камни расположены в атмосфере дымовых газов печи (в топке, в дымовой трубе или её расширении) так, чтобы пламя и дымовые газы нагревали слой камней. Такие каменки могут быть использованы лишь после протопки печи и поэтому называются иногда в банном деле более научно — каменками периодического (эпизодического) действия. Понятие открытых каменок относится к печам более современным, имеющими металлические теплопередающие поверхности — жаровые плиты или разного рода контейнеры для нагрева камней.

Древесина как топливо

Дрова всё ещё остаются основным видом топлива для дачных бань, а в любительских банях являются непременным элементом антуража. Дрова достаточно экологичны: в отличие от каменного угля и нефти древесина при сжигании не образует сернистых соединений, но по сравнению с газом, дрова дают много дымовых выбросов, особенно при растопке. Требования к качеству дров для отопления стандартизованы по ГОСТ 3243-88. Однако для бань требования более жёсткие. По крайней мере, в чёрных банях выбор дров всегда имел определяющее значение. Дрова должны были быть малосмолистыми — из древесины лиственных пород — ольхи, берёзы, осины, дуба, липы (чтобы поменьше дымили), тщательно высушенными (чтобы не дымили, не давали больших языков пламени и оставляли большое количество углей), достаточно крупными (чтобы равномерно прогревали, оставляли большое количество углей), и во всяком случае не хворост (сушёные ветки), не дровяные отходы по ГОСТ 23827-79 и не тонкомер (горбыль) ГОСТ 18288-87. Лучше всего подходит для чёрных бань предварительно заготовленный крупнокусковой древесный уголь (или породы древесины для пиролиза и углежжения по ГОСТ 24260-80). 

Структура древесины

Древесина представляет собой очень неоднородное по своему составу и пространственной структуре образование. Располагаясь между корой и сердцевиной, древесина прирастает, утолщая ствол, из так называемого камбия — особой образовательной ткани, очень тонкой, не видимой глазом, располагаемой между древесиной и лубом (корой). В камбии путём деления клеток рождаются новые живые, сильно удлинённые вдоль ствола, клетки (прозенхимные, то есть волокноподобные) длиной в среднем 3,5 мм и толщиной 0,05 мм у сосны и длиной 1,2 мм и толщиной 0,02 мм у берёзы. Эти клетки содержат (как и все клетки растений) внутри себя жидкую цитоплазму с ядрами, вакуолями, митохондриями, хлоропластами и т. д. 

Физико-химические свойства древесины

Элементный химический состав абсолютно сухой древесины всех пород практически одинаков: углерод 49-50%, кислород 42-44%, водород 6-7%, азот 0,1-0,7%, неорганическая часть 0,1-2% (зола, состоящая из окислов калия, кальция, натрия, магния, кремния и т. п.). В абсолютно сухой древесине содержится 39-58% целлюлозы, 17-34% лигнина, 15-38% гемицеллюлозы и до нескольких процентов восков, смол, таннинов, жиров, эфирных масел. Плотность древесного вещества (материала абсолютно сухих клеточных стенок) не зависит от породы и равна 1530 кг/м³. В то же время плотность абсолютно сухой древесины из-за наличия внутриклеточных пустот колеблется для разных пород в широких пределах от 100 кг/м³ (бальса) до 1300 кг/м³ (гваякум). Теплота сгорания абсолютно сухой древесины всех пород одинакова и составляет 4500 ккал/кг = 18800 кДж/кг = 5,2 кВт•час/кг. Это значение соответствует присутствию воды в продуктах сгорания в виде водяных паров. Именно это значение используется во всех энергетических расчётах печей, поскольку водяные пары в топливнике и дымоходах никогда не конденсируются. Если же водяные пары в дымовых газах всё же сконденсировать, то теплота сгорания повысится до 4700-4900 ккал/кг, то есть на 4-8%. Этот процесс реализуется в ультрасовременных, так называемых «конденсирующих» теплогенераторах (см. далее рис. 102в), полностью охлаждающих дымовые газы с конденсацией водяных паров и полезно использующих дополнительно снимаемое тепло. Тяга теплогенератора при этом уже не может создаваться дымовой трубой и обеспечивается электрическим вытяжным вентилятором. Коэффициент полезного действия конденсирующих теплогенераторов может достигать 106-108% (считая за 100% идеальный теплогенератор без конденсации пара и без охлаждения дымовых газов).

Пиролиз древесины

Воспламенение и горение древесины есть следствие её нагрева до высоких температур в воздухе. В холодном состоянии древесина воздухом не окисляется. При нагреве древесина термически разрушается с образованием легкогорючих веществ, которые могут воспламеняться и поддерживать дальнейшее горение древесины. Поэтому для правильного понимания процессов горения необходимо знать как термически разрушается древесина. Первичное термическое разрушение древесины происходит внутри полена, а значит без доступа воздуха (ввиду слабой газопроницаемости древесины). Термическое разрушение древесины в инертной среде (без доступа кислорода воздуха или иных окислителей) называется термической деструкцией, термическим разложением или пиролизом. В дальнейшем мы будем для краткости пользоваться термином «пиролиз», хотя сразу оговоримся, что «pyr» по-гречески означает огонь, и поэтому точнее было бы понимать под термином «пиролиз» разрушение в огне (то есть при горении в кислороде), а не разрушение в инертном газе. Так, например, в лесоведении «пирологией» называют науку о лесных пожарах и и вызываемых ими изменениях в лесу.

Пламенное горение горючих газов

Образующиеся при пиролизе древесины угли и горючие газы сгорают на воздухе по-разному, причём и горючие газы сгорают по-разному в зависимости от того, смешаны ли они с воздухом предварительно в горючую смесь (гомогенные пламена) или не смешаны или частично смешаны (гетерогенные диффузные пламена). Метан через жиклёр 1 подаётся в модельную горелку 2, где струйно смешивается с подсасываемым через отверстия 3 «первичным» воздухом, а затем сгорает во «вторичном» воздухе над горелкой в виде известного голубого прозрачного пламени 4 (рис. 93). Процесс горения является самоподдерживающимся процессом: в зону пламени 4 поступает метан изнутри, а кислород воздуха снаружи. Метан в смеси с подмешанным воздухом сначала прогревается за счёт теплопроводности от фронта горения, затем начинает термически разлагаться (как при пиролизе). Образующиеся активные радикалы при наличии кислорода тотчас вступают в первичные реакции окисления (с выделением тепла СН₄+О₂→CH₂+H₂+O₂→CO*+ H₂O +H₂ и т. д.), а затем всё это догорает во внешнем («вторичном») воздухе 10.

Воспламенение и горение дров

Для простейшего качественного анализа возьмём деревянную дощечку и положим её плашмя на тлеющие угли очага. Ясно, что доска должна нагреваться снизу, а значит и дрова в кострах и в печах вспыхивают и горят снизу. Поминутно перевёртывая дощечку для осмотра нагревающейся стороной вверх, можно заметить, что сначала обугливаются и начинают тлеть заусеницы (ворсинки) на поверхности доски 3. Поэтому для облегчения загорания дров, перед растопкой на поленьях иногда делают топором крупные насечки (заусенцы, заструги). И наоборот, для предотвращения преждевременного воспламенения, доски обжигают паяльной лампой (газовой горелкой, факелом, лучиной) для удаления ворсистости поверхности древесины, например, на потолке курной бани.

Дровяные печи

Понятие «печи» в современном русском языке стало не вполне определённым (так же как и понятие «бани»). Так, в древности под печью понимали (в отличие от костра) не просто огонь, а то тепло, которое сохранялось в камне (кирпичах, глине) после прогорания огня. Русская печь грела и пекла не во время горения огня, а после. Печёная еда — это не жаренная на огне или углях и не варёная в кастрюле на кухонной плите, а приготовленная при помощи лучистого тепла от раскалённого свода печи. Фактически можно сказать, что и в чёрной бане люди «пекутся» на «вольном жаре» от раскалённых валунов, стен и потолков.

Устройства для сжигания дров

Простейшим обогревающим устройством является костёр, представляющий собой совокупность двух или более поленьев, греющих друг друга. Костёр является величайшим изобретением человечества. Чёрные (курные) бани — это фактически сочетание костра и воды. Пустоты между поленьями костра практически представляют собой множество микротопок с горящими деревянными «стенками». Скорость горения «стенок» может целенаправленно изменяться подбором размера и порядком укладки поленьев, их шуровкой, увлажнением, продувкой воздуха и т. п. В этом отличие костров от лесных и бытовых пожаров, которые «управляемы» весьма условно (в части тушения). Но, конечно, теория локальных костров лежит в основе теории распространяющихся пожаров. Первичными отличиями костра от полена являются: во-первых, возможность подогрева поленьев (для сушки, воспламенения и горения) другими уже горящими поленьями и во-вторых, возможно затруднённый доступ кислорода к месту горения. Если воздух подавать во все промежутки между поленьями в достаточном количестве, то пламя костра низкое (сосредоточено в закладке дров). Но если воздуха в закладке дров не хватает, то летучие продукты пиролиза вырываются из межполенных промежутков и догорают над костром в виде «столба огня».

Особенности сжигания дров в печи

Теория топочных процессов включает вопросы газодинамики струй и течений, кинетики химических реакций горения, теплообмена с поверхностями топки и каналов (Г.Ф. Кнорре, Топочные процессы, М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959 г.; М.А. Глинков, Основы общей теории печей, М.: Металлургиздат, 1962 г.). Многочисленность факторов делает оптимизацию топок весьма сложной задачей даже для специалистов. Настоящая книга не ставит задач по анализу и систематизации тех миллиардов различных конкретных конструкций печных устройств, которые были разработаны человечеством в ходе эволюции, тем более, что толковому печнику психологически и технически проще придумать сотню новых конструкций, чем довести одну единственную (А.И. Рязанкин, Секреты печного мастерства, М.: Народное творчество , 2004 г.). Мы остановимся только на одном, но самом главном, с нашей точки зрения, моменте: взаимосвязи процесса горения каждого индивидуального полена с процессами работы всей печи в целом.

Механизмы теплосъёма в печах

Тепло, выделившееся в результате химической реакции горения дров, разделяется в печи на две части: на «полезное» тепло, идущее на нагрев помещения (стен, потолка, пола, воздуха, людей, самой печи и т. п.), и на тепло, безвозвратно и «бесполезно» выброшенное из дымовой трубы в атмосферу. Слово «бесполезно» поставлено в кавычки из-за того, что наряду с действительной невозможностью использования тепла дыма, выброшенного в атмосферу, для нагрева помещения, тем не менее, тепло дыма было полезно и необходимо, поскольку именно это тепло создавало тягу в трубе для подачи воздуха в печь. Бывает так, что «тепловая» цена за тягу оказывается несуразно высокой, и дачник пытается снизить эту цену. При этом у дачника фактически только два пути: снижать температуру выбрасываемых дымовых газов или снижать массовый расход дымовых газов (при одной и той же скорости горения дров). Исторически на этапе перехода от открытых очагов через камины к печам снижался массовый расход дымовых газов (или, что одно и то же, расход подаваемого воздуха). На этапе перехода к многооборотным печам снижалась температура выбрасываемых дымовых газов. Сейчас, на этапе перехода к герметичным металлическим печам, стремятся ещё больше снизить массовый расход дымовых газов.

Внутренняя аэродинамика печей

Часто в быту полагают, что дымовая труба нужна в печи только для того (или прежде всего для того), чтобы выводить из печи дым так, чтобы он не попал в помещение. Но ведь печь — это не устройство для производства дыма, а аппарат для выработки тепла. Так что сам по себе дым в печи — это вторичный и второстепенный фактор-следствие. Главное в печи — это то, что в ней горят дрова. И труба нужна печи в первую очередь для того, чтобы побуждать (создавать) в печи непрерывное течение газов (свежего воздуха, подводящего кислород к зоне горения, и дымовых газов, отводящих из зоны горения продукты сгорания). Причем, продукты сгорания — это самое полезное в печи, поскольку именно они содержат то тепло, ради которого и жгут дрова. Но охлаждённые (после отбора тепла) продукты сгорания (дымовые газы) конечно лучше выводить за пределы бани, минуя помещение, но уже только в целях улучшения санитарно-гигиенической обстановки.

Полости в печах. Гидравлическая модель

Как мы уже убедились, аэродинамика топок отличается от аэродинамики дымовых каналов, причём не только из-за того, что в топке «горит огонь», но и из-за того, что топки являются не каналами (трубами), а полостями (сосудами, объёмными элементами печи). В этом разделе мы начнем рассматривать особенности подобных полостей в печах (то есть существенных расширений дымовых каналов), движения газа в которых порой заранее не может предсказать даже опытный печник. Одно дело, когда дым движется единым потоком по трубе постоянного малого сечения, когда картина одномерная и знакомая всем «по водопроводному шлангу». Но стоит только этот шланг бросить концом в заполненную водой бочку, то сразу станет ясным, что картина потоков в бочке может быть намного более сложной, чем в шланге.Сейчас трудно представить себе, что еще во времена Петра Великого никто в мире не знал, что такое воздух и что такое дым. Только при Екатерине Великой люди «догадались», почему дым поднимается вверх — мол существует некая субстанция «флогистон» (огненная материя с отрицательным! весом), якобы содержащаяся во всех горючих веществах. В 1783 году братья Монгольфье впервые наполнили флогистоном воздушный шар (аэростат), и этот воздушный шар действительно оторвался от земли. И хотя толпы людей видели, как флогистон поднял вверх воздушный шар, тем не менее, впоследствии оказалось, что флогистона в природе не существует вообще.

Полости в печах. Супергидравлическая модель

Ещё при жизни Грум-Гржимайло было доказано, что в реальных печах «свободного движения газов» практически никогда не бывает. Это объясняется тем, что печи состоят не только из полостей (колпаков), но и из дымовых каналов весьма ограниченного проходного сечения. Такие каналы, как правило, «захлёбываются», и движения газов в печах начинают целиком определяться влиянием дымовой трубы. Чтобы популярно пояснить суть реальных явлений и устранить многие недосказанности, «расширим» простейшую гидравлическую модель печей до некой «супергидравлической модели». Как и ранее, для наглядности будем проводить известные аналогии между течениями воды и течениями газов. А именно, будем использовать тот очевидный факт, что легкий горячий газ всплывает в тяжелом холодном газе в принципе точно также (аналогично), как тяжелая вода падает в легком воздухе. Подобная аналогия, конечно же, крайне условна — ясно, например, что вода падает с утоньшением струи (и не увлекая окружающий воздух), а горячий дым от костра поднимается с утолщением струи ( увлекая за собой громадные количества окружающего воздуха). Тем не менее, такая аналогия позволяет прогнозировать принципы движения легких (именно легких!) дымовых газов методом «переворачивания вверх ногами» знакомых всем с детства водных течений.

Страницы