Рис. 1а. Модельные варианты каменок, за- полняющих дымовую трубу: а – высокая труба, полностью до оголовка наполненная камнями, б – низкая труба, полностью до оголовка на- полненная камнями, в – высокая труба, частич- но наполненная камнями, Если температура в трубе всюду (и в камнях, и в пустотах) одина- кова и выше температуры атмосферного возду- ха, то скорости подъёма дымовых газов за счёт гравитационных перепадов давления (тяги) в примерах а и б равны между собой, а в приме- ре в скорость возрастает пропорционально вы- соте трубы и обратно пропорционально высоте заполненного участка. Закрытые фильтрующие каменки на дровах встречаются в настоящее время уже редко - только лишь в дорогих кирпичных печах для любительских бань при очень квалифицированной эксплуатации (М.А.Соколов). Открытые каменки в закрытом контейнере и открытом являются более гигиеничными, простыми в эксплуатации и не оказывающими сопротивления дымовымгазам (И.ФКурин, Патент РФ30420). Открытые каменки хорошо сочета- ются с металлическими печами, являющимися сейчас основой подавляю- щего числа дачных бань. Каменки размещаются вокруг топливников или в контейнерах внутри топливников и дымоходов (примерно так, как ку- хонные духовки). Основную долю энергии печь выдаёт в виде лучистого тепла от углей и пламени, причём это тепло очень легко поглощается стенками теплооб- менных элементов, в том числе и стенками контейнера каменки (в отли- чие от кондуктивноконвективного тепла). Поэтому целесообразно конструировать печи таким образом, чтобы всё тепло от углей беспрепят- ственно попадало на внешние стенки топливника, в том числе контейне- ра, эффективно охлаждаемые в свою очередь лучистыми потоками на сте- ны бани (или на экраны печи) и/или мощными конвективными потоками и/или засыпками камней и/или лучше всего водой. Любые экраны внут- ри топливника могут существенно поглотить лучистые потоки тепла вну- три топливника и трансформировать их в конвективные (дымовые) пото- ки тепла, поглотить которые стенками теплообменных элементов затруднительно, особенно при высокой температуре стенок (то есть охла- дить горячие газы труднее, чем поглотить лучистое тепло от углей). От- сюда следует, что варианты печей с внутренними дымооборотами , отгораживающими контейнер каменки от углей и пламе- ни, не могут рассматриваться как удачные решения для нагрева стенок ка- менки. Тем не менее, в ряде случаев экраны внутри топливника оказыва- ются полезными, но не каменке, а самой печи, поскольку несмотря на общее снижение лучистых потоков на стенку топливника, они могут обес- печить (как жаровни) повышенный нагрев дров в период пламенного го- рения или, например, перераспределить лучистые потоки, в частности, предотвращая перегрев отдельных узлов печи. Но, как правило, в топлив- нике необходимо устранять все экраны (в том числе и сами дрова), между углями и важными стенками топливника, а уж потом при выводе дымо- вых газов в дымовую трубу можно использовать экраны как жаровни и дымообороты как газозавихрители с целью отбора тепла дымовых газов. В последнее время в Финляндии, а затем и в России разработано большое число металлических печей для саун с открытыми каменками (в том числе и в закрытом контейнеретермосе). Для русских бань реко- мендуются металлические печикаменки типа «Вулкан» и «Булерьян» с нагревом камней от топки. Характерной особенностью каме- нок этого типа является наличие в нижней части воздухоподающих ще- лей 5 (отверстий), прикрываемых специальными заслонками (клапана- ми), в том числе распахивающимися. Открывая заслонку, можно обеспечить доступ потока воздуха снизу в насыпку камней. Производители считают, что режим с открытымизаслонками имитирует «сухой жар сауны», а режим с закрытыми заслонками имитирует «влажный пар русской парной».
Принцип действия открытых каме-
нок для саун по версии «Вулкан» и «Булерьян»:
1 – металлический топливник, 2 – дверка, 3 –
зольник, 4 – ножки печи, 5 – открытый канал
для подачи воздуха в каменку при распахнутой
воздушной заслонке, 6 – воздушная заслонка
в закрытом положении, 7 – камни внавал, 8 –
дымовая труба, 9 – контейнер для каменки, 10 –
рассекатель (завихритель) пламени.
Поясняется при этом, что с открытыми заслонками осуществляется интенсивное потоотделение в сухомвоздухе (без поддач) при температуре воздуха 100–130°С и относительной влажности воздуха 0–10%. Затем парную проветривают, снижая температуру до 50–55°С, после чего температуру и влажность воздуха в парной поднимают, поддавая воду на раскалённые камни при закрытых заслонках. Технически указанное решение интересно (хотя и малоэффективно), позволяет в какойто степени варьировать банные условия по желанию пользователя, осознанно учитывая аэродинамические особенности бань различного типа. Однако, особый интерес представляет иной режим, когда сначала камни прогревают при закрытых заслонках, а затем льют воду на камни при открытых заслонках. Получается уже не поток пара, а поток смеси воздуха с паром, имитирую- щий поток горячего влажного воздуха от веника в паровой бане. Такой по- ток влажного пара менее подвержен туманообразованию при смешении с более холодным воздухом бани, но тем не менее способен выделять кон- денсат на потолке бани. К сожалению, естественный поток воздуха через каменку слишком мал, чтобы образовать требуемую паровоздушную смесь с температурой 60–65°С и относительной влажностью 60–65%: нужны электровентилятор и строго дозированный ввод воды. Многие конструкторы металлических печейкаменок любят специальные мелкие дымообороты в начале дымовой трубы, преимущественно горизонтальные, в районе каменки (в частности, называемые лабиринтными теплообменниками (рис. 147и, рис. 149). Эти дымообороты могут оснащаться различного рода «рассекателями пламени», турбулизаторами дымовых потоков, завихрителями, повышающими, якобы, теплоотдачу, в первую очередь, в каменку. Как уже отмечалось выше, такие завихрители допустимы лишь в том случае, если они не отгораживают каменку от топки, то есть расположены в дымовой трубе. Эти дымообороты,как и любые местные газодинамические сопротивления (повороты, развороты, расширения и т. п.) увеличивают скорость движения дымовых газов в вихрях и могут повысить коэффициенты местной теплопередачи в стенку трубы с 10 до 30 Вт/м2.град. Но заметную эффективность завихрителей в части теплоотдачи можно ожидать лишь на этапе пламенного горения дров, когда лучистые потоки от углей малы. Именно на этом этапе дымообороты подвержены сажеосаждению, ухудшающему тепло- обмен. Все лабиринты необходимо оснащать технологическим заглушка- ми для чистки сажи. Если подобные мелкие лабиринтные дымообороты забиваются сажей или «слишком» турбулизируют поток с уменьшением тяги в трубе, их необходимо удалять. Наиболее широко используются горизонтальные дымообороты, охва- тывающие контейнер с камнями, который в свою очередь погружён в топливник. Контейнер с «талией» 10 удобен тем, что образу- ет вокруг себя огневой канал 18, отделяющий контейнер от стенки печи 1. Канал 18 выполняет роль теплоизолятора и одновременно нагревате- ля. В финских печах длинные стороны дна контейнера обычно приваре- ны к стенке печи 1 таким образом, чтобы образовались жёсткие профиль- ные трубы – продольные вдоль печи каналы, по которым дым проходит из топливника в трубу. В таких трубчатых каналах обязательно устанав- ливают технологические лючки с заглушками. В приведённой на рисун- ке 150 модели контейнера по версии «Термофор» между дном контейне- ра и стенкой печи 1 оставлен зазор (щель) шириной 1–2 см так, чтобы дым 8 мог проникать в канал 18 по всему периметру дна контейнера, а пе- пел и сажа могли беспрепятственно ссыпаться в топливник. Через эту щель можно также чистить каналы щёткой. Печь работает следующим образом. Поток воздуха 14 поступает через зольник 7 и колосниковую решётку под закладку горящих дров. Дымовые газы 8 обтекают контейнер с камнями 10 и удаляются в дымовую трубу 5. Дымовые каналы (лабиринты теплообменники) 18, а точнее дымовые кар- маны, по своей конструкции здесь удачны тем, что препятствуют образова- нию циркуляционных потоков 9, поскольку «как пылесосы» отсасывают дым вверх по всему периметру печи. Поскольку в печи используется ко- лосниковая решётка, то дымовые газы содержат большое количество горю- чих газов пиролиза (летучих), для дожигания которых подаётся вторич- ный воздух 12 по специальному трубчатому каналу 11 из зольника 7. Тяга в канале 11 возникает лишь при его нагреве и при наличии сопротивления решётки (при её завале горящими углями). Воздухозаборное отверстие 16 позволяет в любом режиме всегда подать воздух и на горение дров 17, и на дожигание летучих 13 с переводом решётки на режим глухого пода.Основ- ным условием эффективного нагрева контейнера 10 является наличие длинного пламени, полностью охватывающего контейнер и нагревающе- го его именно лучистым теплом, а не только конвективным. Это требует подачи строго дозированного, причём минимально необходимого коли- чества вторичного воздуха так, чтобы образовалось длинное пламя, мо- жет быть даже дымящее. Это чревато выделением сажи в каналах 18 и дымовой трубе, но такова уж цена эффективности нагрева камней на первом пламенном этапе горения дров. На втором этапе горения (сжига- ния углей), дающем основной вклад в нагрев камней, основную роль иг- рают лучистые потоки от углей на корпус контейнера каменки. В этом случае конструкция печей по типу рисунка 150 уже не является опти- мальной, поскольку большая часть лучистого тепла от углей идёт отнюдь не на контейнер, а на стенки печи 1.
Принципиальная схема металлической печикаменки для сауны (версия «Термофор»): 1 – корпус печи, 2 – экран (кожух) печи, 3 – калориферный промежуток (канал, пространство, щель), 4 – воздухозаборные отверстия (щели) калорифера, 5 – насадная труба стального дымохода, 6 – каменная засыпка (каменка), 7 – поддувало (зольник), перекрываемое колосниковой решёткой,
8 – главный (вытяжной) дымовой поток, 9 – циркуляционный дымовой поток, 10 – корпус каменки из толстой стали, 11 – стальная трубка для подачи подогретого вторичного воздуха из поддувала в зону дожигания перед дымовой трубой, 12 – вторичный воздух, 13 – вариант подачи вторичного воздуха, 14 – дверка поддувала, выполненнаяв виде вытаскивающегося совка (коробки, лотка) с золой, 15 – дверка топливника (может выполняться стеклянной), 16 – воздухозаборное отверстие (может выполнять роль глазка для контроля режима горения), 17 – «проваливающаяся струя при малыхскоростях ввода воздуха, обеспечивающая горение дров, 18 – дымовой канал (карман).
Фирма «Кастор», например, исправляет этот недостаток установкой вдоль стенок, в первую очередь задней, экранов из жаростойкой стали, выполняющих роль жаровен, нагревающихся до высоких температур (докрасна) и излучающих тепло на дно контейнера (см. поз. 16 на рис. 117).Положительная роль каналов 18 (рис. 150) при сжигании углей снижается до минимума, поскольку несмотря на заполнение каналов го- рячим воздухом, лучистые потоки от раскалённой стенки контейнера к охлаждающимся стенкам печи становятся определяющим видом теплопотерь контейнера.
