Печи финской сауны

Устройство печей. В современной финской сауне для создания сухой и жаркой атмосферы применяют металлические печи, нагреваемые электроэнергией или дровами. Так как в этих печах нет массивной кирпичной кладки, то при парении их нагревают непрерывно. Электропечами удобнее пользоваться, чем дровяными, так как они быстрее разогреваются, точно поддерживают заданную температуру, не загрязняют атмосферу бани дымом и копотью, не требуют столь тщательного ухода во время топки.

Электропечи состоят из корпуса, электронагревателей и тепловой защиты и могут быть выполнены с каменкой и без нее. Корпус печи делают сварным или сборным на болтах из стальных листов толщиной 2...3 мм круглого или прямоугольного сечения. Его размеры зависят от мощности нагревателя и объема каменки. Для улучшения теплообмена с окружающим воздухом в нижней части корпуса предусмотрены щели.

В печах используются электронагреватели открытого и закрытого типа. Электронагреватели закрытого типа удобнее в эксплуатации, благодаря тому что их легко заменить. В нагревателях открытого типа нихромовая проволока или лента размещена в виде спирали на огнеупорном керамическом основании. Тепловую защиту печи выполняют обычно из нескольких тепловых экранов, расположенных последовательно друг за другом, и реже в виде огнеупорной кладки,

Тепловые экраны изготовляют из нержавеющей или низкоуглеродистой стали и благодаря их малой массе печь быстро разогревается. Каменку располагают на решетке в корпусе печи, а массу камней выбирают в зависимости от объема парилки. При отсутствии каменки воздух в парную нагнетают вентилятором через электропечь, которая работает в данном случае как тепловой калорифер.

Дровяные металлические печи для сауны состоят из корпуса, дымохода и каменки. Они могут быть выполнены с огнеупорной кирпичной кладкой и без нее. Печи с кирпичной кладкой по конструкции аналогичны малотеплоемким печам такого же типа, используемым в русской бане.

Металлические дровяные печи без кладки, состоят из корпуса, дымохода и каменки. Корпус сваривают из листов стали толщиной 3...5 мм. Дрова сжигают на колосниковой решетке и благодаря малой тепловой емкости корпуса печи воздух в парилке быстро нагревается. Каменку для накопления тепла от сжигания дров размещают в специальном верхнем канале печи.

Мощность нагревателя электропечи для нагрева сауны в течение заданного времени зависит от конечной температуры нагрева, объема парилки, массы аккумулирующих тепло камней. Ее определяют из теплового баланса бани, основными статьями которого являются:

расход тепла на нагрев стен и потолка парилки, который находят из условия равномерного распределения температуры по объему:

где Vn - объем материала стен и потолка, м³; γ_п - плотность материала, кг/м³; С_п- теплоемкость материала, Дж/(кг*град);t_пар- начальная температура парной, °С;

средняя температура стен и потолка, ее определяют из условия линейного распределения температуры по их толщине:

где t_пар- температура нагрева парной, °С; t₀- температура наружного воздуха, °С;

если стены и потолок выполнены двух- или трехслойными, то для каждого слоя находят среднюю температуру и соответственно количество аккумулированного тепла:

тепло, аккумулированное камнями:

где G_K- масса камней, кг; с_к - теплоемкость камней, Дж/кг*град; t^кон_кам -конечная температура нагрева камней, °С; t^нач_кам -начальная температура камней, °С;

потери тепла в результате теплопроводности через стены и потолок сауны

где t_пар - температура внутренней поверхности стен и потолка парной, °С; t₀ - температура наружного воздуха,⁰С;λ₁-толщина стен и потолка, м; λ₁ - коэффициент теплопроводности стен и потолка, Вт/(м*град); α-коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности воздуху, Вт/(м²*град), обычноαα α= 11,63 Вт/(м²*град); F - площадь внутренней поверхности стен и потолка, м².

Расход тепла на нагрев воздуха парилки не превышает 3% общего расхода тепла, поэтому им можно пренебречь.

Общий расход тепла на нагрев бани за время τ

Мощность нагревателя

Таблица 5. Теплофизические свойства строительных материалов

Обычно выбирают нагреватель мощностью на 10...25% выше расчетной, чтобы не зависеть от колебаний напряжения в электросети и отклонения от средних параметров нагреваемых материалов, температуры окружающего воздуха и т. п. (табл.5). Приняв запас мощности 20%. находят общую мощность нагревателя

Коэффициент полезного действия бани определяют по формуле

и выражают через него мощность нагревателя

Мощность нагревателя зависит от продолжительности нагрева, КПД бани, полезного тепла, аккумулируемого печью и зданием бани.

С увеличением продолжительности нагрева сауны и КПД мощность электропечи при постоянном расходе полезного тепла (84 000 кДж) снижается. Оптимальное время нагрева сауны 2...3 ч (рис. 28). Сокращение продолжительности нагрева на 1 ч требует увеличения мощности нагревателя на 180...200%, в то же время увеличение продолжительности на 2 ч снижает мощность только на 22...30%.

Рис.28 Мощность электронагревателя в зависимости от продолжительности нагрева при различных КПД парилки объемом 0,8 м³ (1 - 0,4; 2 - 0,6; 3 - 0,8; 4 - 0,9; 5 - 1)

При снижении КПД с 1 до 0,6 для сохранения температурного режима требуется увеличить мощность нагревателя в 4 раза (с 5 до 20 кВт).

Толщина стен. Высокий КПД бани (0,8...0,9) достигают снижением потерь тепла через стены и потолок путем увеличения их толщины. Однако при этом повышается масса строительного материала и, следовательно, его теплоаккумулирующая способность. При толщине бревенчатых стен 100... 140 мм для нагрева бани объемом 8 м3 в течение трех часов требуется электропечь минимальной мощностью 12 кВт (рис. 29). При такой толщине стен КПД равно 0,6...0,72. Увеличение толщины стен до 240 мм позволяет повысить КПД до 0,87, но для нагрева бани за то же время потребуется электропечь мощностью 14 кВт. Баню с массивными теплоемкими стенами целесообразно строить, если она предназначена для общественного пользования, так как температура парной в течение длительного времени почти не меняется, поэтому мощность нагревателя можно рассчитывать только на покрытие тепловых потерь. Это означает, что для бревенчатой бани при КПД, равном 0,8, достаточно иметь электропечь с нагревателем мощностью 5,5 кВт.

Рис.29 Изменение мощности электронагревателя, тепловых потерь и аккумулированного тепла в зависимости от толщины стен парилки (сплошной линией показаны характеристики рубленных стен, штрихпунктирной - каркасных) (1 -мощность нагревателя; 2 - тепловые потери; 3 - аккумулированное тепло)

Тепловая изоляция стен и потолка. В банях периодического действия, к которым относятся главным образом бани личного пользования, стены и потолок должны обеспечивать низкие тепловые потери и обладать малой теплоаккумулирующей способностью. При этих условиях для нагрева бани в течение 2...3 ч могут быть использованы электропечи небольшой мощности. Обычно стены и потолок каркасной бани обшивают изнутри досками толщиной 20...25 мм и с прокладкой шлаковой или стеклянной ваты, отличающейся низкой теплопроводностью.

Через стены каркасной конструкции с теплоизоляцией из шлаковой ваты тепловые потери в 6 раз меньше, чем через бревенчатые стены одинаковой толщины (120 мм), а их аккумулирующая способность в 1,6 раза ниже. Нагреватель минимальной мощности (4 кВт) можно применять при толщине каркасных стен 0,08...0,12 м.

Таким образом, при определении мощности нагревателя электропечи для нагрева сауны в течение 2,5...3 ч следует исходить из следующих норм удельной мощности (кВт/м³):

  для бревенчатого строения 1,4...1,8; 
  для каркасного строения с тепловой изоляцией 0,6...0,8. 

После достижения требуемой температуры нагрева потребляемая мощность должна быть снижена в 1,5...2 раза изменением схемы включения нагревателей в сеть или поддерживаться автоматическим регулятором температуры, подключающим нагреватели к сети на полную или частичную нагрузку (рис. 30).

Рис.30 Зависимость мощности электронагревателя от объема парилки после достижения температуры парения (1 - 80; 2 - 100; 3 - 120)

Масса камней. Выше отмечалась важная роль каменки в нагреве и поддержании стабильной температуры в парилке благодаря аккумулированию ею большого количества тепла. Аккумулирующая способность каменки зависит от массы, температуры нагрева и удельной теплоемкости камней. Обычно для каменки подбирают булыжники вулканического происхождения, так как их удельная теплоемкость 0,9... 1,12 кДж/(кг*К). Массу камней определяют в зависимости от объема парилки и способа пользования баней.

В финской бане пользуются в основном электрическими печами постоянного действия, которые после нагрева парилки до заданной температуры работают в режиме, обеспечивающем компенсацию тепловых потерь.

Массу камней для этих печей можно определить из условия накопления в них запаса тепла, необходимого для покрытия тепловых потерь бани в течение 1,5...2 ч. Запас аккумулированного тепла каменкой

где τ_ак - продолжительность поддержания температуры в парилке, ч; Q_noт - тепловые потери парилки, Вт. Тогда масса камней

где V - объем парилки, м³; ρ - удельная мощность электронагревателя, кВт/м³; η- КПД парилки; с - удельная теплоемкость камней, кДж/(кг*К); t^кон_кам -конечная средняя температура нагрева камней, °С (обычно 200...250°С); t ^нач _кам- начальная температура камней, °С.

Ориентировочно массу камней для аккумулирования тепла можно принять равной 5...7 кг на 1 м³ объема парной.

Схемы включения электропечи в сеть. Число и схему включения нагревательных элементов выбирают с учетом мощности печи и ее конструкции, а также требования ступенчатого регулирования мощности. Электропечи с электронагревателями мощностью более 15 кВт для равномерной нагрузки фаз подключают к сети трехфазного тока треугольником или звездой. Нагревательные устройства меньшей мощности можно подключать к однофазной или трехфазной сети по однофазной схеме параллельного, последовательного и смешанного параллельно-последовательного включения.

В электропечах малой мощности устанавливают от 2 до 12 нагревательных элементов, в электропечах большой мощности - от 6 до нескольких десятков. Для ступенчатого регулирования мощности наиболее часто применяют переключение нагревательных элементов с параллельного соединения на последовательное при однофазной схеме включения, а также переключение с треугольника на звезду при трехфазной схеме. Для переключения используют поворотные выключатели и переключатели, рубильники или барабанные переключатели.

Схема переключения двух одинаковых нагревательных сопротивлений с параллельного соединения на последовательное дает три ступени мощности, %: I-100; II-50; III-25. Если сопротивления не одинаковые то, при

R₁ - сопротивление одного нагревателя, Ом; R₂ - сопротивление другого нагревателя, Ом,

получают четыре ступени мощности, %: 1-100; II- 66, III-33,3; IV-22,2 (рис.31).

Рис.32 Схема включения шести нагревателей в сеть при R₁/R₂=2 (1-100%; II- 66,7%, III-33,3%)

Мощность печи можно изменять либо вручную, либо автоматически по сигналу, поступающему от регулятора теплового режима. Термопару, дающую сигнал тепловому регулятору, размещают внутри парной в зоне наибольших температур, т. е. верхней части стены. Регулятор и исполнительный механизм устанавливают в комнате для переодевания.

Разновидности печей. Отопительные электропечи работают в сауне в постоянном режиме. Отличительная особенность их использования заключается в быстром нагреве парилки и точном регулировании температуры на заданном уровне. При установке электронагревателей большой мощности (50...70 кВт) время нагрева 20... ...30 мин.

Отопительную электропечь выполняют с огнеупорной кладкой, предохраняющей металлический корпус от прогорания, или с системой тепловых экранов. Печь с огнеупорной кладкой обладает большой теплоаккумулирующей способностью, что необходимо учитывать при определении времени ее нагрева.

Нагревательная электропечь с защитной огнеупорной кладкой состоит из металлического корпуса, стальной решетки с уложенными на ней камнями, электронагревателя. В корпусе печи ниже уровня решетки делают вентиляционные отверстия для конвективного движения воздуха между нагреваемыми камнями. Электронагреватель открытого типа изготовляют из нихромовой проволоки в виде цилиндрической спирали, которую укладывают в пазы керамического огнеупорного основания. Размеры нагревателя и потребляемую им мощность определяют в зависимости от внутреннего объема парилки, теплоизоляции ее стен и потолка, времени нагрева до требуемой температуры, а также массы огнеупорной защитной кладки и камней.

Для изготовления отопительных электропечей с системой тепловых экранов требуются жаростойкие металлические материалы. Однако они быстро нагреваются. Такая печь вертикального типа состоит из корпуса с токоподводящими шинами и вертикально расположенными электрическими нагревательными элементами закрытого типа (тэнами), с системой тепловых экранов из нержавеющей стали, над которыми устанавливают решетку с камнями-булыжниками.

Дровяные печи постоянного действия часто изготовляют полностью из металла: один вариант печи - очаг и дымоход сварены из листовой стали толщиной 4 мм, камни уложены в верхнем горизонтальном дымоходе, где они нагреваются и отапливают парилку (рис. 33). Другой вариант металлической печи - калорифер постоянного действия (рис, 34) конструкции И. Н. Муравьева - выполняет три функции: обогрев парной аккумулированным теплом каменки, размещенной в верхней части печи ускоренный нагрев воздуха парной конвекцией через щели калорифера, образуемого дополнительными тепловыми экранами, установленных вокруг стенок печи; нагрев воды для мытья в бачке, размещенном в задней части топки и соединенной трубами с емкостью для воды в помещении для мытья. Из-за небольших размеров печь быстро прогревается, что позволяет достигать ускоренного нагрева парной (90 мин) при сохранении низкой влажности ее атмосферы.

Рис.33 Печь постоянного действия (1 - поддувало; 2 - корпус печи; 3 - топочное пространство; 4 - решетка; 5 - камни; 6 - дымовая труба)

Рис.34 Печь-калорифер с подогревом воды (1 - каменка; 2 - бак для нагрева воды; 3 - сливной кран; 4 - кирпичная кладка; 5 - корпус; 6 - патрубки для подачи и отвода воды; 7 - тепловой экран калорифера)

Рис.34 Печь-калорифер с подогревом воды