2.2. Два вида русской бани: по-черному и по-белому. 6
2.3. Характеристики русской бани 8
^ 3. Практическая часть 10
3.1.Наблюдение за изменением влажности 10
3.2. . Наблюдение за изменением температуры. 11
3.3. Определение количества теплоты, полученного от нагревателя (дрова). 12
3.4. Расчет и анализ количества «полезной» теплоты. 12
3.5. Расчет мощности печи. 15
3.6. Расчет КПД печи. 16
3.7. Расчет стоимости обслуживания. 16
6. Список литературы: 18
1. Актуальность вопроса
1.1. Определение проблемы
1.2. Цели исследования
Исследование и сравнение параметров разных конструкций бань
Исследование возможности получения выгоды за счет усовершенствования конструкции.
^
1.3. Задачи исследования
Поиск, обработка и анализ информации о характеристиках русских бань:
— изучение устройства и принципа действия бани;
— изучение различных типов бань
Расчет мощности печи
Расчет КПД печи
Расчет стоимости обслуживания бани
Поиск путей усовершенствования конструкции
^
2. Теоретическая часть
2.1. Преимущества бань
2.2. Два вида русской бани: по-черному и по-белому.
Баня по-черному — старинная русская баня, которой пользовались наши предки многие и многие годы, да и сейчас этот вид бани еще сохраняется в северных российских деревнях и в Сибири. Она представляет собой бревенчатую избушку, в которой совмещены парная и моечная. Обогрев помещения осуществляется от костра, который горит в очаге, расположенном обычно в центре помещения под кучей камней.
Рис. 1. Баня по-черному Трубы в бане по-черному нет, и дым из топки, пройдя через камни, аккумулирующие жар, циркулирует по помещению, обогревая стены, потолок, и затем уходит через отверстия в крыше (потолке) и стенах, а также через полуоткрытую дверь. Потолок и стены в такой бане всегда закопченные, отсюда и название бани — по-черному. Когда баня истоплена, то после полного сгорания дров оставшиеся головешки и угли выбрасывают во двор. Затем закрывают все отверстия, через которые выходил дым из очага. Баня должна выстояться час-полтора, чтобы вышел угарный газ; после этого стены окатывают водой, моют пол, полок. Для опаривания бани обязательно поддают на раскаленные камни один-два ковшика воды. Бояться копоти в бане по-черному не следует, в ней коптятся в основном только стены и потолок; лавки, полки не окутываются дымом и остаются чистыми. Для полной гарантии их достаточно окатить водой. Если же использовать только березовые или осиновые дрова, то при их сгорании образуется очень мало сажи. Имеющаяся же в бане сажа полезна тем, что она поглощает все дурные запахи, сажа буквально дезинфицирует помещение парной. Баня по-черному, без трубы, имеет ряд преимуществ перед баней по белому, у которой для выхода дыма выведена труба. Баня по-черному проще и дешевле в постройке, не надо выводить трубу через деревянные конструкции и соблюдать при этом строгие правила пожарной безопасности. Стены бани по-черному быстрее и сильнее прогреваются, так как жар из печки-каменки, пройдя через камни, не вылетает в трубу, обогревая белый свет, а растекается внутри помещения и все прогревает. Дров для такой бани, особенно для заглубленной, надо гораздо меньше, топить баню по-черному надо не с утра, как белую, а всего два-три часа. В бане по-черному чувствуются гораздо сильнее и больше приятные запахи от бревенчатых стен, потолка, елового лапника и трав, разбросанных заранее; воздух в ней буквально насыщен ароматом. В бане же по белому запахи и ароматы появляются только тогда, когда запарен веник или плеснешь на раскаленные камни отвар трав. Баня по-белому: На рис. 2 показана самая простая деревенская баня по белому, состоящая всего из двух помещений: предбанника и парилки.
Рис. 2. Простейшая русская деревенская баня по белому: 1 — предбанник; 2 — парная и моечная; 3 — полок; 4 — печь В бане по белому не исключена угроза отравления угарным газом, и чтобы избежать этой опасности, необходимо придерживаться следующих правил: когда баня истоплена и достаточно уже прогрета, надо тщательно перемешать угли в топке, чтобы не осталось даже маленькой тлеющей головешки. Если в топке имеются большие тлеющие головешки, их следует оттуда убрать и погасить в ведре. Из поддувала печки также нужно все выгрести, так как там могут находиться долго тлеющие угли.
2.3. Характеристики русской бани
Необходимо строго соблюдать некоторые условия, как при обустройстве бани, так и при ее эксплуатации. Парная бани должна иметь приборы, измеряющие и контролирующие температуру и влажность в помещении.
1.Температура в парной измеряется контрольным термометром, который устанавливают на уровне головы стоящего человека, чтобы можно было знать максимальную, достоверную температуру воздуха, находясь на полке парной. Строго запрещено использовать в бане ртутные термометры. Если случится несчастье разбить его, то ртуть уже не собрать. Находясь в парной при высокой температуре, ртуть интенсивно испаряется, а вдыхание паров ртути очень опасно для здоровья: ртуть накапливается в организме, отравляя его. Ртуть не выводится из организма человека естественным путем, даже с потом, интенсивно выделяемым в парной. 2. Влажность в бане определяют посредством прибора, называемого гигрометром. Содержание влаги в воздухе парной по показанию гигрометра должно колебаться в пределах 40—70 г воды на 1 кг воздуха (60—85 г воды на 1 м3 воздуха). В парной вреден и слишком сухой воздух, и слишком влажный; в этих граничных условиях создается дискомфорт, особенно тяжело переносимый новичками и людьми с ослабленным здоровьем, которым не противопоказана баня. В помещении парилки желательно также иметь простые песочные часы для контроля времени проведения банной процедуры. 3. Вентиляция обязательно должна предусматриваться в любой бане, тем более в комфортной, индивидуальной. Приток свежего воздуха желательно обеспечить комбинированно: через двери, форточку, отдушину и специальные вентиляционные каналы.
Рис.3. Варианты вентиляции помещения парилки: а, б — с противоположным расположением отверстий; в — с расположением отверстий на одной стороне Отдушину устраивают обычно над верхней полкой полка. Она представляет собой прямоугольное отверстие в стене размером 15—20 см, которое закрывают съемной заглушкой. Более практично заглушку отдушины или вентиляционного канала изготовить в виде скользящей заслонки, которой легко можно регулировать величину отверстия и степень вентиляции парной. Для обеспечения притока свежего воздуха в парную бани делают приточное вентиляционное отверстие на высоте 0,3—0,5 м от пола. Приточное отверстие устраивают вблизи печки-каменки, желательно сзади, чтобы поступающий воздух успевал немного нагреться. Приточное отверстие необходимо закрыть решетчатым щитком, чтобы воздух в парилку поступал не сплошным потоком, а отдельными струйками. Через верхние вентиляционные отводящие отверстия можно горячим воздухом обогревать предбанник и моечное помещение. На рис. 3 показаны варианты вентиляции парилки с разным расположением приточных и отводящих отверстий. Надо помнить, что, чем ниже расположено отводящее отверстие, тем в большей степени экономится тепло печки-каменки. Поэтому месторасположение отводящего вентиляционного отверстия необходимо выбирать в зависимости от тепловой мощности установленной в бане каменки.
Обеспечение парилки хорошей вентиляцией должно быть предметом особого внимания при строительстве бани, так как недостаток свежего воздуха затрудняет дыхание, появляется чувство слабости, вялости и желание прекратить банную процедуру. 4. Наилучший материал для стен бани — это грубо обработанное гладкое дерево. Стены в бане желательно выполнить вертикальной обивкой вагонки из липы, осины или березы с прокладкой пароизоляционного слоя (пергамин, фольга). Поверхность деревянной обшивки можно слегка обжечь паяльной лампой для лучшего проявления текстуры дерева. В помещении парной все, с чем соприкасается кожа вашего тела, должно иметь гладкую поверхность, без задиров, острых краев, натеков смолы. Все металлические предметы необходимо применять только оцинкованные, они должны быть утоплены, спрятаны в дерево. 5. Освещение парной и других помещений бани должно быть неярким и комбинированным (от солнца и электрическое). Внутрь бани не должны бить прямые солнечные лучи. Поэтому окна бани лучше располагать на запад, тогда неяркие лучи заходящего солнца создадут прекрасную обстановку уюта и спокойствия. Для электрического освещения необходимо применять светильники герметичной конструкции с плафонами молочного или желтого цвета. Плафоны устанавливают на стене или потолке таким образом, чтобы они доставляли как можно меньше неудобств. Их углубляют в стену и закрывают мелкой деревянной решеткой. Электроразводку в бане необходимо выполнять закрытой, с прокладкой ее внутри поливинилхлоридных трубок. В помещении парной освещение будет вполне достаточным от небольшого окна, размером 40х60 см, желательно с двойным остеклением. Но для темного времени суток в парной необходимо иметь резервное электроосвещение от плафона, выключатель которого должен находиться в предбаннике. ^
3. Практическая часть
Мы провели следующие эксперименты в двух типах бань: «по-черному» и «по-белому»
1. Наблюдение за изменением влажности
2. Наблюдение за изменением температуры
3. Определение количества теплоты, полученного от нагревателя (дрова)
4. Расчет и анализ количества «полезной» теплоты
5. Расчет мощности печи.
6. Расчет КПД печи.
7. Расчет стоимости обслуживания бани
Наблюдение за изменением влажности
Приборы: гигрометр психрометрический, часы. Средняя влажность, как видно из графиков, оказалась выше в бане «по-белому». Объяснить данный факт можно тем, что баня «по-белому» имеет прямое сообщение с атмосферой в отличие от бани «по-черному», где воздух от топки к топке успевает «высушиваться», т.е. влажность меньше чем атмосферная. Также следует отметить, что в бане «по-белому» влажность стабильно высокая, т.е. не имеет характерных максимумов. А вот в бане «по-черному» влажность достигает своего пика в определенный момент времени.
3.2. . Наблюдение за изменением температуры.
Приборы: термометр, часы. Температура в бане «по-белому» в среднем выше, чем в бане «по-черному», однако нагрев её идет медленнее. В общем, заметим, что температура в бане «по-черному» изменяется более плавно, нежели в бане «по-белому». ^
3.3. Определение количества теплоты, полученного от нагревателя (дрова).
Приборы: весы В качестве топлива в обоих типах бань традиционно используются дрова. Заметим, что свойства различных пород древесины неодинаковы. Самыми «жаркими» считаются березовые и яблоневые дрова, самые «холодные» — из ольхи. При проведении эксперимента было оговорено, что дрова будут использоваться осиновые. Эти дрова обладают средними тепловыми свойствами, удельная теплота сгорания топлива для них q=8,3 МДж/кг.
Измерение массы было проведено следующим образом: сначала была измерена средняя масса одного полена, она оказалась 1,3 кг, затем это число
было умножено на количество израсходованных поленьев. Результаты получились следующие:
в бане «по-белому» сожжено
в бане «по-черному» сожжено
Итого количество теплоты, отданной дровами Q=q*m: В бане «по-белому» Q=47кг * 8,3*10 6 Дж/кг = 390,1 МДж
С – удельная теплоемкость осины, ρ – плотность, V – объем осиновых стен. Для бани «по-черному» V=3*2*1,9 – 2,95*1,95*1,85 = 0,75 м 3 Q=c*ρ*V*∆T = 2700 Дж/кг*град * 600кг/м 3 * 0,75 м 3 * 89К = 108 МДж ^ 4. Нагрев печи Печь кирпичная, причем количество кирпичей, затраченных на постройку печи, известно. Для бани «по-белому» Q=1000кг * 750Дж/кг*град * 200град =150 МДж Для бани «по-черному» Q=350кг * 750Дж/кг*град * 200град = 52,5 МДж.
Итого: Для бани «по-белому» Q=31,5+1,6+115+150= 298 МДж Для бани «по-черному» Q=21+1,02+108+52,5=183 МДж Таблица 1:
№
Вещество
Удельная теплоемкость,
Дж/кг*К
Масса,
кг
Изменение температуры,
К
Количество теплоты,
МДж
Общее кол-во теплоты,
Ч
Б
Ч
Б
Ч
Б
1.
Вода
4200
50
75
100
100
21
32
183
298
2.
Воздух
1000
11,5
14
89
119
1,06
1,6
3.
Кирпич
750
350
1000
200
200
52,5
150
4.
Дерево
(осина)
2700
450
480
89
89
108
115
3.5. Расчет мощности печи.
Мощность – скалярная физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого эта работа была совершена. В нашем случае это будет отношение количества теплоты, отданного дровами, ко времени протапливания бани. P = Q/t Для бани «по-белому» P=390,1 МДж/ 9000с = 43,3 кВт Для бани «по-черному» P=373,5 МДж / 10800c = 34,8 кВт
3.6. Расчет КПД печи.
Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение полезной работы, к энергии, полученной от нагревателя. η=1 – Qx/Qн ,где Qх – количество теплоты ушедшей в атмосферу, а
Qн – количество теплоты, отданное дровами. Qх можно рассчитать как разницу количества теплоты отданного дровами и количества «полезной» теплоты.
Под стоимостью обслуживания подразумевается стоимость топлива.
Стоимость 1 м 3 дров составляет 250 руб. Было израсходовано соответственно 47 и 45 кг дров для «белой» и «черной» бани, что составляет 26,1 руб. и 25 руб.
^ 4. Анализ полученных результатов.
Средняя влажность
Средняя температура
Q полезное
Мощность
Стоимость одной топки
По-белому
88%
33’С
390,1 МДж
300 МДж
43,3 КВт
77%
26,1 руб.
По-черному
65%
24’C
373,5 МДж
184,6 МДж
34,8 КВт
49%
25 руб.
Как видно из таблицы, наша гипотеза о том, что мощность и КПД «черной» бани будут выше, чем белой, была опровергнута. Как мощность, так и КПД «белой» бани оказались выше, чем у «черной». Попробуем разобраться, почему же так получилось.
При незначительно отличающихся количествах теплоты, отданных топливом, время протапливания «черной» бани оказалось на полчаса дольше, что, в конечном счете, и выразилось в столь низкой мощности, она оказалась в 1,2 раза ниже, чем у «белой».
Что же касается КПД, то здесь ещё более явно выразилось превосходство «белой» бани. Примерно в 1,5 раза её КПД больше, чем у «черной» бани. Столь низкий КПД «черной» бани (меньше 50% процентов) объясняется, прежде всего, большими потерями теплоты в процессе «выветривания» т.е. освобождения бани от дыма. Вместе с ним улетучивается и тепло. В «белой» же бане этот процесс не требуется, следовательно, гораздо меньше потери теплоты (в 2 раза).
Однако средняя влажность у «черной» бани оказалось ниже, чем у «белой» что с одной стороны конечно хорошо, но вместе с низкой средней температурой, даёт не очень хороший эффект. Средняя влажность и температура в «белой» бане выше. Следует заметить, что речь идёт именно о СРЕДНИХ значениях за всё время протапливания. 5. Пути усовершенствования конструкции
Устранение утечки тепла (законопачивание щелей, оборудование земляной насыпи по периметру бани)
Оборудование вентиляционного отверстия с возможностью регулировать его величину.
Замена камней в каменке.
6. Список литературы:
1. Журнал «Работница», № 6, 1998, стр. 12.
2. Журнал «Печи и камины» № 3, 2000, стр. 17-18
3. Журнал «Сельская новь» № 8, 2002, стр. 20
Источник статьи: http://litcey.ru/literatura/41195/index.html
