28 ответов в этой теме

[NickB]

Тема перенесена с ФорумХаус с учетом замечаний, полученных при обсуждении

Спасибо Юрию Михайловичу, подвигшего меня своими размышлениями на эту тему и эти расчеты.

Итак, исходные данные для расчетов
Банька, описанная в http://www.forumhouse.ru/threads/39227/ (там есть планировка)
Температура наружнего воздуха 0 градусов.
Цифры, приведенные далее, взяты на основании опыта использования бани и печи Ермак-Элит 16Т более двух лет

Попытаемся подсчитать тепловой баланс на основе этой информации

Подготовка бани занимает при таких исходных данных 2 часа, при этом сжигается около 10 кг сухих дров
В результате имеем:
парилка, прогретая в среднем до 60 градусов, моечная - 35 градусов, комната отдыха - 20 градусов
бак воды 50 литров, нагретый до 80 градусов

Тепла выделилось от сжигания дров 12 000 кДж/кг (типовая удельная теплота сгорания древесины) х 10 кг = 120 000 Кдж
Это соответствует средней мощности 120 000 кДж / 7200 сек (2часа) ~ 16-17 кВт - хорошее совпадение с данными производителя

Значит, что на все, про все у нас есть 120 000 КДж, попробуем вычислить, куда ушло это тепло.

1. Вода в баке отняла 4.2 кДж/кг*гр Х 75 гр (75=80-5 температура воды из колодца) Х 50 кг ~ 16 000 кДж (13% общего объема тепла)

2. Воздух попробуем посчитать следующим образом
а)парная 8.5 кубов Х 1.3 кг/куб (плотность воздуха) = 11 кг
11 кг Х 1 кДж/кг*гр (удельная теплоемкость воздуха) Х 60 гр ~ 660 кДж

б) моечная 7.4 кубов Х 1.3 кг/куб = 9.6 кг
9.6 кг Х 1 кДж/кг*гр Х 35 гр ~ 340 кДж

в) комната отдыха 13.5 кубов Х 1.3 кг/куб = 17.5 кг
17.5 кг Х 1 кДж/кг*гр Х 20 гр ~ 350 кДж

Итого по воздуху имеем 660 + 340 + 350 = 1450 кДж

Учтем воздухообмен, имеющий место быть
Пусть воздух менялся полностью за 2 часа 6 раз (20 минут на обмен), тогда полные затраты тепла на воздух ~ 1450 Х 6 = 8700 кДж
В общем не так много получилось, 7 %

3. Печь. Печь в упрощенном варианте состоит из:

металл сталь 60 кг, прогрета в среднем до 250 гр
60 кг Х 0.44 кДж/кг*гр Х 250 ~ 6600 кДж

камень 70 кг, прогрет в среднем до 200 гр
70 кг Х 0.8 кДж/кг*гр Х 200 ~ 11200 кДж

кирпичная стенки и подиум печи 200 кг, прогреты в среднем до 50 гр
200 кг Х 0.84 кДж/кг*гр Х 50 ~ 8400 кДж

Итого по печи 6600 + 11200 + 8400 = 26200 кДж (~ 22% объема тепла - существенный вклад)

4. Брус-дерево
тут больше всего допущений, но тем не менее попробуем оценить кол-во тепла на его прогрев

а) Парилка: учтем только вагонку которой она оббита, потому как дальше идет теплоизоляция и можно считать, что тепло туда не уйдет
22 кв.м (площадь оббивки) Х 0.009 м (толщина вагонки) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 120 кг

120 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 60 гр ~ 12 000 кДж

б) Моечная: используется брус, допустим, что брус прогрелся до 17 градусов (половина температуры воздуха) на глубину в 5 см (это половина его сечения в 10 см)
Площадь бруса в моечной ~ 12 кв.м.
12 кв.м Х 0.05 м (толщина прогрева) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 360 кг

360 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 17 гр ~ 10 000 кДж

в) комната отдыха: используется брус, допустим, что брус прогрелся до 10 градусов (половина температуры воздуха) на глубину в 5 см (это половина его сечения в 10 см)
Площадь бруса в КО ~ 24 кв.м.

24 кв.м Х 0.05 м (толщина прогрева) Х 600 кг/куб (плотность дерева) ~ 720 кг

720 кг Х 1.7 кДж/кг*гр Х 10 гр ~ 12 000 кДж


Итого на нагрев дерева ушло 12 000 + 10 000 + 12 000 = 34 000 кДж (львиная доля тепла, однако)

и всего на полезный нагрев получается 16 000 (вода) + 8700 (воздух) + 26 200 (печь) + 34 000 (сруб) ~ 85 000 кДж

Оставшиеся 35 000 кДж (120 000 - 85 000) улетели в трубу с газами.

полученный КПД около 71%, что в общем согласуется с другими оценками

Я понимаю, что в расчетах достаточно много допущений, особенно при расчете по срубу, но в любом случае, результат довольно любопытный.

Вывод:
Тепло распределилось следующим образом
1. Сруб ~ 30 -45% - причем верхняя граница - это необшитый, а нижняя - обшитый вагонкой
2. Сама печь с кирпичным экраном 20-25%
3. Нагретая регистром вода 12-15 %
4. Воздух 7-10%
5. Улетело в трубу - 25-30%

[pn2]

В общем то припоминая второй закон термодинамики и закон сохранения можно сказать, что всё что выделилось либо усвоилось либо вылетело. http://forum-bani.ru...tyle_emoticons/default/icon_mrgreen.gif

[NickB]

В общем то припоминая второй закон термодинамики и закон сохранения можно сказать, что всё что выделилось либо усвоилось либо вылетело. http://forum-bani.ru...tyle_emoticons/default/icon_mrgreen.gif

Точно так. Именно из второго закона термодинамики и следует, то каждая протопка моей бани только приближает тепловую смерть вселенной

[Vian]

На первый взголяд вполне логично и с вполне ожидаемыми результатами. Рад, что цифровые расчеты не опровергают модель, сформироваащуюся логическими рассуждениями ;0)

[палеха]

КПД должен быть больше. Согласно уже упомянутому второму закону ТД не учли работу на циркуляцию горячей воды, работу на циркуляцию воздуха и вентиляцию, работу пара при его выходе из каменки. Что-то очень хороший КПД получается.

[Ant_t]

палеха
Вообще-то расчет только при подготовке парной. В дальнейшем печь топится во время процедур.
Вентиляция учитывается за 2 часа 6 кратное обновление воздуха. Циркуляция вообще-то следствие нагрева, а нагрев учитывается. Думаю учет циркуляции излишен.

[палеха]

палеха
Вообще-то расчет только при подготовке парной. В дальнейшем печь топится во время процедур.
Вентиляция учитывается за 2 часа 6 кратное обновление воздуха. Циркуляция вообще-то следствие нагрева, а нагрев учитывается. Думаю учет циркуляции излишен.

Перемещение воздуха хоть ветилятором, хоть за счёт разности температур (плотности воздуха) - это совершение работы. Допустим, что мы греем воздух горячим потолком. Перемещения воздуха не будет, теплоты на нагрев воздуха затратится меньше.

[Ant_t]

палеха
Аналог разогрев воды сверху. Как думаешь получится? Тут следует учитывать прозрачность материала для излучения. Т.к. теплопередача работать будет очень и очень медленно.

Скорее потолок прогреет пол и уже от пола воздух прогреется (кстати так работают инфракрасные обогреватели, которые вешаются на потолок).
В общем перемещение потоков воздуха - перенос тепла. Каков КПД переноса тепла воздухом? Думаю 100%. А тепло мы как раз считаем.

[палеха]

палеха
Аналог разогрев воды сверху. Как думаешь получится? Тут следует учитывать прозрачность материала для излучения. Т.к. теплопередача работать будет очень и очень медленно.

Скорее потолок прогреет пол и уже от пола воздух прогреется (кстати так работают инфракрасные обогреватели, которые вешаются на потолок).
В общем перемещение потоков воздуха - перенос тепла. Каков КПД переноса тепла воздухом? Думаю 100%. А тепло мы как раз считаем.

Ну и как мы считаем? Берём теплоёмкость воздуха, его кубатуру, температуры начальную и конечную.... Так это для неподвижного воздуха или воздуха двигаемого через теплообменник вентилятором! А в бане воздух движется за счёт теплоты генерируемой печью.
Теплота на нагрев воздуха = теплота запасённая воздухом + теплота (работа) на перемещение.
Для воды циркуляцию можно и не учитывать - слишком велика её теплоёмкость в сравнении с воздухом.
Перенос тепла в твёдом теле не совсем тоже, что перенос тепла в жидкости или газе.

[Ant_t]

палеха
В твердом теле - теплопередача. В нетвердом - теплоперенос. Это разные термины в физике. Я их вроде правильно употребил в своем сообщении.
Далее, а почему ты не учитываешь опускающийся охлажденный воздух? Это по твоей же логике процесс обратный процессу подъема воздуха, т.е. плюс к КПД. )) Даже так формально, все эти потоки взаимно компенсируются.

Дополнение по теплопередаче и теплопереносе Я конечно написал сильно упрощенно. Прошу не придираться, т.к. в нашем случае все досконально разбирать смысла нет.

[Ant_t]

Ну и как мы считаем? Берём теплоёмкость воздуха, его кубатуру, температуры начальную и конечную.... Так это для неподвижного воздуха или воздуха двигаемого через теплообменник вентилятором! А в бане воздух движется за счёт теплоты генерируемой печью.

Мы просто считаем сколько затрачено тепла на нагрев только воздуха. И не более того.

[NickB]

Разные виды энергии могут переходить друг в друга. Энергия самая примитивная (низшего сорта, так сказать) - это тепловая, выше нее идет механическая, еще выше электрическая. Преобразование энергии сверху вниз идет со 100% КПД, чего нельзя сказать об обратном. Например, механическая энергия через трение преобразуется в тепло со 100% эффективностью, а вот обратно дай Бог 30% для ДВС уже хорошо. Энергия сама по себе стремится сверху вниз. Вывод по теме такой: печь своим теплом производит движение воздуха (преобразуя тепловую энергию в механическую) но тут-же эта механическая энергия преобразуется ПОЛНОСТЬЮ обратно в тепло поскольку механическая энергия не производит работы. Например, если бы мы приспособили конвективные потоки от печи для того, чтобы наша баня перемещалась (например поднималась повышая свою потенциальную энергию) в пространстве, тогда действительно, преобразование механики в тепло было бы менее 100%.

[палеха]

палеха
В твердом теле - теплопередача. В нетвердом - теплоперенос. Это разные термины в физике. Я их вроде правильно употребил в своем сообщении.
Далее, а почему ты не учитываешь опускающийся охлажденный воздух? Это по твоей же логике процесс обратный процессу подъема воздуха, т.е. плюс к КПД. )) Даже так формально, все эти потоки взаимно компенсируются.

Дополнение по теплопередаче и теплопереносе Я конечно написал сильно упрощенно. Прошу не придираться, т.к. в нашем случае все досконально разбирать смысла нет.

Упаси Бог придираться, я сам грешу неточностями ad Хорошо, что мы разделили теплопередачу и теплоперенос.

Холодный воздух вроде как выдавливается вниз горячим, при этом печку (источник энергии) он минует. С другой стороны холодный воздух от пола касаясь стенок печи получает движение вверх. Циркуляция. Чем интенсивнее циркуляция, тем быстрее нагреется воздух.
Пусть мы имеем МП обложенную кирпичом, который медленно нагревается. Вместо обычной железной трубы поставим конвектор, тем самым усилим циркуляцию воздуха. Очевидно, что на нагрев воздуха потребуется меньше времени. Следовательно, мы эффективнее используем теплоту газов улетающих через трубу. Тем самым мы существенно повышаем КПД печи.
Таким образом, увеличение доли теплоты на совершение работы по циркуляции воздуха, увеличивает КПД.

[ZYBY]

Николай: " но тут-же эта механическая энергия преобразуется ПОЛНОСТЬЮ обратно в тепло " Ответ К.Э. Циолковского : "Но и последняя (т. е. механическая ) никогда на практике целиком не переходит в одно тепло, одно электричество, свет и проч. Возьмем, например, механическое трение. Тут кроме тепла обязательно получается электричество; может, конечно, получиться и свет"!

[NickB]

Николай: " но тут-же эта механическая энергия преобразуется ПОЛНОСТЬЮ обратно в тепло "

Ответ К.Э. Циолковского : "Но и последняя (т. е. механическая ) никогда на практике целиком не переходит в одно тепло, одно электричество, свет и проч. Возьмем, например, механическое трение. Тут кроме тепла обязательно получается электричество; может, конечно, получиться и свет"!

Из механической энергии кроме тепла еще много чего может получиться, в том числе и свет и электричество. Что такое свет? ЭЛЕКТРОмагнитная энергия, что с ней происходит в дальнейшем - она поглощается окружающей средой, превращаясь во что? В теплоту естественно ab

[палеха]

NickB, ты совсем всех запутал механической энергией. В твоём понимании это движение тел? Так воздух тоже тело. Ветер (ураган) имеет хороший запас "механической" энергии. Но соглашусь с тобой, что энергия движения воздуха в конечном итоге превратится в теплоту. Пожалуй прав Николай - временной фактор тоже нужно учесть (см. моё предыдущее сообщение). В балансе теплоты работу по перемешиванию воздуха можно запрятать в теплоту полученную воздухом. Но теплоту мы снимаем не только со стенок печи, но и трубы, а в трубе ПОТОК газов. Не успел его охладить - потери в атмосферу.

[Vian]

Чет вы распылились по разным темам. По "теплопереносу" и "механической энергии" я вам там писАл:

Движение газа в трубе и воздуха в вентканалах - это работа, а не теплота.

Эта работа, производимая силой тяжести и к КПД печи не имеет никакого отношения)))))) Печь нагрела газ или воду (это её работа), а то что он стал (а) стал(а) легче и начала перемещаться - это уже не забота Печи и это не она сделала)))))

Пример: Вы обрезали веревочку и воздушный шарик улетел... Вы совершили работу по перемещению шарика???(или по обрезанию ниточки)? А теперь отнесите его туда сами пешком))))

[палеха]

Чет вы распылились по разным темам. По "теплопереносу" и "механической энергии" я вам там писАл:

Да, надо где-то слиться - распрыгались по темам.

[NickB]

NickB, ты совсем всех запутал механической энергией. В твоём понимании это движение тел? Так воздух тоже тело. Ветер (ураган) имеет хороший запас "механической" энергии.
Но соглашусь с тобой, что энергия движения воздуха в конечном итоге превратится в теплоту. Пожалуй прав Николай - временной фактор тоже нужно учесть (см. моё предыдущее сообщение). В балансе теплоты работу по перемешиванию воздуха можно запрятать в теплоту полученную воздухом. Но теплоту мы снимаем не только со стенок печи, но и трубы, а в трубе ПОТОК газов. Не успел его охладить - потери в атмосферу.

Механическая энергия бывает кинетической и потенциальной. В первом случае это движение тел в чистом виде, а во втором скорее расположение одного тела относительно второго (Земли). Любой ураган в конце концов переходит в теплоту.
Вот топка и труба и то что внутри - это другое дело. По системному подходу получается две системы - топка, труба и топочные газы это - первая система, скорее по смыслу часть окружающей среды. Вторая система - это парилка. Между системами происходит передача части энергии в тепловом виде. Потому перемешивание воздуха в парилке - это тепло парилки, а перемещение воздуха в трубе - это движение по смыслу в окружающей среде и тепловые процессы там нас интересуют поскольку-постольку.

[палеха]

Потому перемешивание воздуха в парилке - это тепло парилки, а перемещение воздуха в трубе - это движение по смыслу в окружающей среде и тепловые процессы там нас интересуют поскольку-постольку.

NickB, ты сам привёл расчёт КПД отталкиваясь от теплотворной способности топлива. Так, что нас интересует и то, что в печке и то, что снаружи печки. Честно признаюсь, что результат ошеломляющий, тем более, что с учётом дополнительных факторов значение КПД (в нашем понимании) ещё выше.