Вентиляционный модуль банной печи
VENTILATION MODULE OF BATH STOVE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам как с естественной вентиляцией, так и вентиляцией с механическим побуждением, более конкретно к системам вентиляции воздуха в помещении парной русской бани и/или помещениях дома, где источником тепла является кирпичная печь периодического действия, в частности к вентиляционным модулям банной печи.
Уровень техники
Баня – это помещение, где действуют совершенно особые законы для вентиляционных систем. Во время использования бани необходимо в точности соблюдать требуемый температурный и влажностный режим. Вентиляция в бане может быть различного типа, выбор зависит от того, для какой именно бани выполняется установка.
Предназначение вентиляционной системы в бане:
1. Во время использования парилки в помещение доставляется свежий прохладный воздух, а отработанный выводится.
2. При использовании системы вентиляции производится правильный воздухообмен, который необходим не только для создания оптимального микроклимата, но и для распределения воздушных масс с конкретной температурой. Баней становится удобно пользоваться.
3. Когда пользование баней закончено, за счет правильно организованной вентиляции наружу выводится вся влага, стены высыхают.
Вентиляция может быть организована по-разному:
1. Входное вентиляционное отверстие располагают в 50 см от уровня пола, а выходное – с противоположной стороны на высоте в 30 см. Монтируется принудительная вентиляция, то есть небольшой компактный вентилятор. Он позволяет установить именно тот микроклимат, который необходим. Можно регулировать воздушный поток еще на этапе планировки. Чем ниже располагается отверстие, тем сильнее станет воздушный поток.
2. Оба отверстия находятся на одной стене напротив каменки. Входное будет размещаться на высоте в 30 см от уровня пола, а выходное – в 30 см ниже уровня потолка. На выходном отверстии ставится вентилятор, но поток имеет совершенно другое направление. Холодный воздух устремляется к печи, нагревается, после чего выходит через вытяжное отверстие наверху под потолком.
3. Входное вентиляционное отверстие находится прямо за каменкой, от пола соблюдается высота в 20 см. Выходное отверстие ставится на такой же высоте, но только на противоположной стене. Вентилятор рекомендуется монтировать так, как и для других случаев. Воздух затягивается в парилку около печи, нагревается, после чего вытягивается вентилятором наружу.
4. Этот способ лучше всего подходит для таких бань, где сделан дощатый пол с щелями для отвода воды. Вентиляция в бане работает так: вход располагается в 30 см от пола за каменкой, а выход осуществляется через специальную вентиляционную трубу. Через щели пола тоже проникает воздух, он помогает осушать помещение после его использования.
5. Следующий вариант отлично подходит для бань, в которых печь работает практически постоянно. Это большие помещения, вентиляционное входное отверстие здесь делается на стене, противоположной каменке. Роль выходной трубы играют топка и дымоходная труба, через которую отработанные воздушные массы выходят быстро и легко. Чтобы не выходил пар, достаточно использовать специальные заглушки для трубы, открывающиеся по мере необходимости.
Правильная вентиляция – залог долговечности бани.
Принципы работы вентиляционной системы:
1. Во время поступления в парилку свежий воздух не должен ни в коем случае нарушать уже установленный температурный режим – это одно из главных условий.
2. В парилке воздух распределяется не однородно, а по слоям. У пола находятся самые холодные массы, более тяжелый воздух с низкой температурой опускается сюда. На полках в парилке температура более комфортная, высокие температурные значения достигаются у потолка: сюда поднимается более легкий горячий воздух.
3. Из парилки удаляется только отработанный воздух, кислород в нем содержится в малом количестве. Поступает в помещение только свежий и подогретый печью воздух, пригодный для дыхания, позволяющий контролировать микроклимат внутри.
4. Во время проветривания излишки влаги эффективно удаляются, дерево быстро высыхает.
Если вентиляция бани сделана правильно, то все условия легко выполняются, а баня получается эффективной. Как функционирует вентиляционная система?
Приток свежих воздушных масс прогревается до необходимой температуры довольно быстро, микроклимат в помещении остается комфортным.
Все вентиляционные отверстия лучше располагать в стене, противоположной от каменки, либо по диагонали. Это обеспечивает организацию правильного потока. Баня в таком случае не остывает, прогревается равномерно, но при этом происходит постоянный воздухообмен.
Если вентиляция в бане была выполнена с соблюдением условий, то эффект от посещения парилки будет именно тот, на который и рассчитывается. После использования бани все деревянные поверхности высохнут быстро, внутри не возникнет запаха сырости, на стенах не будут образовываться грибок и пятна плесени.
Вентиляция русской бани.
Вентиляция бани должна полностью выполнять несколько функций. В парную обязательно должен поступать свежий воздух. Если сруб собирается правильно, соблюдаются все условия строительства, то нижние венцы стоят свободно и обеспечивают естественный доступ воздушного потока внутрь парилки с улицы. В деревянной русской бане между отдельными бревнами остаются щели, которые и пропускают минимальное необходимое количество воздуха, обеспечивая его обмен. Именно поэтому во время выбора места печи-каменки предпочтение отдается участку около двери. Это обеспечивает условия для нагрева воздуха, попадающего в помещение.
В большой бане, рассчитанной на 6-10 человек, необходимо уже устанавливать отдельный воздуховод, то есть канал, который и будет подавать свежий воздух внутрь. Без этого использование бани будет затруднительным, а процесс горения в печи – невозможным. Для работы нормальной вентиляции в банях такого типа необходимо ставить двойной воздуховод, который обеспечивает подачу воздуха для печи и для парилки отдельно.
Вентиляционной системой производится не только подача, но и удаление уже отработанного воздуха. Во время работы печи в бане образуется большая масса горячего воздуха, количество кислорода уменьшается. Именно поэтому необходимо, чтобы отработанный воздух свободно выходил из помещения при помощи печной трубы, отверстий в топке. Если печь-каменка была смонтирована правильно, то такой процесс происходит сам по себе.
Воздухообмен наблюдается и во время открывания дверей, окон. Происходит залповое выветривание, когда воздух выходит большим объемом и его замещает свежий и более прохладный. Требуется и еще одно простое устройство. Для вентиляции в банях из дерева в стене делается отверстие размером 20⋅20 см. Оно во время топки и прогрева парилки закрывается, как и в процессе приема процедур, затем открывается, способствуя выводу отработанного воздуха, удалению излишков влаги. Если же в парной есть окна, то отверстие уже не требуется.
Чтобы сделать систему вентиляции в банях из кирпича, используются немного другие условия. Учитывается то, что кирпичные строения габаритные, рассчитанные на большие компании, то есть площадь парилки будет значительная. Начинать в таком случае необходимо с того, что при обшивке стен обязателен зазор между кирпичной стеной и досками или деревянной вагонкой. Делается это для того, чтобы можно было просушить не только деревянную обшивку, но и стены.
При устройстве вентиляции в каменной бане обычно сложностей не возникает. Соблюдаются следующие действия:
Необходимо сделать выход трубы на улицу. В стенах бани устраивается отверстие размером 20⋅20 см. В него и вставляется труба. Она может быть пластиковой либо металлической: все зависит от того, какая имеется в наличии.
Пространство между трубой и стеной необходимо залить монтажной пеной.
Следует к главной вентиляционной трубе присоединить трубы, идущие в душевое отделение, парилку, комнату отдыха. В местах отвода следует поставить вентиляционные решетки, они полностью закрываются при необходимости. Когда нужно усиление воздушного потока, схема установки предусматривает наличие вентиляторов. Устройство вентиляции в банях из кирпича предельно простое, но во время установки необходимо четко следовать всем требованиям.
Правильная вентиляция в банях необходима, для того чтобы поддерживать комфортный микроклимат, эффективно обеспечить поток свежего воздуха и вывод уже отработанного.
В описаниях известных финских железных печек отмечается, что над печкой (иногда под ней или около нее) делается отверстие на улицу, а под дверью в парилку делается щель во всю ширину двери на высоту 2 см. Вытяжной канал находится в потолке душевой (помещение, обязательно смежное с парной). Схема работы такая: конвекционный поток от печи "подхватывает" поступающий воздух и этот поток устремляется к потолку, затем, остывая, он вытягивается в щель под дверью и утилизируется.
Схема не эффективна, так как в условиях мощной циркуляции, растворенные в опускающемся потоке воздуха ненужные для дыхания выделения от человека (в том числе углекислый газ) незначительная часть этого воздуха уходит под дверь, а основная часть опять подхватывается конвекционным потоком и поступает снова для дыхания парящегося.
Из документов по баням из уровня техники известно только о вытяжке, но нет упоминая о притоке. В этом случае воздух в парную будет подаваться из влажной помывочной, что отрицательно влияет на самочувствие парящихся. Следует заметить, что приток без вытяжки не работает, ровно как и наоборот, поэтому заявляемый вентиляционный модуль является эффективным.
Заявляемый вентиляционный модуль самым эффективным образом утилизирует вредный для дыхания человека воздух, заменяя его свежим, а также эффективно работает с массивной кирпичной печью, при этом циркуляции фактически нет.
Недостатками всех описанных выше вентиляционных систем является сложное, ненадежное и неудобное управление режимами вентиляции, неудобство, в связи с тем, что необходимо перекрывать шанцы, настраивать их под необходимые условия парения, регулировать, что в условиях принятия банных процедур непрактично.
Раскрытие изобретения
Вентиляционный модуль банной печи может применяться в составе теплонакопительных каменных банных или отопительных печей, работающих на любом виде топлива: дрова, газ, электричество, древесные пеллеты и прочее. Основным отличием их от других печей является то, что процессы парения и топки печи разнесены во времени. Во время парения печь не топится.
Задачей заявленного изобретения является устранение указанных выше недостатков и разработка конструкции вентиляционного модуля печи, позволяющего регулировать интенсивность вентиляции, тем самым подбирать идеальные условия парения.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение управления режимами вентиляции, упрощение режимов эксплуатации печи и повышение экономичности.
Технические результаты заявляемого изобретения достигаются благодаря конструкции вентиляционного модуля печи, которая состоит из канала притока уличного воздуха и вытяжного канала, выполненных изолированными друг от друга или примыкающими к, по меньшей мере, одной стенке корпуса печи, и задвижки-регулятора. Задвижка-регулятор содержит шток, снабженный двумя запирающими элементами, один из которых установлен в вытяжном канале, а другой - в канале притока уличного воздуха, и установлена с возможностью одновременного открытия или закрытия обоих каналов посредством «движения одной руки».
Вентиляционный модуль может быть выполнен из любого материала, выбранного из группы, включающей кирпич, бетон, металл и прочие.
Вытяжной канал вентиляционного модуля может быть снабжен дополнительной задвижкой.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид бани с вентиляционным модулем.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема движения воздуха в дополнительных каналах печи в режиме парения.
На Фиг. 3 представлена принципиальная схема движения воздуха в дополнительных каналах печи в режиме протапливания и ожидания.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к системам вентиляции воздуха в помещении парной 3 русской бани и/или помещениях дома, где источником тепла является теплонакопительная кирпичная печь периодического действия 1 (см. Фиг. 1). Также данное изобретение может применяться и к обычным системам как с естественной вентиляцией, так и вентиляцией с механическим побуждением.
Для печей 1 с трубой дымохода 2, например, работающих на дровах, газе, пеллетах или дизельном топливе, в качестве побуждения вытяжной вентиляции выступает нагретая в процессе протапливания печи 1 труба дымохода 2 - поскольку печь 1, после того как вытопилась, закрывается дополнительной задвижкой (не показана), то труба дымохода 2 используется в качестве вытяжного канала 6.
Вентиляционный модуль кирпичной печи, работающей на электричестве, работает с помощью механического побуждения в каналах притока уличного воздуха 4 и вытяжном канале 6 (или только в вытяжном канале 6) (см. Фиг. 1).
Изобретение направлено на повышение эффективности и надежности управления режимами вентиляции.
Вентиляционный модуль банной печи 1 может быть выполнен из различных материалов: кирпич, бетон, металл и т.д. Каналы притока уличного воздуха 4 и вытяжного канала 6 модуля, как правило, примыкают к одной или двум стенкам корпуса печи 1. Тепло от стенки печи 1 усиливает эффективность модуля, подогревая в воздух в каналах притока уличного воздуха 4 и вытяжного канала 6.
Принцип действия вентиляционного модуля печи с трубой дымохода основан на оборудовании каналов притока 4 и вытяжного канала 6 задвижкой-регулятором 5 и дополнительной задвижкой печи (не показана), положения которых обеспечивают необходимые режимы вентиляции.
Задвижка 5 состоит из рамки, по меньшей мере одного запирающего элемента и штока. На штоке задвижки-регулятора 5 крепятся два запирающих элемента: один устанавливается в канале трубы дымохода 2, второй - в канале притока уличного воздуха 4. В зависимости от положения штока задвижка-регулятор 5 одновременно открывают или закрывают оба канала: трубы дымохода 2 и притока уличного воздуха 4. Дополнительная задвижка печи (не показана) устанавливается таким образом, чтобы запорный элемент перекрывал один из двух расположенных рядом каналов: когда заперт канал трубы дымохода 2, то открыт вытяжной канал 6. И наоборот, когда заперт вытяжной канал 6, канал трубы дымохода 2 открыт.
Принцип действия вентиляционного модуля электрической печи основан на оборудовании каналов притока уличного воздуха 4 и вытяжного канала 6 задвижкой-регулятором 5. Лучше всего, чтобы и приток, и вытяжка были с механическим побуждением, но возможно сделать механическое побуждение только лишь для вытяжки. Задвижка 5 устроена так, что на одном штоке установлены два запирающих элемента: один устанавливается в вытяжном канале 6, второй - в канале притока уличного воздуха 4. В зависимости от положения штока оба канала одновременно открываются или закрываются.
Вентиляционный модуль работает в трех режимах:
Режим протапливания печи;
Режим ожидания или энергосберегающий (когда вентиляция помещения не нужна, например, когда нет людей в помещении);
Режим парения или рабочий режим.
Рассмотрим режимы работы подробнее:
Работа вентиляционного модуля печи в режиме парения осуществляется следующим образом (см. Фиг. 2), вытяжной канал 6 и канал притока уличного воздуха 4 открыты.
Работа вентиляционного модуля электрической печи в режиме протапливания и режиме ожидания осуществляется одинаково (см. Фиг. 3). В указанном режиме вытяжной канал 6 и канал притока уличного воздуха 4 - перекрыты.
В качестве варианта реализации одного из вариантов заявляемого изобретения приводим расчет вентиляционного модуля печи. Результаты расчета приведены в Таблице (см. Таблицу «Результаты расчета вентиляционного модуля печи»).
В расчете вентиляционного модуля печи используется методика из Методических указаний "Аэродинамический расчет газовоздушного тракта котла: методические указания" / Сост. А.Н. Хуторной, С.В. Хон. – Томск: Издательство Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2010. – 40 с.
Холодный (например, уличный) воздух поступает в помещение с улицы, забор воздуха осуществляется снизу. Воздух поступает в пристроенную печную пазуху (холодную четверть) и через каналы в шанцах (отверстия) поступает в верхнюю часть помещения. Использованный воздух утилизируется через каналы в нижних шанцах, поступая в вытяжной канал, который входит в дымовую трубу. Вместо дымовой трубы, которая отсутствует у печи на электрической тяге, для притока и вытяжки необходимо использовать вентиляционные каналы с искусственным побуждением (вентилятор).
Вытяжной канал выводится в дымоход, что позволяет экономить кирпич (не нужно делать отдельный канал), дымоход нагрет, тяга сильнее, чем в пристроенном дымоходе, интенсивность вытяжки регулируется.
Регулировка воздухообмена как по притоку, так и по вытяжке осуществляется с помощью задвижек, которые работают в трех режимах: ожидания (печь не растапливается, вентиляции нет); протапливания (печь растапливается, открыт дымоход и приток, вытяжка закрыта); парения (дымоход закрыт, приток и вытяжка открыты). Задвижки выполнены так, чтобы регулировать интенсивность воздухообмена можно "движением одной руки", поскольку вентиляционная задвижка работает на 2 канала одновременно. Это крайне упрощает режим эксплуатации печи.
Холодная четверть заключается в металлический каркас (бандаж) по периметру, приваренный к такому же бандажу корпуса печи. Это многократно увеличивает надежность и долговечность конструкции, при этом обеспечивается герметичность газоплотность каналов, иначе эффективность вентиляции существенно снизилась бы из-за наличия щелей в холодной четверти.
По мнению заявителя, заявляемое изобретение является новым, так как использование дымохода в качестве вытяжного канала в схеме вентиляции помещения с помощью вентиляционного модуля печи не известно из уровня техники.
Регулировка интенсивности вентиляции одной задвижкой (движением одной руки) также не известна из уровня техники. Ранее, возможно было только каким-то образом перекрыть отдельно вытяжной канал у пола и отдельно приточный канал в верхней части печи, что в условиях принятия, например, банных процедур, неудобно и совершенно непрактично.
Целью расчета вентиляционного модуля является определение коэффициента постоянного воздухообмена по вытяжке, который должен соответствовать требованиям, предъявляемым к воздухообмену жилых или нежилых помещений, согласно действующим нормам и правилам.
Конструкция воздушного тракта вентиляционного модуля состоит из канала притока и канала вытяжки. Побуждение либо естественное (за счет разницы давлений), либо механическое. Разница давлений приводит воздушный поток в движение. По ходу воздушного тракта поток встречает местные сопротивления, такие как диффузоры и конфузоры, а также повороты. Скорость потока зависит от сечения канала. Плотность воздуха зависит от температуры и влажности.
Для настройки вентиляционного модуля под желаемый уровень воздухообмена нужно учитывать неизменные параметры воздуха на входе и выходе из модуля, они зависят от типа вентилируемого помещения (жилое или парная в бане) и параметров уличного воздуха. Отдельные параметры воздушного тракта вентиляционного модуля печи можно менять, чтобы добиться желаемой интенсивности воздухообмена, а именно: сечения каналов, количество поворотов, диффузоров и конфузоров, высоту точки забора свежего воздуха, высоту трубы вытяжки.
Первый этап расчета включает:
Определение входных параметров для расчета: температур (по абсолютной шкале Кельвина) и плотностей воздуха, длины каналов притока и вытяжки, разницу высот.
Далее рассчитывается свободная тяга вытяжки вентиляционного модуля (зависит только от перепада температур и плотностей воздуха, а также от перепада высот по каналу вытяжки), а также противотягу (зависит также от перепада температур и плотностей воздуха, а также от перепада высот по каналу притока).
Результирующая тяга (положительная разность свободной тяги и противотяги) используется в дальнейших расчетах. Для увеличения силы результирующей тяги можно менять высоту трубы вытяжки или уровень забора свежего воздуха.
Второй этап расчета - учет местных сопротивлений, который осуществляется следующим образом:
Определяем количество и сечения диффузоров и конфузоров, число и углы поворотов на притоке и на вытяжке;
По Шифринсону рассчитываем коэффициенты трения на притоке и вытяжке, как если бы местных сопротивлений не было;
Для каждого местного сопротивления также рассчитываем коэффициенты трения. Меняя сечения диффузоров и конфузоров, крутизну поворотов потока, можно изменить (повысить или понизить) величину местных сопротивлений, таким образом регулируя интенсивность вентиляции.
Определяем суммарные коэффициенты трения на притоке и вытяжке.
Третий этап расчета – воздухообмен, на котором:
Вычисляем скорости потока на притоке и вытяжке. Они должны быть такими, чтобы в том числе исключить шум от работы вентиляционного модуля (до 1,2 м/с) и соответствовать медицинским нормам (до 0,5 м/с, иначе сквозняк).
По скорости и сечению определяем расход на притоке и вытяжке.
Коэффициент воздухообмена зависит от объема помещения и расхода по вытяжке, рассчитываем.
Если расходы по вытяжке и притоку не сбалансированы, определяем источник компенсации, при необходимости изменяем сечения каналов вентиляционного тракта.
Применяемая модель расчета позволяет сконструировать вентиляционный модуль печи, который в состоянии обеспечить значения коэффициента постоянного воздухообмена в достаточно широких пределах, от 0,3 до 4. Дополнительная регулировка осуществляется задвижкой.
К числу неоспоримых достоинств вентиляционного модуля следует отнести его экономичность эксплуатации (в случае с естественным побуждениям - бесплатность) и долговечность ввиду отсутствия ненадежных элементов в конструкции.
Таблица «Результаты расчета вентиляционного модуля печи»