СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧИ
FURNACE FUEL COMBUSTION METHOD

Изобретение относится к способам обеспечения горения топлива в печах и может быть использовано при разработке печей и нагревательных устройств для приготовления пищи и отопления помещения.
Известна мусоросжигательная печь секционной структуры, содержащая прямую закрытую трубу с отверстиями, расположенными по ее длине, которая предназначена для подачи воздуха в топку. Труба подачи воздуха вставлена в топку через отверстие, выполненное в верхней части топки. Воздух в трубу подают при помощи вентилятора. Воздух струится сквозь отверстия трубы и участвует при интенсивном сгорании топлива, в данном случае - мусора (патент EP 0636840 A1, МПК: F24B 1/00, 5/00).
Данный способ подачи и распределения воздуха в камере сгорания и устройство сгорания пригодны для безопасного и интенсивного сжигания мусора, но неэффективны для длительного экономичного сжигания топлива.
Известна топка для сжигания гранулированного твердого топлива и нагревания воздуха помещений. Топка состоит из камеры сгорания, в ее центр вставленной трубы подачи воздуха и шнекового устройства. Воздух в очаг сгорания подают при помощи вентилятора сверху, а гранулированное топливо при помощи шнекового устройства загружают снизу (патент USA 4782765, МПК: F24B 1/00, 5/00).
Конструкция такой топки сложна и не пригодна для сжигания дров.
Известен способ подачи и распределения воздуха в камере сгорания, когда воздух в камеру сгорания подают сверху по трубе, при этом труба заканчивается распределителем воздуха, опирающимся на топливо и вместе с трубой опускающимся вниз, когда количество топлива в камере сгорания уменьшается, причем воздух в камере сгорания распределяют следующим образом: в очаг сгорания подают 40-60%; на края очага сгорания подают 10-30%; над очагом сгорания - 20-40%. (Патент ЕР 005303, заявка №200301136 от 19.04.01, МПК: F24B 1/00, 5/00).
Недостатками данного способа является то, что на трубе подачи воздуха в зону горения необходимо устанавливать распределитель воздуха и перемещать его во время процесса горения. Это приводит к усложнению конструкции камеры сгорания и ухудшению условий ее работы за счет того, что часть топлива под распределителем практически не участвует в процессе горения. Кроме этого, необходимо достаточно точно распределять воздушные потоки, что также приводит к усложнению конструкции печи и усложнению условий ее обслуживания и эксплуатации.
Известен способ обеспечения горения топлива в печи с вертикально ориентированным корпусом, реализованный при помощи печи твердотопливной, содержащей камеру сгорания с козырьком в ее верхней части, которая примыкает к боковым и задней стенкам и разделяет камеру сгорания на верхнюю и нижнюю части, дверцу с застекленным окном на передней стенке камеры сгорания для загрузки топлива, нижний и щелеобразный верхний подвод воздуха для обдувания стекла окна дверцы плоским потоком воздуха и формирования внутри камеры сгорания области дожигания продуктов сгорания топлива и патрубок для отвода продуктов сгорания, расположенный в верхней задней части камеры сгорания.
Воздух для первичного горения твердого топлива подается в камеру сгорания как со стороны задней стенки печи, так и со стороны нижней части передней стенки камеры сгорания при помощи заслонок, управляемых с передней стороны печи. Дожигание (вторичное горение) несгоревших частиц топлива осуществляется подачей в камеру сгорания двух потоков воздуха, один из которых (холодный) управляется заслонкой, а второй - неуправляемый теплый после обдувания стекла дверцы поступает в переднюю часть камеры сгорания в область дожигания несгоревших продуктов твердого топлива. Стенки камеры сгорания футерованы кирпичной кладкой и размещены внутри металлического кожуха. Между стенками камеры сгорания и кожухом имеется пространство, по которому затягивается воздух из нижней части отапливаемого помещения для охлаждения кожуха печи (патент US 4766876 A, F24B 5/02, 30.08.1988 - прототип).
Недостаток прототипа заключается в том, что при изменении состава твердого топлива не обеспечивается высокий КПД печи. Это объясняется тем, что не вся химическая энергия твердого топлива (различного по составу) может полностью превратиться в тепловую энергию без регулирования необходимого количества горячего воздуха для дожигания несгоревших частиц данного вида твердого топлива. Несгоревшие полностью остатки твердого топлива, вылетая из трубы печи, снижают ее КПД и ухудшают экологию окружающей среды. Кроме того, другим недостатком прототипа является футеровка кирпичом стенок печи, что снижает ее мобильность для обогрева дачных и временных построек.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа сжигания топлива, применение которого позволит значительно повысить полноту сгорания топлива, теплоотдачу и увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе сжигания топлива в печи, преимущественно бытовой, содержащей корпус с дверкой для загрузки топлива, в котором выполнены каналы подачи воздуха в камеру сгорания с зоной горения, каналы отвода продуктов сгорания топлива из камеры сгорания, дымовую трубу для отвода продуктов сгорания, заключающемся в укладке топлива в зоне горения печи с последующим поджигом топлива, его сгоранием с выделением тепла, получении непосредственно самих продуктов сгорания с последующим отбором у продуктов сгорания тепла путем разогрева ими нагревательных элементов печи и отводом упомянутых продуктов сгорания через дымовую трубу, согласно изобретению основной поток продуктов сгорания разделяют, как минимум, на два дополнительных промежуточных потока путем установки на пути основного потока профилированного экрана с окнами, преимущественно в его периферийной зоне, и направляют полученные дополнительные промежуточные потоки через упомянутые окна к стенкам печи, после чего, преимущественно, каждый дополнительный промежуточный поток разворачивают и пропускают его вдоль стенок печи в ее части, расположенной в непосредственной близости возле трубы, затем разворачивают дополнительные промежуточные потоки, преимущественно все, как минимум, один раз, навстречу друг другу и придают каждому потоку вращательное движение, преимущественно по спирали, затем перемешивают дополнительные промежуточные вращающиеся потоки между собой и направляют образовавшийся основной вращающийся поток в дымовую трубу.
Для оптимизации условий перемешивания потоков и увеличения их пути зона перемешивания и придания потокам вращательного движения отделена от каналов для прохождения дополнительных промежуточных потоков.
Для оптимизации конструкции печи профилированный экран установлен на расстоянии, равном 0,1-0,5 высоты печи от верхней крышки печи.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит значительное ухудшение условий работы печи, связанное с ухудшением условий закрутки потоков и соответственно экономичности печи.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит значительное ухудшение массогабаритных характеристик печи без существенного улучшения условий теплопередачи тепла от продуктов сгорания к нагревательным элементам печи.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан вид печи для реализации указанного способа спереди, фиг.2 - продольный разрез печи, на фиг.3 - вид печи сверху, на фиг.4 - распределение потоков продуктов сгорания по корпусу печи в аксонометрии.
Печь для реализации указанного способа 1 содержит корпус 2 со стенками 3 и верхней крышкой 4. В корпусе 2 расположена камера сгорания 5 с зоной горения и выполнены каналы 6 подачи воздуха в зону горения камеры сгорания 5 и каналы 7 отвода продуктов сгорания из камеры сгорания 5. Каналы 7 соединены с вытяжной трубой 8. На корпусе 2 установлена с возможностью вращения в рамке дверка 9 с замком. В верхней части печи 1, между камерой сгорания 5 и вытяжной трубой 8, установлен профилированный экран 10 с образованием полости 11, ограниченной верхней крышкой 4, стенками 3, и профилированным экраном 10. В профилированном экране 10 выполнены окна 12 в виде пазов, преимущественно в его периферийной зоне 13, соединяющие полость камеры сгорания 5 с полостью 11 при помощи горизонтально ориентированных каналов 14. Горизонтально ориентированные каналы 14 открываются в полость 11 навстречу друг другу, а между выходными частями 15 указанных каналов 14 установлен завихритель 16.
В варианте исполнения горизонтально ориентированные каналы 14 образованы боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками 3 печи 1, и вертикально расположенными перегородками 17 на профилированном экране 10.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
В камеру сгорания 5 печи 1 через дверку 9 укладывают топливо и поджигают его. Подвод воздуха осуществляют через каналы 6 подачи воздуха в зону горения камеры сгорания 5, отвод продуктов сгорания - через каналы 7. При сгорании топлива происходит выделение тепла с образованием основного потока продуктов сгорания, имеющих высокую температуру. Образовавшийся основной поток продуктов сгорания разделяют, как минимум, на два дополнительных промежуточных потока за счет установки на его пути профилированного экрана 10 с окнами 12, преимущественно в его периферийной зоне 13. Полученные дополнительные промежуточные потоки через окна 12 направляют к стенкам 3 печи 1. Затем каждый дополнительный промежуточный поток разворачивают и направляют вдоль стенок 3 печи 1 в ее части, расположенной в непосредственной близости возле вытяжной трубы 8, после чего дополнительные промежуточные потоки разворачивают, как минимум, один раз навстречу друг другу и подают в полость 11 через выходные части 15 каналов 14. Из выходных частей 15 каналов 14 дополнительные промежуточные потоки подают на завихритель 16, установленный в полости 11. Проходя через завихритель 16, каждый дополнительный промежуточный поток приобретает вращательное движение, преимущественно по спирали, что приводит к интенсификации теплообмена указанных потоков между собой и нагревательными элементами печи. Затем дополнительные промежуточные вращающиеся потоки перемешивают между собой и направляют в вытяжную трубу 8.
Проведенные автором и заявителем испытания полноразмерного образца печи для реализации предложенного способа показали, что температура уходящих печных газов снизилась ориентировочно на 200-300°С с одновременным увеличением времени работы печи при неизменном расходе топлива, что позволило значительно повысить эффективность работы печи.
Использование предложенного технического решения даст возможность за счет придания горячим печным газам вращательного движения с одновременным увеличением длины канала от камеры сгорания до вытяжной трубы интенсифицировать теплообмен между горячими печными газами и нагревательными элементами печи, что, в конечном итоге, позволит повысить эффективность рабочего процесса и экономичность печи.