КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ ПЕЧЬ
CATALYTIC SOLID-FUEL FURNACE

Изобретение относится к тепловой технике, в частности, к устройствам для обогрева помещений и приготовления пищи.
Известен воздухонагреватель помещений [1], содержащий корпус с подвижно смонтированными в камере сгорания пластинами, трубой для отвода дымовых газов, люком для загрузки твердого топлива и охватывающий боковые стенки корпуса кожух. Наличие подвижных конструктивных элементов в данном воздухонагревателе снижает надежность его работы. В воздухонагревателе не обеспечивается эффективное и полное сжигание топлива, что приводит к потерям, обусловленным недожогом топлива.
Известно металлическое сварное нагревательное устройство [2] для обогрева помещений, оснащенное форсункой дожига газов, образующихся при неполном сгорании используемого твердого топлива. Наличие форсунки дожига газов в данном устройстве может устранить продукты недожога в отводимых дымовых газах лишь частично. Недостатком является и слаборазвитая площадь поверхности теплопередачи в устройстве, которая состоит из боковых стенок корпуса.
В известном жаротрубном теплогенераторе с дымогарными трубами [3] за счет изменения количества дымогарных труб, от стенки которых получает тепло окружающий воздух, можно изменять площадь поверхности теплопередачи, доводя ее до необходимой величины. Недостатком устройства [3] является невозможность обеспечить полное сжигание твердого топлива без недожога.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является каталитическая воздухонагревательная печь, содержащая корпус с размещенными в нем топкой и зольником, колосниковую решетку, примыкающий к топке слой катализатора, дымогарные трубы, соединенные концами с распределительной и сборной камерами, вытяжную трубу соединенную со сборной камерой [4] - прототип. Наличие примыкающего к топке слоя катализатора дает возможность за счет каталитического доокисления горючих компонентов в дымовых газах устранить или уменьшить недожог топлива в устройстве [4]. Использование дымовых труб в качестве теплопередающих элементов позволяет развивать площадь поверхности теплопередачи и обеспечивать необходимую ее величину. Недостатком известного устройства [4] является малая площадь фильтрации продуктов горения в слое катализатора, что обусловливает повышенную скорость фильтрации газов, малое время их контакта с каталитической поверхностью и, как следствие, недоокисление горючих компонентов в газах, а также повышенную величину потери давления потока газов в слое катализатора. Трудно производить замену слоя катализатора в процессе эксплуатации устройства, так как для этого потребуется разборка всей печи. Недостатком известного устройства [4] является и то, что дымогарные трубы установлены вертикально. В верхней части пучка дымогарных труб теплообмен нагреваемого воздуха со стенкой труб имеет низкую интенсивность и это приводит к увеличенной металлоемкости печи.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении эффективности работы устройства и расширении его функциональных возможностей.
Поставленная проблема решается тем, что каталитическая твердотопливная печь, содержащая корпус с размещенными в нем топкой и зольником, колосниковую решетку, примыкающий к топке слой катализатора, дымогарные трубы, соединенные концами с распределительной и сборной камерами, вытяжную трубу, соединенную со сборной камерой, выполнена так, что корпус имеет прямоугольную форму, слой катализатора образует свод топки и состоит из проницаемой для газов опорной решетки и зернистой засыпки, дымогарные трубы расположены с двух сторон корпуса, а их оси ориентированы горизонтально и параллельно поверхностям вертикальных стенок корпуса, с фронтальной стороны печи установлены коллекторные поворотные камеры, соединенные с концами дымогарных труб, в полости корпуса установлен духовой шкаф, примыкающий к верхней стенке корпуса, дымогарные трубы имеют наружное оребрение, а внутри них размещены скрученные ленты.
В отличие от известного устройства [4] с корпусом цилиндрической формы, предлагаемая прямоугольная форма корпуса более рациональна для размещения конструктивных элементов в полости корпуса и вне его, и в полной мере отвечает дополнительно введенной функции печи, состоящей в приготовлении пищи в духовом шкафу и на плоской поверхности верхней стенки корпуса. Использование слоя катализатора в качестве свода топки позволяет увеличить площадь фильтрации газов через слой, что обеспечивает низкие скорости фильтрации газов и тем самым способствует завершенности реакций окисления горючих компонентов в газах под влиянием каталитического воздействия. При низких скоростях фильтрации мала потеря давления потока газов в слое катализатора. Кроме того, имеющий высокую температуру во время работы печи слой катализатора излучает тепло на слой топлива, расположенный на колосниковой решетке, и тем самым способствует устойчивости процесса горения топлива в слое.
Горизонтальное расположение дымогарных труб и их размещение с двух сторон корпуса параллельно поверхностям вертикальных стенок корпуса обеспечивает поперечное обтекание труб окружающим воздухом, что способствует повышенной интенсивности теплообмена и, следовательно, снижению металлоемкости печи. Наличие коллекторных поворотных камер, соединенных с концами дымогарных труб и установленных с фронтальной стороны печи, позволяет осуществить двухходовое движение газов через дымогарные трубы, что способствует компактности печи.
Наличие дополнительно установленного в полости корпуса духового шкафа, примыкающего к верхней стенке корпуса, расширяет функциональные возможности печи.
Наружное оребрение дымогарных труб и вставленные в них скрученные ленты служат средством интенсификации теплопередачи от газов к окружающему воздуху, что дополнительно повышает эффективность устройства.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную задачу.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".
В известных твердотопливных воздухонагревателях для помещений [1], [2] и [3] не предусмотрено каталитического дожигания продуктов неполного сгорания топлива.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".
На фиг. 1 показан продольный разрез каталитической твердотопливной печи; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 1; на фиг. 5 - дымогарная труба с оребрением и с вставленной в нее скрученной лентой.
Каталитическая твердотопливная печь содержит корпус 1 прямоугольной формы, размещенные в нем топку 2, зольник 3, колосниковую решетку 4, которая отделяет топку 2 от зольника 3, слой катализатора 5 и духовой шкаф 6, примыкающий к верхней стенке 7 корпуса 1. Слой катализатора 5 состоит из опорной решетки 8 и зернистой засыпки 9. Опорная решетка 8 выполнена из выложенных в ряд брусьев 10 из каталитического материала, имеющих отверстия 11 для прохода газов. Брусья 10 опираются на планки 12. Пространство в корпусе 1 над слоем катализатора 5 образует распределительную камеру 13. В боковые ниши 14 распределительной камеры 13 входят своими концами дымогарные трубы 15, в которых газы совершают прямой ход. Противоположные концы дымогарных труб 15 закреплены в коллекторных поворотных камерах 16. В нижней части поворотных камер 16 закреплены дымогарные трубы 17, в которых газы совершают обратный ход. Противоположные концы дымогарных труб 17 закреплены в стенке сборной камеры 18. Оси дымогарных труб 15 прямого хода и дымогарных труб 17 обратного хода параллельны вертикальным боковым стенкам 19 корпуса 1. Сборная камера 18 соединена с вытяжной трубой 20, в которой размещен шибер 21. На фронтальной стене 22 корпуса 1 имеются дверцы 23, 24, 25 и 26 соответственно духового шкафа 6, распределительный камеры 13, топки 2 и зольника 3.
Дымогарные трубы 15 и 17 могут выполняться с ребрами 27 на внешней поверхности и с вставленными внутрь труб скрученными лентами 28.
Каталитическая твердотопливная печь представляет собой выполненную из металла сварную конструкцию. Термические расширения элементов печи компенсируются как за счет их свободного перемещения (система с дымогарными трубами, коллекторными поворотными камерами, сборной камерой), так и частично за счет их упругой деформации. Укладка брусков 10, образующих опорную решетку 8, на планки 12 и формирование зернистой засыпки 9 слоя катализатора 5 осуществляется через дверцу 24 распределительной камеры 13.
Каталитическая твердотопливная печь работает следующим образом. Через открытую дверцу 25 в топку загружается твердое топливо (уголь, торф, сланец, пеллеты, дрова, горючие отходы и др.) и укладывается слоем на колосниковой решетке 4. Топливо поджигается и дверца 25 закрывается. Горение топлива в тлеющем режиме осуществляется при поступление в слой топлива через приоткрытую дверцу 26 и щели колосниковой решетки 4 первичного воздуха из помещения, где установлена печь. Поступление воздуха в топку 2 и движение образующихся газообразных продуктов горения по дымовому тракту печи осуществляется за счет самотяги, создаваемой вытяжной трубой 20. Зольный остаток от сгоревшего топлива через щели колосниковой решетки 4 ссыпается в зольник 3, откуда периодически удаляется. Образующиеся при горении газы, содержащие продукты недожога, поступают в слой катализатора 5, где происходит их доокисление и нейтрализация экологически вредных компонентов. В пространство над слоем катализатора 5 через приоткрытую дверцу 24 при необходимости может подаваться из помещения вторичный воздух для полного дожигания горючих компонентов и разбавления продуктов горения с целью уменьшения их температуры. Часть своей теплоты газообразные продукты полного сгорания передают в духовой шкаф 6 при контакте с его стенками, а также к жарочной поверхности верхней стенки 7 корпуса 1. Затем поток газообразных продуктов полного сгорания поступает в ниши 14 распределительной камеры 13 и распределяется по дымогарным трубам 15 прямого хода, пройдя по которым, поступает в коллекторные поворотные камеры 16. Из коллекторных поворотных камер 16 газообразные продукты полного сгорания поступают по дымогарным трубам 17 обратного хода в сборную камеру 18, откуда через вытяжную трубу 20 удаляются в атмосферу вне помещения.
На пути следования от распределительной камеры 13 до вытяжной трубы 20 газообразные продукты полного сгорания через ограничивающие поток стенки элементов печи передают тепло воздуху в помещении. Основная часть тепла передается через стенки дымогарных труб, количество которых может варьироваться в зависимости от передаваемой тепловой мощности. Для интенсификации теплопередачи от газового потока к воздуху на стенках дымогарных труб снаружи устанавливаются ребра 27 из теплопроводного материала, а внутрь труб вставляются скрученные ленты 28.
За счет регулирования подачи первичного воздуха в слой твердого топлива через щели колосниковой решетки 4 достигается длительное горение в режиме тления однократно загруженной в топку 2 порции топлива. Одна порция топлива сгорает за время не менее 8 часов. Регулирование подачи первичного воздуха осуществляется путем изменения степени приоткрытой дверцы 26 зольной камеры 3 и с помощью шибера 21 в вытяжной трубе 20.
2
Каталитическая твердотопливная печь выполняет следующие основные функции. Она служит для обогрева помещений, площадь которых составляет 10-100 м и более. Может использоваться для приготовления пищи в духовом шкафу и на жарочной поверхности верхней стенки корпуса. Так как на горение топлива потребляется из отапливаемого помещения воздух, то печь является средством вентиляции помещения.
Предлагаемая каталитическая твердотопливная печь найдет применение в частных домах, дачах, вагончиках для временного проживания, хозяйственных постройках, палатках и тому подобное.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструкция проста и технологична;
- легко регулируется и просто в эксплуатации;
- экологически безвредно;
- многофункционально;
- высокая степень использования теплоты, выделяющейся при сжигании топлива;
- возможно использовать различные виды и сорта твердого топлива, в том числе бытовые и промышленные отходы, содержащие горючие элементы.
Источники информации:
1. Патент RU №2018769, МПК F24B 005/06, опубл. 30.08.1994.
2. Патент RU №52466, МПК F24B 5/06, опубл. 27.03.2006.
3. Патент RU №132167, МПК F24H 005/06, опубл. 10.09.2013.
4. Кузьмина Р.И., Печенегов ЮЯ., Бурухина О.В. Макагон А.Н. Каталитическая воздухонагревательная печь / Сб. научных трудов по материалам Всероссийской научно-практической конференции ʺРоль опорного вуза в развитии транспортно-энергетического комплекса Саратовской области (Трансэнергоком-2018)ʺ, Саратов, 16-17 мая 2018 г. В 2-х т. Т. 1. - Саратов, СГТУ, с. 131.