Печь парогенерирующая с аэродинамическим теплообменником

Полезная модель относится к области тепловой техники, а именно к устройствам перманентной генерации сухого перегретого водяного пара с целью создания комфортной для потребителя банной атмосферы.
Современные банные печи преимущественно получают водяной пар посредством испарения воды с разогретой массивной каменной закладки. Такой способ получения пара имеет существенные недостатки. Пар генерируется порциями с определенной периодичностью. Это приводит к неравномерности распределения пара внутри помещения. Кроме того, способ генерации пара с открытой или даже закрытой каменки характеризуется тем, что пар покидает область контакта с нагретыми поверхностями не получив достаточной тепловой обработки. Таким образом, степень диспергирования воды в таком паре имеет невысокие показатели, пар получается условно «сырой». Капли воды в паровоздушной смеси «сырого пара» имеют относительно большие геометрические размеры. В обиходе такое пар называют влажным, сырым, тяжелым паром, туманом. Этот пар имеет низкие кондиции для дыхания. Чтобы получить прозрачный сухой перегретый, так называемый «легкий пар», в котором вода максимально растворена и пар имеет максимально благоприятные кондиции для дыхания и слизистых поверхностей - требуется подвергнуть влажный пар дополнительной тепловой обработке. Нужно передать ему дополнительное количество тепловой энергии, которая повысит интенсивность броуновского движения молекул воды и тогда тепловая энергия относительно крупные капли воды «разорвет» на более мелкие капли. Пар получится легким, сухим, комфортным для дыхания.
Кроме того следует учесть, что традиционные банные печи являются печами с форсированным горением и характеризуются большим расходом топлива. При этом очень много тепловой энергии выбрасывается в дымоход. Это не только снижает КПД печи, приводит к повышенному расходу топлива, но и ведет к перегреву дымового тракта, что, в свою очередь, приводит к пожароопасным ситуациям в местах прохождения дымохода через потолок и строительные конструкции здания. Парогенерация, на которую затрачивается тепло отнимаемое у дымовых газов, снижает перегрев дымохода и понижает степень пожарной опасности.
Устройства для образования пара внутри бани известны и широко применяются. Например, известно устройство для образования пара (патент РФ №2520111, опубл. 2014 г.), устанавливаемое преимущественно в печь для бани, содержащее емкость для парообразующей жидкости с входным и выходным патрубками, имеющую верхнее и нижнее основания и боковую стенку, и выполненную преимущественно в виде полого цилиндра, причем выходная часть входного патрубка для подачи парообразующей жидкости внутрь указанной емкости размещена в нижней части упомянутой емкости, предпочтительно на нижнем основании, а входная часть входного патрубка расположена выше верхнего основания, при этом входная часть выходного патрубка расположена на верхнем основании, а выходной патрубок выполнен в форме спирали, преимущественно спирали Архимеда, причем диаметр витков указанной спирали выполнен таким образом, что обеспечивается установка упомянутой спирали на нагревательный элемент печи, преимущественно дымовую трубу печи.
Недостатком данной конструкции является то, что тепловой поток для прогрева влажного пара внутри витков спирали теплообменника поступает через две стенки. Сначала он должен преодолеть термическое сопротивление стенок дымохода, поверх которого надевается спираль теплообменника, а затем он должен преодолеть вторую стенку уже непосредственно витков спирали теплообменника-пароперегревателя. Но так как любой материал и металл в частности имеет термическое сопротивление, то часть тепловой энергии на пути от горячих дымовых газов внутри дымохода до влажного пара внутри теплообменника будет дважды частично утеряна. Теплообменник контактирует с дымоходом на ограниченной площади боковой стенки спирали.
Известна печь для бани с пароперегревателем (см. патент РФ №148660, опубл. 2014 г.), содержащая корпус, выполненный в виде топливника с отверстием для подачи топлива, закрывающийся крышкой, устройство дозирования воздуха, дымоход, при этом она содержит полость с водой, образованную стенками корпуса и/или дымохода, и соединенный с ней каналом пароперегреватель. При этом пароперегреватель контактирует со стенками корпуса топки.
Недостатком данного технического решения является то,, что такую печь достаточно сложно изготовить, ввиду того, что канал пароперегревателя должен быть герметично приварен в том месте, где он проходит сквозь стенку емкости для воды.
Наиболее близким из известных технических решений (прототипом) является печь для бани (см. патент РФ на полезную модель №154892, опубл. 2015), содержащая топку, отверстие для подачи топлива, дымоход, пароперегреватель и соединенную с ним полость для испарения воды, образованную стенками, частью которых являются нагреваемые до температуры кипения воды поверхности печи. Пароперегреватель и полость для испарения воды соединены между собой каналом.
Недостатком прототипа является то, что дымоход печи используется для теплообмена только на ограниченном участке длины, где он проходит сквозь емкость для воды. Горячий дымоход используется исключительно для кипячения воды. На остальном участке поверхность дымохода не участвует в теплообмене. Вследствие чего требуется предпринимать усиленные меры по противопожарной теплозащите потолочной разделки. Там, где все еще горячий дымоход проходит сквозь потолочное перекрытие. Кроме того, данная схема парогенерации неизбежно связана с необходимостью встраивать в бак трубку канал паропровода для передачи влажного пара вниз, в полую рубашку теплообменника вокруг топки. Это означает, что потребуется при производстве сварочных работ строго контролировать герметичность сварного шва на дне бака, во избежание утечки воды. Что накладывает на конструкцию дополнительную технологическую сложность и повышает трудоемкость.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции парогенерирующей печи, при этом печь должна быть эффективной и безопасной по потребительским свойствам, а горячая поверхность дымохода печи должна эффективно участвовать в процессе парогенерации.
Технический результат достигается тем, что печь парогенерирующая с аэродинамическим теплообменником, содержит топку, дымоход, емкость для воды, теплообменник, при этом теплообменник выполнен в виде пустотелой емкости, образованный стенкой дымохода и корпусом теплообменника, в полости теплообменника установлен, как минимум, один аэродинамический элемент, а емкость для воды содержит, как минимум, одно отверстие, соединяющее полость емкости для воды с полостью теплообменника. Емкость для воды расположена над топкой. Дымоход проходит сквозь емкость для воды. Аэродинамический элемент выполнен в форме пространственной спирали.
Данная полезная модель решает задачу по эффективной передаче тепловой энергии от стенок дымохода сначала к воде, а потом к влажному пару, генерируя на выходе в верхней части аэродинамического теплообменника сухой перегретый пар комфортный и легкий для дыхания. При этом аэродинамический элемент, например, в виде спирали Архимеда (шнек), либо в виде набора неподвижных лопаток или спойлеров, решает задачу увеличения времени контакта влажного пара с горячей поверхностью дымохода. Аэродинамический элемент воздействует на ламинарный поток влажного пара и изменяет его траекторию, удлиняет путь, по которому влажный пар должен пройти, чтобы достигнуть выхода из теплообменника. Это позволяет в относительно компактных габаритах корпуса теплообменника снять с поверхности дымохода значительное количество тепла, которое будет затем направлено на полезную работу по нагреву парилки посредством сухого перегретого пара. При этом пар генерируется равномерно и длительный промежуток времени. Верхнюю часть теплообменника возможно оснастить коллектором для направления потока перегретого пара по паропроводу в нужном направлении. А при конструктивном дополнении емкости для воды специальным автоматическим устройством пополнения уровня, парогенерация становится постоянной автоматической.
Сущность заявленного технического решения поясняется рисунком, где на фиг. 1 - представлена общая схема парогенерирующей печи с аэродинамическим теплообменником, где 1 - топка, 2 - патрубок дымохода, 3 - емкость для воды, 4 - щелевое отверстие, 5 - заливная горловина с крышкой, 6 - дымоход аэродинамического теплообменника, 7 - корпус аэродинамического теплообменника, 8 - аэродинамический элемент, 9 - дымовые газы, 10 - влажный пар, 11 - полость аэродинамического теплообменника.
Парогенерирующая печь с аэродинамическим теплообменником работает следующим образом.
Когда в топке 1 печи происходит горение, то газопламенный поток передает тепло к днищу емкости для воды 3. Далее газопламенный поток устремляется к патрубку дымохода 2, проходящему сквозь емкость для воды 3. Горячие дымовые газы 9 через стенки патрубка дымохода 2 передают тепло к запасу воды внутри емкости для воды 3. Интенсивный тепловой поток от факела внутри топки 1 и от стенок патрубка дымохода 2 приводит к тому, что запас воды внутри емкости для воды 3 быстро закипает. Так, как крышка заливной горловины 5 плотно закрыта, то над поверхностью воды внутри емкости для воды 3 создается избыточное давление влажного пара. Благодаря этому влажный пар через щелевые отверстия 4 вытесняется в полость аэродинамического теплообменника 11, которая образована внешней поверхностью дымохода 6 и внутренней поверхностью корпуса аэродинамического теплообменника 7. Прямолинейному (ламинарному) движению влажного пара 10 вдоль поверхности дымохода 6 по кратчайшему пути к выходу препятствует аэродинамический элемент 8. Его форма, например, в виде пространственной спирали или набора неподвижных лопаток-спойлеров, заставляет двигаться влажный пар 10 вокруг дымохода 6. Совершив несколько витков, влажный пар 10 получает достаточно тепловой энергии, чтобы на выходе из верхней части аэродинамического теплообменника в атмосферу парилки поступал сухой перегретый пар.
Таким образом, печь быстро и эффективно обогревает парилку при помощи теплоносителя в виде водяного пара, а кондиции воздуха становятся при этом более комфортными для кожи и органов дыхания, так как воздух несколько увлажняется.
Парогенерирующая печь с аэродинамическим теплообменником представляет собой простую в изготовлении, но эффективную конструкцию, которую легко производить методами серийного производства, добиваясь высокого качества изделия при его низкой себестоимости.
При этом следует отметить, что КПД этой конструкции объективно выше, чему у традиционных металлических печей, так как для своей работы парогенератор и аэродинамический теплообменник отбирают тепло у дымовых газов и возвращают его в парилку посредством горячего пара. Что не только приводит к полезному снижению температуры дымовых газов в дымоходе, но и позволяет существенно экономить топливо. Эндотермический процесс испарения забирает и утилизирует для полезной работы тепло, которое ранее бесполезно выбрасывалось через дымоход в атмосферу вместе с дымом. В целом процесс эксплуатации такой печи предоставляет пользователю повышенное удобство, которое выражается в том, что больше не требуется вручную регулярно лить воду на закладку камней, чтобы получить водяной пар. Печь генерирует его в перманентном режиме длительное время самостоятельно, пока имеется запас воды в баке парогенератора.
На практике при строительстве бань существует проблема обеспечения пожарной безопасности из-за того, что перегретые дымоходы требуют тщательной теплоизоляции от строительных конструкций. По статистике большинство пожаров в банных сооружениях происходят именно по причине возгорания в области стропильных конструкций на чердаке. Освоение в серийном производстве подобных банных печей не только ведет к снижению расхода топлива для потребителей, повышает комфорт банной атмосферы внутри парилки благодаря увлажнению воздуха, но и значительно снижает риск пожарной опасности при эксплуатации бани, так как температура дымохода снижается и требуется меньше усилий для его термоизоляции при строительстве.
Предлагаемая конструкция парогенерирующей печи с аэродинамическим теплообменником успешно решает поставленные задачи.