ЭНЕРГОПРОИЗВОДЯЩАЯ ПЕЧЬ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ "ВАРТОВЧАНКА"

Область техники
Полезная модель печь "Вартовчанка" относится к бытовым отопительным системам и к оборудованию, использующему в процессе горения твердого топлива горячую паровоздушную смесь. А также к оборудованию, преобразующему выделяемое тепло в электричество, при помощи теплового двигателя Стирлинга и работающего с ним в комплексе электрогенератора.
Уровень техники
С того момента, как в 1784 году Лавуазье и Менье изобрели способ получения водорода методом пропускания паров воды через раскаленный до 600°С ружейный ствол, многие исследователи и изобретатели загорелись идеей добыть из воды дешевое топливо.
На планете Земля вода имеется в огромном количестве. Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя), что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив (для метана - около 50 МДж/кг).
К тому же, годом ранее, Жак Шарль взлетел к облакам на своем надувном шаре «Шарльере», наполненном водородом. Это тоже многих воодушевило, так как смог же этот Жак добыть водорода на целый воздушный шар!
Но добывание водорода методом взаимодействия железа и кислоты, как это совершил Генри Кавендиш в 1766 году, многим казалось делом дорогим, хлопотным и бесперспективным. Расщеплять воду методом электролиза, как это сделали Николсон и Карлайль в 1800 году, тоже мало кто захотел, так как электричество в те годы было чрезвычайно редкое и затратное явление.
А вот заставить воду распадаться на атомы и гореть, путем нагревания этого вещества - другое дело! И двести лет назад, и сегодня многим экспериментаторам это кажется вполне достижением результатом.
За два с половиной века работающие в данном направлении исследователи сделали сотни открытий, защитили тысячи диссертаций, написали тонны научных трудов, получили десятки тысяч патентов, а воз, на котором должно было двинуться дело получения дешевого топлива из воды, так и остался стоять вблизи старого ствола кремневого ружья Лавуазье и Менье.
Разбивать воду на водород и кислород по-прежнему достаточно затратно и энергоемко. Потому что каким бы способом мы ни разлагали воду, на это расходуется около 68.3 ккал/моль или 285.49 кдж. При сжигании полученного водорода в кислороде выделяется тоже 68.3 ккал/моль. И получается, что джоуль на джоуль менять - только время терять.
Поэтому в промышленности получили широкое применение газовоздушные смеси, получаемые смешиванием разогретой воды, или водяного пара, с продуктами горения различных видов топлива - каменного угля, кокса, метана и т.д. Они не намного, но все же более дешевые, по сравнению с гремучим газом, и достаточно теплоемкие.
Изобретатели, работающие в этом направлении, постоянно придумывают все новые и новые способы получения топливных смесей. Например, автор изобретения, защищенного патентом №2528848, предлагает получать синтетический газ, прокачивая горячий пар через любую измельченную биомассу. А автор изобретения №2522785 предлагает поджигать бурый уголь прямо в подземном пласте, прокачивать через этот пласт парокислородную смесь, а потом осуществлять "отсос из него продуктов газификации (энергетического газа)".
Получаемые таким образом смеси, состоящие в основном из кислорода, углерода, водорода и некоторого небольшого количества иных примесей, активно используются в металлургии, энергетике, даже в двигателях внутреннего сгорания.
Но в бытовых теплоустановках - котлах, печах, устройствах для приготовления пищи, до самого последнего времени способность воды расщепляться на кислород с водородом и участвовать в процессе горения другого топлива практически никак не использовалась. За исключением, пожалуй, устройства, описанного в работе, защищенной патентом №2363890. Там автор выводит из водяного бачка топливной печи две трубки и располагает их соплами навстречу друг другу над колосниковыми решетками. Предполагается, что выходящий из трубок пар, участвуя в процессе "турбулизации горючих газов", будет осуществлять в топке какую-то полезную деятельность. Правда, какую - автор не уточняет. Видимо, пар улучшит процесс вылетания этих газов в трубу, так как в процессе горения основного топлива этот пар, при таком расположении сопел, принимать сколько-нибудь значимого участия, не будет.
Все эти тонкости учтены при разработке энергопроизводящей печи длительного горения "Вартовчанке".
Раскрытие полезной модели
Печь работает на любом твердом топливе - угле, дровах, топочном торфе, пеллетах и др., температура горения которого в топке (4) составляет 600°С и выше. Если температура горения будет ниже, то расщепления водяного пара на кислород и водород в огненном очаге может не произойти. Принцип работы простой - чем выше температура разогретого пара, тем слабее связь между атомами водорода и кислорода в молекулах воды и тем активнее атомы углерода в зоне горения притягивают к себе кислород, формируя молекулы СО в водяном газе.
Устройство полезной модели
Корпус печи состоит из трех слоев: железной листовой основы, 2-3-сантиметрового слоя фольгированной минеральной термоизоляции (2) см. схему) и наружного металлического слоя, отвечающего за привлекательный эстетический вид устройства. Корпус печи оснащен герметично закрывающейся дверцей загрузки дров (26), поддувалом (1), наружное жерло которого выполнено в виде перфорированного патрубка с надетой на него подвижной муфтой (29). Такой же патрубок с муфтой представляет собой наружная часть (27) трубы воздухозаборника (5). Во внутренней полости топки (4) установлен водяной бак (6) для воды с выведенной наружу горловиной долива жидкости. На плите очага закреплены два паровых котла (9 и 24). От водяного бака (6) к последовательно соединенным паровым котлам, к радиатору (7) обратно в бак и в печную топку идут трубки-паропроводы, оснащенные запорно-штуцирующими вентилями (11, 12, 13, 14 и 15), обеспечивающими последовательное продвижение пара по технологической цепочке, подачу его в топку или, если надо, заведение через радиатор обратно в водяной бак. На первом котле жестко установлен двухпоршневой двигатель Стирлинга (17), "горячий цилиндр" которого смонтирован внутри этого герметичного котла, а "холодный" закреплен снаружи на железном кронштейне.
Двигатель Стирлинга на данной схеме приводится классический, двуцилиндровый, но вообще в такой модели применима любая модификация двигателей внешнего нагрева. "Стирлинг" соединен ременной передачей с генератором (18), насыщающим электрическим током аккумуляторную батарею (28) и питающим электричеством локальную сеть (20). В качестве генератора в установке используется низкооборотный генератор с небольшим стартовым усилием.
Ко второму котлу (9) снизу подходит труба воздухозаборника (5), проходящая сквозь топку. В этом котле происходит перемешивание пара, поступающего из первого котла (24) и подогретого воздуха из воздухозаборника (27). Из второго котла газовоздушная смесь поступает в топку и подается под слой горящего топлива.
Розжиг печи осуществляется традиционным способом, при открытой топочной дверце (26) и выдвинутой муфте поддувала (29). Первый и пятый (11, 15) запорно-штуцирующие вентили открыты, второй, третий и четвертый (12, 13, 14) - закрыты.
При нагреве внутренней поверхности топки (4) до 200°С и более воздухозаборная труба (5) начинает всасывать в себя воздух, но муфту (27) трубы воздухозаборника (5) на этом этапе лучше держать закрытой. Быстрому нагреву трубы способствуют особенности ее конструкции - наваренные на нее термозаборные козырьки (32) и термозаборные шайбы (31).
Наружная термоизоляция печи фольгированными листами (2) минеральной каменной ваты тоже способствует ускорению процесса повышения температуры в топке.
Как только закипает вода во внутритопочном баке (6), пар устремляется по трубе в котел нагрева (24) "горячего" цилиндра двигателя Стирлинга (17) и далее, сквозь первый и пятый вентили, проходит через радиатор (7), обратный клапан (34) и возвращается назад в бак.
В топку (4) на этом этапе пар не направляется, так как пока в центре очага горения температура не достигла 600°С. Пар только замедлит процесс набора рабочей температуры в топочной камере.
После того как котел нагрева (24) становится осязаемо горячим, пользователь запускает разогретый паром двигатель Стирлинга (17). Маховик двигателя, посредством ременной передачи, приводит в движение генератор (18). Благодаря этому пользователь получает электроэнергию для некоторых электроприборов (21). Пар все это время циркулирует от водяного бака - к двигателю Стирлинга, далее до радиатора и обратно.
Когда труба воздухозаборника (5) нагревается докрасна и в топочной камере (4) образовывается заметный слой раскаленного угля, пользователь открывает муфту (27) воздухозаборной трубы (5). Покраснение трубы показывает, что температура в центре горящего очага приблизилась или даже превысила отметку в 600°С. Воздух из комнаты начинает восхождение вверх по раскаленной трубе. В процессе этого восхождения он интенсивно нагревается.
Далее пользователь открывает второй, третий и четвертый вентили (12, 13, 14), и закрывает вентиль номер пять (15).
В котел перемешивания (9) устремляется пар из котла нагрева (24). Туда же из трубы (5) приходит и горячий воздух. Там обе струи встречаются и еще больше нагреваются. Давление в котле перемешивания воздушных сред увеличивается и газы начинают искать выход из емкости.
В трубу воздухозаборника (5) газовоздушная смесь попасть не может из-за стоящего у нее на пути обратного клапана шарикового типа (8). Металлический шарик полый и имеет небольшую массу. Его легко приподнимает и огибает восходящий по трубе (5) ламинарный поток воздуха. Но из котла перемешивания (9), назад воздух попасть уже не имеет возможности. Поэтому газовоздушная смесь устремляется в единственно возможном направлении - по системе паропроводных труб (3) в топочную камеру сгорания (4).
Вертикальная часть паропровода (3) по всей длине оснащена такими же наварными термозаборными шайбами, как и труба воздухозаборника (5). В ней паровоздушная смесь разогревается еще сильнее.
Между топкой (4) и водяным баком (6), для максимального сокращения возможных теплопотерь в камере горения, установлен горизонтальный термоотражающий экран (30) из толстостенного железного листа с понижающимся уклоном в 5-7° в сторону передней стороны печи.
Обе трубы проходят сквозь специальные цилиндрические полости (33) в баке (6) и отверстия в экране (30).
Уклон термоотражающего металлического листа (30) позволяет перенаправить часть восходящего из очага горения (4) воздуха на догревание до максимально возможной температуры паропроводной трубы (3) и спускающейся по ней в топку паровоздушной смеси. Пройдя таким образом участок дальнейшего нагрева, струя раскаленного газа вырывается через специальные сопла в топку (4).
Сопла в трубчатой паропроводной системе (3) обращены вниз, к полу печи. Это позволяет им избежать засорения отходами горения. А выходящая из паропровода (3) струя газа благодаря такому расположению сопел принимает турбулизированную структуру. Данная форма потока способствует более медленному прохождению паровоздушной смеси сквозь слой раскаленного угля и активнее вовлекается в протекающие там физико-химические процессы.
В результате этих процессов в топке образуется водяной газ - газовая смесь, состав которой в среднем процентном соотношении составляет:
2
2
2
СО - 44%, N - 6%, СО - 5%, H - 45%.
2
2
Реакция идет по уравнению: С+HО→H+СО.
3
Полученный таким образом водяной газ прекрасно горит, его температура сгорания равна 2800 ккал/м.
С этого момента печь выходит на свой основной рабочий режим.
Пользователь закрывает муфту поддувала. Следя за работой устройства, он добивается оптимального режима работы печи, регулируя поток пара запорно-секущими вентилями (11, 12, 13 и 14) и поток воздуха из воздухозаборной трубы (5) при помощи муфты (27).
Если объем поступающего в топку пара начинает расти, то, приоткрыв вентиль номер пять (15), можно перенаправить часть паровоздушной смеси на радиатор отопления (7). То же самое можно сделать, к примеру, если нужно обеспечить теплом соседнюю комнату, или для приготовления пищи потребуется более умеренный нагрев печи.
В наиболее экономичном режиме работы печи пользователь может почти полностью или даже полностью перекрыть доступ внутрь печи комнатного воздуха. Образовавшийся в топке монооксид углерода (угарный газ) возгорается при температуре в 700°С и горит с температурой, достигающей 2100°С, но это в идеальном режиме протекания реакции, при достаточном притоке кислорода и т.д. В железной печке "Вартовчанка" так повышать температуру не требуется. Да и температура плавления самого железа, как мы знаем, всего 1535°С. Но и здесь реакция горения является цепной, ее инициаторами служат небольшие количества водородсодержащих соединений (вода, аммиак, сероводород и др.). Объем водорода в водяном газе, как уже говорилось выше, составляет 45% от всего образовавшегося объема газов.
В случае, если вода в баке почти закончилась, и пользователь вынужден осуществлять долив воды не дожидаясь остывания печи, он может это сделать (при всех открытых вентилях), стравив остаточное давление пара (если таковое там будет) с помощью клапана крышки бака (6), выкрутив крышку и через воронку долив воду.
Краткое описание чертежа
1. Поддувало с зольником
2. Наружная термоизоляция печи - фольгированная минеральная каменная вата
3. Трубки вывода пара в топку, подающие паровоздушную смесь под горящее топливо через выходные сопла
4. Топочная камера
5. Труба воздухозаборника
6. Внутритопочный водяной бак с крышкой жерла, оборудованной клапаном аварийного и ручного (нажатием на шток) сброса давления
7. Радиатор отопления
8. Обратный клапан с полым металлическим шариком на трубе воздухозаборника
9. Котел перемешивания пара и горячего воздуха
10. Дымовая труба
11. Первый запорно-штуцирующий вентиль
12. Второй запорно-штуцирующий вентиль
13. Третий запорно-штуцирующий вентиль
14. Четвертый запорно-штуцирующий вентиль
15. Пятый запорно-штуцирующий вентиль.
16. Трубка подачи пара в котел перемешивания
17. Цилиндры двигателя Стирлинга с поршнями внутри них
18. Электрогенератор, установленный над теплоотражающим козырьком
19. Зона наибольшего нагрева плиты, очаг
20. Электрокабели
21. Энергопотребляющие приборы
22. Термоотражающий козырек под генератором
23. Рама крепления генератора
24. Котел нагрева "горячего" цилиндра Стирлинга
25. Внутритопочные отражающие экраны, направляющие тепло в зону максимального нагрева плиты
26. Герметично закрывающаяся дверца в топку
27. Муфта корректировки объема воздуха, поступающего в воздухозаборную трубу
28. Электрический аккумулятор
29. Муфта корректировки объема воздуха, поступающего в поддувало
30. Термоотражающий металлический экран, не позволяющий водяному баку влиять на внутритопочную температуру. Экран имеет уклон к передней дверце печи в 5-7° и два отверстия для воздухозаборной и паропроводящей труб
31. Металлические термозаборные шайбы на трубе воздухозаборника.
32. Металлические термозаборные козырьки на трубе воздухозаборника
33. Цилиндрические полости в теле внутритопочного водяного бака
34. Обратный клапан поворотного действия, не позволяющий пару из котла попасть в радиатор.
Осуществление полезной модели
В отличие от миллиона других моделей печей печь "Вартовчанка", помимо возможности обогрева жилища и приготовления пищи, гарантированно предоставляет своему пользователю возможность экономии топлива (не менее чем в два раза) и обеспечивает его электроэнергией.
Используемый для этого двигатель Стирлинга является идеальным устройством для преобразования тепловой энергии в механическую и далее посредством генератора в электрическую. "Стирлинг" экологичен, у него нет выхлопов, он имеет низкий уровень шума, низкую вибрацию (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм), и у него достаточные мощность и КПД, чтобы привести в движение электрический генератор.
Если верить автору статьи "Двигатель Стирлинга" в электронной энциклопедии "За рулем", подобные двигатели могут достигать показателя КПД в 70%! Это намного выше любого другого, выпускаемого в наше время двигателя. С учетом развития современной точности обработки деталей и применения новейших материалов даже пробные образцы современных "Стирлингов" дают 39% коэффициента полезного действия.
Но мы не будем рассчитывать на такие высокие коэффициенты, и, основываясь на "таблице КПД двигателей Стирлинга-Карно", взяв за основу температуру "горячего" цилиндра в 100°С и температуру "холодного" в 30°С, получаем КПД 18.76%, что нас вполне устроит. А если, учитывая закрытую систему движения пара, температура нагревающегося цилиндра увеличится до 150°С, коэффициент полезного действия возрастет до 28,76%. Этого вполне хватит, чтобы, к примеру, раскрутить низкооборотный генератор Белашова МГБ-300-84-2, или МГБ-340-84-1, или любую иную модификацию низкооборотных генераторов, которыми в последнее время насытили рынок "малой энергетики" наши китайские коллеги.
2
2
Что же касается такой опции данной печи, как экономия топлива, то благодаря оригинальной системе теплозаборных козырьков и шайб на воздуховоде и паропроводе, разогревающей поступающую в топку паровоздушной смеси, а также термоотражающим экранам, перенаправляющим потоки раскаленного воздуха в печи в нужном направлении, процесс горения топлива в камере сгорания переводится в режим интенсивного образования водяного газа, в соответствии с формулой: НО+С→Н+СО.
Водяной газ, состоящий, в основном, из монооксида углерода и водорода, воспламеняясь в топке, использует для своего горения почти весь находящийся в печи кислород. Это резко замедляет процесс сгорания дров или угля. А температура горения водорода и угарного газа, теоретически, могут достигать показателя, превышающего две тысячи градусов, что может даже повлечь за собой правление отдельных металлических деталей. Но наличие в топке водяного бака и недостаточное количество притока кислорода не даст температуре горения подняться выше критических 1500°С.
Поэтому осуществление полезной модели "печь "Вартовчанка" вряд ли потребует решения каких-либо особых задач, затрудняющих промышленный серийный выпуск данного изделия.