ПЕЧЬ
STOVE

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при оборудовании бань стационарного и мобильного типов, а также для обогрева бытовых и производственных помещений.
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 ЕР 0636840 А1 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 не эффективны 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%.
Для реализации указанного способа предложен отопительный котел, содержащий камеру сгорания, в двойной стенке которой сформирована емкость, заполненная водой, с отверстием выхода дыма, отверстиями загрузки топлива и удаления золы, патрубки подвода и отвода воды, при этом камера сгорания установлена вертикально и выполнена в виде круглого или многоугольного цилиндра, в верхней части которого выполнено отверстие, в которое вставлена свободно вверх-вниз перемещающаяся труба подачи воздуха, заканчивающаяся распределителем воздуха, опирающимся на топливо, при этом распределитель воздуха выполнен в виде пустотелого диска, в верхней части которого выполнен наконечник для соединения с трубой подачи воздуха, а в нижней части - головка, при этом в периферийной части диска, в узком конце головки и на боковой поверхности головки, а также в наконечнике выполнены отверстия, сообщающиеся с внутренней полостью распределителя воздуха (Патент ЕA 005303, заявка №200301136 от 19.04.01 МПК: F24B 1/00, 5/00).
Недостатками данного способа и устройства 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.
Известны печи для бани, содержащие металлический корпус, топку, камеру с находящимися в ней камнями и дымовую трубу, установленную над камерой. При эксплуатации получают чистый пар, плеснув на камни горячую воду (RU 2005263 C1, F24В 1/24, 07.03.1993).
Недостатком указанных печей является возможность попадания в парильню топочных газов и наличие в паре с относительной влажностью до 70% крупных капель доведенной до кипения воды. При этом невозможно получение перегретого пара с относительной влажностью менее 25%.
Известны способы получения перегретого пара из влажного пара высокого давления путем отделения жидкости от пара, дросселирования и перегрева за счет теплообмена с насыщенным паром и повышения тем самым экономичности (SU 561048 A, F22G 1/10, 01.08.1977).
Недостатком способов является необходимость в дополнительном парогенераторе и трудность стабилизации температуры перегретого пара.
Известна печь для бани, содержащая металлический корпус с топкой, дымоходом и открытый контейнер с теплообменным крупнодисперсным материалом, при этом указанный открытый контейнер размещен в верхней части топки со стороны обогреваемого помещения, в топке помещена емкость повышенного давления с теплообменным крупнодисперсным материалом и установленным в ее верхней части влагораспределительным устройством, соединенным с баком для парообразующей жидкости посредством дозатора, в указанной емкости снизу вверх встроена дроссельная труба, проходящая через теплообменный крупнодисперсный материал и верхнюю часть топки в указанный открытый контейнер, обеспечивающая дополнительный перегрев образовавшегося в емкости повышенного давления перегретого пара в верхней части топки и за счет рекуперативного теплообмена с крупнодисперсным материалом (Патент РФ №2250417, MПK: F24B 1/24, F24G 1/10).
Недостатком данной печи является необходимость в дополнительном влагораспределительном устройстве и трудность стабилизации температуры перегретого пара.
Известна печь для бань, содержащая корпус, топку, размещенную на крышке топки теплоаккумулирующую загрузку, дымовую трубу, газоход и водонагреватель, при этом она выполнена с камерой, в которой размещена дополнительная теплоаккумулирующая загрузка, камера соединена газоходом с топкой, выполненной с боковыми карманами, также заполненными теплоаккумулирующей загрузкой, а дымовая труба соединена с указанной камерой. Патент RU 2011121 C1, F24B 9/04, 15.04.1994 - прототип).
Работа указанной печи осуществляется путем обычного сжигания дров или другого твердого топлива на колосниковой решетке, загружаемых в топку через специальное отверстие с дверкой. Соответствующая температура в помещении достигается продолжительностью и интенсивностью топочного процесса. Регулировать интенсивность топочного процесса можно за счет количества загружаемых в топку топлива и подаваемого воздуха путем прикрытия поддувальной дверки или задвижки в ней. Чистый пар для парных процедур получают путем полива горячей водой теплоаккумулирующей загрузки (камней), расположенной на крышке (потолочной стенке) топки и в боковых карманах. Использовать теплоту сильно нагретой теплоаккумулирующей загрузки, расположенной в камере, можно только после окончания топочного процесса и закрытия задвижки. Этот источник пара следует рассматривать как резервный, т.е. на случай крайней необходимости; при этом для повышения чистоты пара первые порции воды следует подавать в камеру через отверстие при открытой задвижке, после чего задвижка закрывается.
Недостатками указанной печи является недостаточно высокая полнота сгорания топлива, невозможность получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью и отсутствие устройств для установки фитоконтейнера с целью положительно влиять на здоровье человека перегретым паром из лечебных настоев ароматических трав.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание печи, конструкция которой позволит повысить полноту сгорания топлива, теплоотдачу и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива с возможностью получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью. Это позволяет положительно влиять на здоровье человека перегретым паром из лечебных настоев ароматических трав при температуре свыше 110°С и относительной влажностью 15%.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что печь для обогрева помещений, в том числе банных, содержащая вертикально ориентированный металлический корпус с топкой и каналами подачи воздуха в зону горения, дверцу, установленную в корпусе, вытяжную трубу-газоход, контейнер с теплообменным крупнодисперсным материалом, взаимодействующим с элементами, ограничивающими зону горения, причем указанный контейнер размещен вокруг корпуса печи и выполнен закрытым, отличающаяся тем, что в верхней части контейнера размещен патрубок для доступа к теплообменному крупнодисперсному материалу.
В варианте исполнения каналы подачи воздуха выполнены таким образом, что их выходные части соединены с верхней областью зоны горения, при этом одна, основная, часть каналов постоянно соединяет зону горения с окружающей атмосферой, а другая, дополнительная, выполнена с возможностью перекрытия их проходного сечения.
В варианте исполнения входная часть перекрываемых каналов расположена ближе к основанию корпуса на расстоянии, составляющем (0,1…0,5) от высоты печи.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит значительное ухудшение условий работы печи, связанное с подачей холодного воздуха, находящего внизу, на опорной поверхности, например полу, в зону горения и исключением из работы потока воздуха, подаваемого через основные каналы.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение условий горения самых нижних слоев топлива, связанное с ухудшением подачи воздуха через дополнительные каналы.
В варианте исполнения первая часть каналов выполнена с возможностью настройки их проходного сечения, например, при помощи клапана.
В варианте исполнения для оптимизации конструкции печи площадь проходного сечения дополнительных каналов составляет (0,1…0,75) от площади проходного сечения основных каналов.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое ухудшение условий горения нижней части столба топлива, связанное с маленьким расходом воздуха на горение.
Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличение приводит к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал выполнен в виде камней естественного происхождения.
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал выполнен в виде камней искусственного происхождения.
-6
2
-6
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал выполнен в виде камней искусственного происхождения из огнеупорных материалов с теплопроводностью (0,8…1,5) Вт/м·°С, температуропроводностью (0,2…0,6)·10 м/с и коэффициентом линейного расширения (10…20)·10 ед/°С, расположенными с возможностью образования единого непрерывного канала выхода дымовых газов, при этом внутри элементов выполнены дополнительные сквозные отверстия с выходом и входом в помещение.
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал выполнен в виде камней с округлой формой и гладкой поверхностью.
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал выполнен в виде камней с округлой формой и гладкой поверхностью из горных пород вулканического происхождения, например андезита, базальта или гранита.
В варианте исполнения толщина слоя крупнодисперсного теплообменного материала составляет (0,2-0,5) L, где L - поперечный размер топки.
Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое повышение температуры наружного слоя крупнодисперсного теплообменного материала, что приводит к перегреванию воздуха, находящегося в банном помещении, и ухудшению условий пребывания в бане. Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит уменьшение температуры наружного слоя крупнодисперсного теплообменного материала, что приводит к непрогреванию и охлаждению воздуха, находящегося в банном помещении, и ухудшению условий пребывания в бане.
В варианте исполнения теплообменный крупнодисперсный материал имеет один и тот же коэффициент теплового расширения во всех направлениях.
В варианте исполнения камни имеют округлую форму, гладкие поверхности и различные поперечные размеры, предпочтительно 50... 150 мм.
В варианте исполнения нижняя часть контейнера для камней, предпочтительно одна третья часть, наполнена камнями, имеющими поперечные размеры 100-150 мм, затем камнями средней величины камней с поперечными размерами 70-90 мм, а в верхней части контейнера уложены камни с поперечными размерами 50-60 мм.
В варианте исполнения патрубок для доступа к теплообменному крупнодисперсному материалу выполнен с возможностью установки в нем фитоконтейнера с фитосоставами для ароматизации и насыщения пара.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез предложенной печи, на фиг.2 -вид печи сверху, на фиг.3 - продольный разрез печи, на фиг.4 - выносной элемент А с указанием направления воздушных потоков в начальный момент времени, на фиг.5 - выносной элемент А с указанием направления воздушных потоков в конечный момент времени.
Печь содержит вертикально ориентированный корпус 1 с зоной горения 2. В корпусе 1 выполнены каналы 3 и 4 подачи воздуха в зону горения 2. Каналы подачи воздуха 3 выполнены таким образом, что они постоянно соединяют зону горения 2 с окружающей атмосферой, а их выходные части 5 соединены с верхней областью зоны горения 2. Каналы подачи воздуха 4 выполнены с возможностью перекрытия их проходного сечения при помощи устройства 6. Выходные части 7 каналов 4 располагаются в нижней части зоны горения 2. На корпусе 1 установлена дверца 8 для загрузки топлива 9 и контроля процесса горения, и вытяжная труба 10 для отвода продуктов сгорания. Вокруг корпуса печи размещен закрытый контейнер 11, а зазор между корпусом 1 и контейнером 11 заполнен теплообменным крупнодисперсным материалом 12, например камнями. В верхней части контейнера установлен патрубок 13 для трубы 10 и патрубок 14 для доступа к теплообменному крупнодисперсному материалу или установки контейнера 15 с фитосоставами.
Предложенная печь работает следующим образом.
Через дверцу 8 в вертикально ориентированный корпус 1 печи, в зону горения 2 укладывается топливо 9, например дрова. Через выходные части 5 каналов 3 в зону горения 2 подается воздух. Каналы 4 в это время закрыты при помощи устройства 6. Верхнюю часть образовавшегося столба топлива 9 поджигают.Топливо 9 начинает гореть в своей верхней части, причем сам процесс горения продолжается достаточно долгое время, так как воспламеняется и горит не все топливо сразу, а верхняя его часть, ограниченная стенками зоны горения 2. Продукты сгорания отводятся через трубу 10. По мере прогорания верхней части столба топлива 9, при необходимости, через дверцу 8 подкладываются новые порции топлива, которые затем сгорают. Большая часть ранее заложенного столба топлива 9 при этом остается в исходном состоянии.
При прогорании столба топлива 9 ниже заданного уровня, например ниже половины столба, воздух, поступающий через каналы 3, участвует в процессе горения не в полной мере, что приводит к ухудшению условий смесеобразования, и топливо начинает гореть с меньшей эффективностью. В этом случае при помощи устройства 6 открываются каналы 4, и в зону горения подается воздух через их выходные части 7, что способствует процессу горения с заданной эффективностью. Продукты сгорания отводятся через трубу 10.
При сгорании топлива 9 в зоне горения 2 выделяется тепло, которое передается теплообменному крупнодисперсному материалу 12, например камням. Тепло аккумулируется в камнях и передается стенкам контейнера 11, а от них воздуху, находящемуся в помещении. Такой прогрев воздуха позволяет поддерживать температуру и влажность в помещении в заданных пределах и обеспечить комфортные условия пребывания.
Для образования пара часть жидкости через патрубок 14 подают на раскаленный теплообменный крупнодисперсный материал. В этом случае наличие закрытого со всех сторон контейнера исключает возможность попадания в парильню топочных газов и образования в паре с относительной влажностью до 70% крупных капель доведенной до кипения воды. Также при этом появляется возможность получения чистого перегретого пара с относительной влажностью менее 25%, что позволяет в значительной степени улучшить условия пребывания в бане.
При необходимости, может быть установлен фитоконтейнер 15 с фитосоставами для ароматизации и насыщения пара.
Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного образца предложенной печи подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит повысить экономичность работы печи, увеличить время ее работы при неизменном расходе топлива и контролируемым процессом получения пара с заданной температурой и влажностью.