ОТОПИТЕЛЬНАЯ ЖАРОВНЯ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ КЛАДКОЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПЛОТНЫМ СЛОЕМ

Полезная модель относится к области сжигания твердого топлива, преимущественно твердотопливных брикетов на основе углеродосодержащих материалов, и может быть использована для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева жилых и хозяйственных помещений, теплиц и парников, особенно в районах, не имеющих природных топлив (газа, каменного угля, дров, торфа и т.п.). Особо практическое применение полезная модель может найти при отоплении жилых помещений, включая дачные домики, хозблоки, железнодорожные вагоны, бытовки и палатки для рабочих и военнослужащих.
Уровень техники
Известно техническое решение по сжиганию твердого топлива, обеспечивающее режим горения твердого топлива в неподвижном плотном слое на поддоне (см. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванов М.С. Котельные установки. М. Стройиздат 1972 стр.92, 96, 384). Твердое топливо загружают на прогорающие очаговые остатки топлива от предыдущей загрузки. Под поддон подают воздух, который является источником кислорода, необходимым для процесса горения. Свежее топливо воспламеняется снизу от очаговых остатков по всей площади слоя. Фронт горения распространяется снизу вверх по толщине слоя топлива. Толщина слоя свежего твердого топлива, загружаемого за один раз, не должна превышать 5 диаметров частиц (порядка 5 см). На такой высоте слоя топлива на горение расходуется весь кислород из воздуха, поступающего под поддон. При большей высоте загружаемого твердого топлива начинается восстановительный процесс образования продуктов неполного сгорания (угарного газа и сажи). Это недопустимо при использовании указанного технического решения для отопления и/или разогрева пищи в жилых помещениях, не оборудованных специальной принудительной вентиляцией для удаления продуктов не полного сгорания. Поэтому при осуществлении известного технического решения допустимая толщина загрузки слоя твердого топлива, например угля, не должна превышать 5 см, которая сгорает за 5-7 минут, после чего выполняют следующую загрузку угля. Основным недостатком известного технического решения является необходимость осуществлять загрузку твердого топлива, например угля, через 5-7 минут, то есть практически непрерывно.
Наиболее близким по существу технического решения к заявляемой отопительной жаровне с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем является устройство по патенту РФ 2267700, МКИ F23B 70/00, опубл. 10.01.2006 г., содержащее плоский поддон для загрузки твердого топлива плотным слоем. В известном устройстве воспламенение твердого топлива производят в отдельных точках площади поддона. От воспламенившегося топлива постепенно загораются соседние участки слоя и топливо сгорает в виде, по меньшей мере, одного фронта горения, перемещающегося в горизонтальной плоскости по площади слоя от точки воспламенения.
Причем, перед каждой загрузкой свежего твердого топлива поддон очищают от прогорающих очаговых остатков, а допустимая толщина загрузки слоя твердого топлива, например угля, не должна превышать 30-50 см, которая сгорает за 3-5 часов, после чего выполняют следующую загрузку угля.
К недостаткам известного технического решения следует отнести необходимость иметь поддон площадью более 2,25 м для того, чтобы продолжительность между загрузками свежего топлива, например угля, составляла от 3 до 5 часов. Кроме того, при реализации известного технического решения происходит процесс образования продуктов неполного сгорания твердого топлива. Главным же недостатком известного технического решения является недостаточная продолжительность времени сгорания топливной загрузки, необходимой для непрерывного сна человека (не менее 8 часов).
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка жаровни для экологически чистого сжигания твердого топлива (без использования дымохода), применяемого, как для обогрева помещений, в том числе жилых и спальных помещений, так и для разогрева пищи без ухудшения ее органолептических свойств.
В результате решения данной задачи при реализации жаровни могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в увеличении времени между загрузками твердого топлива (не менее 8 часов) при одновременном снижении весовых и габаритных характеристик отопительной жаровни, а также в уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.
Данные технические результаты достигаются тем, что в отопительной жаровне с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем, содержащей плоский поддон, который выполнен прямоугольной формы и с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней параллельно продольной оси поддона в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, м, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,8 до 10, кроме того, поддон выполнен с возможностью крепления на нем съемной крышки с треугольным или прямоугольным или квадратным или полукруглым или трапециевидным или полуэллиптическим поперечным сечением, выполненной из металлической сетки с размером ячейки от 0,04d до 0,99d, а высота крышки Н выбрана от 1,1d до 4,0d.
Отличительная особенность заявляемой жаровни для сжигания твердого топлива состоит в том, что поддон выполнен прямоугольной формы и с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней параллельно продольной оси поддона в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, м, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,8 до 10, кроме того, поддон выполнен с возможностью крепления на нем съемной крышки с треугольным или прямоугольным или квадратным или полукруглым или трапециевидным или полуэллиптическим поперечным сечением, выполненной из металлической сетки с размером ячейки от 0,04d до 0,99d, а высота крышки Н выбрана от 1,1d до 4,0d.
2
2
2
В результате время между загрузками твердого топлива может быть увеличено до 9-14 часов при удельной тепловой производительности отопительной жаровни 1,5 кВт/час - 3 кВт/час (длина составных стержней 5 см ×13 шт.=65 см, а площадь поддона, соответственно, 65×10=650 см и 65×15=975 см, при d=5 см), что в свою очередь позволяет человеку выспаться в тепле и подогреть и/или приготовить себе пищу не боясь отравиться во время сна отходящими газами, образующимися при сгорании твердого топлива. Причем, экспериментально было установлено, что вышеописанная кладка топливных брикетов каталитического горения, изготовленных в виде таблеток или цилиндрических шашек, горизонтальным плотным слоем в виде двух и более горизонтальных составных стержней, контактирующих между собой боковыми поверхностями, и уложенных на поддоне одним горизонтальным слоем или в несколько горизонтальных слоев, обеспечила время непрерывного обогрева помещения с удельной тепловой производительностью от 2,5 кВт/час до 7,5 кВт/час в течение 12-17 часов (длина составных стержней 5 см×16 шт.=80 см, площадь поддона 80×25=2000 см, при d=5 см) с выделением отходящих газов в соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами. Необходимо отметить, что не выполнение хотя бы одного из вышеперечисленных условий может привести к пламенному горению твердого топлива с выделением недопустимого количества отходящих газов. Таким образом, из вышеприведенного следует, что новые технические результаты могут быть получены только при реализации всех существенных признаков, характеризующих заявляемую отопительную жаровню. Поэтому настоящая полезная модель соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Кроме того, анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемой полезной моделью по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимый пункт формулы полезной модели, что свидетельствует о том, что настоящая полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».
под
2
2
2
2
Целесообразно площадь поддона S выбрать от 8d м до 100 d м.
Целесообразно, чтобы отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе кладки брикетов твердого топлива G было выбрано из соотношения
причем
2
где f - удельная поверхность излучения кладки твердого топлива, м/кг;
3
ρ - плотность твердого топлива, кг/м;
d - диаметр топливного брикета, м;
1
k - экспериментально определяемый коэффициент равный 125,1/м;
2
k - экспериментально определяемый коэффициент равный 16,6,1/м.
Также целесообразно топливный брикет выполнить в виде таблетки (цилиндрической шашки) с диаметром d, выбранным от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ таблетки к ее диаметру d составляло от 0,4 до 2,0.
Кроме того, целесообразно поддон выполнить с вертикальными стенками и установить внутри защитного корпуса, содержащего днище и закрепленную на нем съемную перфорированную крышку.
Целесообразно выполнить поддон либо из перфорированного металлического листа, либо из металлической сетки или решетки.
кор
кор
Целесообразно, чтобы отношение ширины днища В защитного корпуса к ширине поддона В составляло от 1,1 до 1,3, а отношение длины L защитного корпуса к длине поддона L составляло от 1,05 до 1,35.
кор
Целесообразно также выполнить съемную перфорированную крышку защитного корпуса с треугольным или прямоугольным или квадратным или полукруглым или полуэллиптическим или трапециевидным поперечным сечением, а отношение высоты съемной перфорированной крышки Н к высоте крышки поддона Н составляло от 1,1 до 1,3.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 изображен общий вид отопительной жаровни с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем, на фиг.2 изображен защитный корпус отопительной жаровни, на фиг.3 изображена отопительная жаровня со снятой сетчатой крышкой поддона и со снятой перфорированной крышкой защитного корпуса, на фиг.4 изображен поддон с закрепленной на нем сетчатой крышкой, на фиг.5 показано поперечное сечение кладки двух горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.6 показано поперечное сечение кладки трех горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.7 показано поперечное сечение кладки четырех горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.8 показано поперечное сечение кладки пяти горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.9 показано поперечное сечение кладки шести горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.10 показано поперечное сечение кладки семи горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.11 показано поперечное сечение кладки восьми горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.12 показано поперечное сечение кладки девяти горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.13 показано поперечное сечение кладки десяти горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.14 показано поперечное сечение кладки одиннадцати горизонтальных составных двенадцати стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.15 показано поперечное сечение кладки четырнадцати горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива, на фиг.16 показано поперечное сечение кладки пятнадцати горизонтальных составных цилиндрических стержней брикетированного твердого топлива.
Осуществление полезной модели
под
кор
кор
2
2
Отопительная жаровня с горизонтальной кладкой твердого топлива 1 плотным слоем содержит плоский поддон 2, снабженный сетчатой крышкой 3 (см. фиг.1). Причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,8 до 10. Кроме того, поддон 2 выполнен с возможностью крепления на нем съемной крышки 3 с полукруглым или прямоугольным поперечным сечением (см. фиг.1 и фиг.4). Съемная крышка 3 поддона 2 может также быть выполнена с треугольным или квадратным или полуэллиптическим или трапециевидным поперечным сечением из металлической сетки с размером ячейки от 0,04d до 0,99d. Причем высота Н сетчатой крышки 3 поддона 2 выбрана от 1,1d до 4,0d. Для безопасной эксплуатации заявляемой отопительной жаровни поддон 2 может быть установлен в защитном металлическом корпусе, состоящем из перфорированной крышки 4 и днища 5 защитного корпуса (см. фиг.2). Поддон 2 может быть изготовлен из металлического листа с боковыми стенками (см. фиг.1 и фиг.3), на которых фиксируется решетчатая или сетчатая крышка 3, предназначенная, в первую очередь, для надежного удержания твердого топлива на поддоне 2. Целесообразно площадь поддона S выполнить от 8d до 100 d. Для улучшения поступления воздуха к нижней части твердого топлива 1, выполненного в виде цилиндрических топливных брикетов, поддон 2 может быть выполнен перфорированным или изготовленным из металлической сетки или решетки. В этом случае поддон 2 будет выполнять функцию колосниковой решетки, а днище 5 защитного корпуса будет выполнять функцию зольника. Причем, отношение ширины днища В защитного корпуса к ширине поддона В составляет от 1,1 до 1,3, а отношение длины L защитного корпуса к длине поддона L составляет от 1,05 до 1,35, что повышает безопасность эксплуатации жаровни.
кор
Целесообразно также выполнить съемную перфорированную крышку 4 защитного корпуса с прямоугольным (квадратным) или трапециевидным поперечным сечением. Это позволит устанавливать на нее посуду и производить подогрев и/или приготовление пищи. Не исключена возможность изготовления съемной перфорированной крышки 4 с треугольным или полукруглым (полуэллиптическим) поперечным сечением. Причем, отношение высоты съемной перфорированной крышки Н к высоте крышки поддона Н составляет от 1,1 до 1,3, что также обеспечивает безопасность эксплуатации жаровни.
В качестве твердого топлива используются топливные брикеты каталитического горения 1 (см. фиг.1 и фиг.3), содержащие измельченный древесный уголь, связующее и воду. Причем, в качестве связующего топливный брикет содержит карбоксилметилцеллюлозу, или натрийгидрированный силикат, или сапропель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- крахмал и/или карбоксилметилцеллюлоза от 4 до 8, или натрийгидрированный силикат от 2 до 5, или сапропель от 2 до 10,
- вода менее 3,
- измельченный древесный уголь - остальное до 100.
Топливный брикет 1 может быть выполнен в виде таблетки или цилиндрической шашки с диаметром, выбранным от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ таблетки к ее диаметру d составляет от 0,4 до 2,0.
Рецептура и основные характеристики топливных брикетов, предпочтительно используемых в заявляемом отопительном устройстве, может быть иллюстрируема следующими примерами.
3
2
Пример 1. Топливные таблетки диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, картофельный крахмал 6 и вода 2. Полученные топливные таблетки легко воспламеняются от спички, горят с едва различимым красным свечением без образования пламени, дыма, копоти, токсичных веществ и без запаха в течение 2 часов и выделяют большое количества тепла, достаточное для обогрева теплиц и других помещений, в том числе жилых помещений в холодное время года. Топливные таблетки имеют плотность 0,7 г/см, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг, и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 2. Топливные таблетки диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 92, карбоксилметилцеллюлоза 6 и вода 2. Топливные таблетки не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг, и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 3. Топливные таблетки диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 94, натрийгидрированный силикат 4 и вода 2. Топливные таблетки обладают повышенной механической прочностью, а в остальном не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг, и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
3
2
Пример 4. Топливные таблетки диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 90, сапропель 4 и вода 2. Топливные таблетки не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг, и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.
Заявляемая отопительная жаровня работает следующим образом. При начальной растопке топливные брикеты каталитического горения 1 укладывают на поддоне 2 (см. фиг.1 и фиг.3) таким образом, что из цилиндрических топливных брикетов получилось от одного до пятнадцати горизонтальных составных стержней (см. фиг.5 - фиг.16). В составном стержне каждый топливный брикет обеими торцевыми поверхностями контактирует с соседними брикетами, за исключением крайних торцевых брикетов, а своими боковыми поверхностями топливные брикеты контактируют преимущественно с одной (см. фиг.5 и фиг.7), двумя (см. фиг.6 - фиг.16), тремя (см. фиг.8, фиг.10, фиг.11, фиг.12, фиг.14 и фиг.15), четырьмя (см. фиг.9, фиг.11 - фиг.16) боковыми поверхностями соседних составных стержней, а также с пятью (см. фиг.11) или шестью (см. фиг.12 - фиг.16) боковыми поверхностями соседних составных стержней. Топливные брикеты воспламеняют с одного из торцов кладки составных топливных стержней. От загоревшегося топливного брикета воспламеняются торцы соседних топливных брикетов и фронт беспламенного и бездымного горения постепенно двигается в горизонтальной плоскости по площади слоя от одного торца кладки составных топливных стержней в сторону другого торца. Так, например, 48 топливных брикетов диаметром 0,05 м и высотой 0,05 м сгорают за время от 12 часов 6 минут до 17 часов 10 минут, а отопительное устройство для сжигания брикетов каталитического горения будет выделять удельную тепловую мощность в 1,5 кВт/час. Причем, топливные брикеты укладывают либо в один горизонтальный слой, включающий три составных топливных стержня из 16 топливных брикетов, имеющих от 1 до 2 контактов боковых поверхностей, либо пирамидой (см. фиг.6), имеющей в основании два составных топливных стержня с третьим составным топливным стержнем, расположенным в вершине пирамиды, а топливные брикеты в этом случае имеют по два контакта боковых поверхностей. Прогоревший шлак с поддона 2 и/или днища 5 удаляют и можно повторить вышеуказанный процесс повторно. Топливные брикеты можно воспламенять одновременно и с двух торцов, тогда два фронта горения будут двигаться навстречу друг другу. Причем, в этом случае удельная тепловая мощность увеличится до 3,0 кВт/час, а продолжительность сгорания 48 топливных брикетов сократится и будет продолжаться от 7 до 9 часов 50 минут. Увеличить тепловую мощность, получаемую при сгорании топливных брикетов, можно также увеличив количество составных топливных стержней, например, с 3 до 6 стержней (с 48 до 96 топливных брикетов). В этом случае будет выделяться удельная тепловая мощность 3,0 кВт/час, а время горения брикетов будет не менее 12 часов. Для этого случая наиболее приемлемой кладкой для топливных брикетов, изготовленных в виде таблеток и/или цилиндрических шашек, будет пирамида с тремя составными топливными стержнями в основании пирамиды (см. фиг.9).
Необходимо отметить, что отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе G кладки брикетов твердого топлива выбрано из соотношения
причем
где
2
f - удельная поверхность излучения кладки твердого топлива, м/кг;
3
ρ - плотность твердого топлива, кг/м;
d - диаметр топливного брикета, м;
1
k - экспериментально определяемый коэффициент равный 125,1/м;
2
k - экспериментально определяемый коэффициент равный 16,6,1/м.
Таким образом, в отопительной жаровне с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем выбор параметров составных цилиндрических стержней выполнен в зависимости от нового критерия, а именно от удельной греющей поверхности топливной загрузки «f», которая увязывает основные характеристики составных стержней, такие как плотность и диаметр стержней с учетом экспериментально определенных коэффициентов.
Время между периодами кладки брикетов твердого топлива на поддон заявляемой отопительной жаровни определяют из зависимости
об.фр
пов.
глуб
τ=k·(n·m·l/V+n·(N·δ·-m·l)/V+R/V), где
l - средний линейный размер границ фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов, мм;
δ - толщина таблетки или длина цилиндра топливных брикетов, мм;
R - радиус таблетки или цилиндра топливных брикетов, мм;
N - количество топливных брикетов в составном стержне, шт.;
об.фр.
V - скорость образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов, мм/мин;
пов
V - скорость перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов, мм/мин;
глуб
V - скорость глубинного горения топливных брикетов, мм/мин;
k - коэффициент, учитывающий особенности кладки топливных брикетов и конструктивные особенности устройства для сжигания топливных брикетов (0,8≤k≤1,1);
n - коэффициент, учитывающий количество зажигаемых торцов составных стержней (n=1 при зажигании одного торца или n=0,5 при зажигании двух торцов);
m - коэффициент, учитывающий характеристики топливных брикетов (0,85≤m≤1,15).
В заявляемом отопительном устройстве использовано свойство топливных брикетов гореть без пламени и дыма. Горение (окисление) топливных брикетов каталитического горения согласно данному изобретению происходит с образованием движущегося фронта поверхностного горения. Время горения вышеописанной горизонтальной кладки топливных брикетов (см. фиг.4. - фиг.15.) определяется тремя составляющими:
об.фр
n·m·l/V - время образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов;
пов.
n·(N·δ·-m·l/V - время перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов;
глуб.
R/V - время глубинного горения, т.е. горения (окисления) от поверхности к центру топливного брикета.
Экспериментальным путем для горизонтальной кладки вышеописанных топливных брикетов каталитического горения было установлено ниже следующее.
Скорость образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне:
об.фр.
2,0 мм/мин≤V≤3,0 мм/мин.
Скорость перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне:
пов
0,9 мм/мин≤V≤1,1 мм/мин.
Скорость глубинного горения топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне:
глуб
0,18 мм/мин≤V≤0,22 мм/мин.
Средний линейный размер границ фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов каталитического горения составляет 175 мм.
Использование предлагаемой отопительной жаровни с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем по сравнению с существующими устройствами позволяет увеличить период между загрузками топлива до 11 часов и более, что позволяет исключить постоянное присутствие обслуживающего персонала, а также снизить весовые и габаритные характеристики отопительной жаровни и твердого топлива, при уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.