СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА В ПЕЧИ И ПЕЧЬ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УКАЗАННОГО СПОСОБА
FURNACE FUEL COMBUSTION METHOD, AND FURNACE FOR IMPLEMENTATION OF ABOVE SAID METHOD

Изобретение относится к отопительным печам и может быть использовано при разработке печей и нагревательных устройств для приготовления пищи и отопления помещения.
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 EP 0636840 A1, 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 неэффективны для длительного экономичного сжигания топлива.
Известна топка для сжигания гранулированного твердого топлива и нагревания воздуха помещений. Топка состоит из камеры сгорания, вставленной в ее центр 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 обеспечения горения топлива в печи с вертикально ориентированным корпусом, реализованный при помощи печи твердотопливной, содержащей камеру сгорания с козырьком в ее верхней части, которая примыкает к боковым и задней стенкам и разделяет камеру сгорания на верхнюю и нижнюю части, дверцу с застекленным окном на передней стенке камеры сгорания для загрузки топлива, нижний и щелеобразный верхний подвод воздуха для обдувания стекла окна дверцы плоским потоком воздуха и формирования внутри камеры сгорания области дожигания продуктов сгорания топлива и патрубок для отвода продуктов сгорания, расположенный в верхней задней части камеры сгорания.
Воздух для первичного горения твердого топлива подается в камеру сгорания как со стороны задней стенки печи, так и со стороны нижней части передней стенки камеры сгорания при помощи заслонок, управляемых с передней стороны печи. Дожигание (вторичное горение) несгоревших частиц топлива осуществляется подачей в камеру сгорания двух потоков воздуха, один из которых (холодный) управляется заслонкой, а второй - неуправляемый теплый, после обдувания стекла дверцы поступает в переднюю часть камеры сгорания в область дожигания несгоревших продуктов твердого топлива. Стенки камеры сгорания футерованы кирпичной кладкой и размещены внутри металлического кожуха. Между стенками камеры сгорания и кожухом имеется пространство, по которому затягивается воздух из нижней части отапливаемого помещения для охлаждения кожуха печи (патент US 4766876 A, F24B 5/02, 30.08.1988).
Недостаток указанной печи заключается в том, что при изменении состава твердого топлива не обеспечивается высокий КПД печи. Это объясняется тем, что не вся химическая энергия твердого топлива (различного по составу) может полностью превратиться в тепловую энергию без регулирования необходимого количества горячего воздуха для дожигания несгоревших частиц данного вида твердого топлива. Несгоревшие полностью остатки твердого топлива, вылетая из трубы печи, снижают ее КПД и ухудшают экологию окружающей среды. Кроме того, другим недостатком прототипа является футеровка кирпичом стенок печи, что снижает ее мобильность для обогрева дачных и временных построек.
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 ЕР 005303, заявка №200301136 от 19.04.01, МПК F24B 1/00, 5/00).
Недостатком 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.
Известен способ обеспечения горения топлива, преимущественно дров, в печи с вертикально ориентированным корпусом, в котором выполнены каналы подачи воздуха в зону горения, заключающийся в укладке топлива в зоне горения печи с последующей подачей воздуха и поджигом, при применении которого топливо укладывают в печь, поджигают верхнюю часть образовавшегося объема топлива, при этом каналы подачи воздуха в зону горения выполняют таким образом, что воздух подается в верхнюю область зоны горения, причем одну основную часть каналов держат постоянно открытыми, другую дополнительную открывают по мере сгорания топлива и перемещения зоны горения вниз, при этом воздух в зону горения в начальный и последующие моменты времени подают через основные каналы, а ближе к окончанию процесса горения - через основные и дополнительные.(Патент РФ №2417341, МПК: МПК: F24B 1/00, F24B 5/00 - прототип).
Указанный способ реализуется следующим образом.
Через дверцу в вертикально ориентированный корпус печи, в зону горения, укладывают топливо, например дрова. Через выходные части основных каналов в зону горения подается воздух. Дополнительные каналы в это время закрыты при помощи специального устройства. Верхнюю часть образовавшегося столба топлива поджигают. Топливо 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. Продукты сгорания отводят через трубу. По мере прогорания верхней части столба топлива, при необходимости, через дверцу подкладывают новые порции топлива, которые затем сгорают. Большая часть ранее заложенного столба топлива при этом остается в исходном состоянии.
При прогорании столба топлива ниже заданного уровня, например, ниже половины столба, воздух, поступающий через каналы, 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 специального устройства, открывают дополнительные каналы, и в зону горения подается воздух через их выходные части, что способствует продолжению процесса горения с заданной эффективностью. Продукты сгорания также отводят через трубу.
Основными недостатками данного способа обеспечения горения топлива является значительная сложность в распределении потоков воздуха, сложность конструкции печи, связанная с наличием подвижных частей устройства для перекрывания/открывания дополнительных каналов, в зоне горения и испытывающих термические напряжения, что ведет к снижению надежности работы печи и ее удорожанию.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа сжигания топлива, применение которого позволит упростить конструкцию печи, повысить надежность ее работы, значительно повысить полноту сгорания топлива, теплоотдачу и увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе обеспечения горения топлива, преимущественно, дров, в печи, содержащей вертикально ориентированный корпус, в котором выполнены каналы подачи воздуха в зону горения, образованную, преимущественно, стенками печи и днищем для укладки топлива, вытяжную трубу, дверку со смотровым стеклом, установленную, предпочтительно, в рамке на корпусе, заключающемся в укладке топлива в зоне горения печи с последующей подачей воздуха и поджигом, согласно изобретению, в рамке дверки печи устанавливают панель, при помощи которой делят поперечное проходное сечение рамки, как минимум, на две части, причем верхнюю полость, образованную рамкой и упомянутой панелью, соединяют с зоной горения и используют для укладки дров, а нижнюю - соединяют с зоной горения, образуя тем самым основной канал подачи воздуха в зону горения, при этом при помощи упомянутой панели образуют со смотровым стеклом зазор, служащий первым каналом подачи воздуха в зону горения из полости основного канала, причем на другом конце панели, противоположном упомянутому каналу, преимущественно, в месте ее крепления к корпусу печи, выполняют сквозные каналы, при помощи которых соединяют полость основного канала подачи воздуха с зоной горения, образуя тем самым второй канал подачи воздуха в зону горения, при этом в нижней части печи выполняют третий канал подачи воздуха в зону горения, причем полость упомянутого канала, с одной стороны - соединяют с полостью основного канала подачи воздуха, с другой - соединяют с нижней частью полости зоны горения, предпочтительно, через каналы в днище для укладки топлива, при этом в начальный момент времени для подачи воздуха в зону горения, преимущественно, применяют первый канал, при прогорании столба топлива до заданного уровня, преимущественно, до половины, применяют первый и второй каналы, а при завершении процесса горения применяют преимущественно третий канал.
Для реализации предложенного способа предложена печь, содержащая, как минимум, вертикально ориентированный корпус с зоной горения, в котором расположены каналы подачи воздуха в зону горения, образованную, преимущественно, стенками печи и днищем для укладки топлива, вытяжную трубу, дверку со смотровым стеклом, установленную, предпочтительно, в рамке на корпусе, при этом в указанной печи, согласно изобретению, в рамке дверки печи установлена панель, делящая поперечное проходное сечение рамки, как минимум, на две части, причем верхняя часть полости, образованной рамкой и упомянутой панелью, соединена с зоной горения и служит для укладки дров, а нижняя -соединена с зоной горения и образует основной канал подачи воздуха в зону горения, при этом упомянутая панель образует со смотровым стеклом канал, соединяющий полость основного канала подачи воздуха с зоной горения, при этом на другом конце панели, противоположном упомянутому каналу, преимущественно, в месте ее крепления к корпусу печи, выполнены сквозные каналы, соединяющие полость основного канала подачи воздуха с зоной горения, а в нижней части печи выполнен канал, полость которого соединена с полостью основного канала подачи воздуха и открывается в нижнюю часть полости зоны горения, предпочтительно, через каналы в днище для укладки топлива.
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой  показан продольный разрез печи, положение топлива и направление потоков воздуха в зоне горения печи. Стрелками показано направление потоков воздуха.
Печь для реализации предложенного способа содержит вертикально ориентированный корпус 1 с зоной горения 2, вытяжную трубу 3, дверку 4 со смотровым стеклом 5, установленную в рамке 6 на корпусе 1. В рамке 6 дверки 4 печи установлена панель 7, делящая поперечное проходное сечение рамки, как минимум, на две части - верхнюю 8 и нижнюю 9. Верхняя часть полости, образованной рамкой 6 и упомянутой панелью 7, соединена с зоной горения и служит для укладки дров, а другая, нижняя, - соединена с зоной горения и образует основной канал 10 подачи воздуха в зону горения. Панель 7 образует со смотровым стеклом 5 канал 11, соединяющий полость основного канала 10 подачи воздуха с зоной горения. На другом конце панели 7, противоположном упомянутому каналу 11, преимущественно, в месте ее крепления к корпусу печи, выполнены сквозные каналы 12, соединяющие полость основного канала подачи воздуха с зоной горения. В нижней части печи выполнен канал 13, полость которого соединена с полостью основного канала 10 подачи воздуха и открывается в нижнюю часть полости зоны горения, предпочтительно, через каналы 14 в днище 15 для укладки топлива 16.
Предложенный способ при помощи предложенной печи реализуется следующим образом.
Через дверцу 4 в вертикально ориентированный корпус 1 печи, в зону горения 2, укладывается топливо 16, например дрова. Через канал 11, в верхнюю часть зоны горения 2, поступает воздух, при этом воздух, поступающий через каналы 12 и 14, в начальный момент времени в процессе горения практически не участвует. Верхнюю часть образовавшегося столба топлива 16 поджигают. Топливо 16 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, имеющие меньшую плотность, чем поступающий воздух, поднимаются вверх и отводятся через трубу 3. За счет отвода горячих продуктов сгорания, имеющих меньшую плотность, происходит поступление воздуха, имеющего низкую температуру, и, соответственно, более высокую плотность, внутрь печи, в зону горения, в основном через канал 11.
По мере прогорания верхней части столба топлива 16, при необходимости, через дверцу 4 подкладываются новые порции топлива, которые затем сгорают. Большая часть ранее заложенного столба топлива 16 при этом остается в исходном состоянии.
При прогорании столба топлива 16 ниже заданного уровня, например, до половины столба, воздух, поступающий через каналы 11, участвует в процессе горения не в полной мере, что приводит к ухудшению условий смесеобразования, и топливо начинает гореть с меньшей эффективностью. В этом случае, происходит перераспределение потоков воздуха за счет разницы плотностей продуктов сгорания и воздуха, и в процессе горения начинает участвовать воздух, поступающий через канал 12 и частично через каналы 14.
При прогорании столба топлива 16 ниже заданного уровня, например, ниже половины столба, воздух, поступающий через каналы 12, участвует в процессе горения не в полной мере, что приводит к ухудшению условий смесеобразования, и топливо начинает гореть с меньшей эффективностью. В этом случае, происходит перераспределение потоков воздуха за счет разницы плотностей, и в процессе горения начинает участвовать воздух, поступающий через каналы 14 в днище 15. В этом случае, горение топлива продолжается с прежней эффективностью до его полного выгорания.
Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного образца предложенной печи подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит упростить конструкцию печи и повысить надежность ее работы.