Банная печь и способ нагрева банной печи
BATH FURNACE AND HEATING METHOD OF BATH FURNACE

Изобретение относится к нагревательным устройствам на твердом топливе, используемым для отопления парильного помещения с возможностью длительной генерации мелкодисперсного пара в парильнях бань, а также к способу нагрева банной печи. Банная печь предназначена как для частного, так и для коммерческого использования.
Подавляющее большинство известных банных печей устроены так, что пар получается с камней (или чугунных отливок, чушек), косвенно нагреваемых огнем, т.е. камни, на которые льют воду, нагреваются через некоторую прослойку из металла.
Камни находятся или на корпусе банной печи, и нагреваются от него; либо находятся в некоем подобии «духовки», где огонь проходит по наружным стенкам духовки (часто называемой «закрытой каменкой»). Такая передача тепловой энергии камням малоэффективна. Вода, не испарившаяся с камней, попадает на корпус печи или закрытой каменки, стенки которых обычно не имеют достаточную толщину (и, соответственно, теплоемкость) чтобы испарять воду в качественный пар - для хорошего пара нужна температура 350-450°С.
Самыми лучшими считаются банные печи с прямым нагревом предметов, это, например, печи «по-черному», где огонь напрямую проходит сквозь камни или чугунные чушки. В этом случае камни нагреваются до максимально возможных высоких температур, так как передача тепловой энергии происходит напрямую. Недостаток таких печей в том, что они периодического действия, и начинать парение можно только когда огонь полностью потушен. Камни или чушки дают пар за счет накопленной энергии. Если камни «залили», т.е. они остыли, нужно прекратить парение, заново растопить печь и нагреть камни.
Из уровня техники известна печь (патент РФ на полезную модель №182654, МПК F24B 1/02, F24B 5/02, опубликован 27.08.2018), содержащая корпус, топку, расположенную внутри корпуса, воздушник, установленный внутри корпуса, колосниковую решетку, расположенную в топке с возможностью помещения твердого топлива на нее, портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса через удлинитель портала, два металлических ложа для камней (внешнее и внутреннее), размещенных над топкой, дымоход. При этом внешнее металлическое ложе для камней имеет выступы в виде пластинчатых металлических элементов на своей верхней стороне для увеличения площади соприкосновения с камнями, уложенными на металлическом ложе для камней, ускорения и усиливания их нагрева, и для увеличения поверхности для испарения воды и получения пара.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции банной печи, недостаточная надежность, а также невозможность замены пламегасителя без демонтажа банной печи.
Из уровня техники известна банная печь (патент РФ на полезную модель №63504, МПК F24B 9/00, опубликован 27.05.2007), содержащая корпус, состоящий из двух боковых, передней и задней вертикальных стенок и горизонтального основания с ножками, топку, расположенную внутри корпуса, воздушник, установленный внутри корпуса, колосниковую решетку, установленную с возможностью помещения твердого топлива на нее и образования зольной камеры под ней, портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса, металлическое ложе для камней, размещенное над топкой, дымоход, выполненный с возможностью вывода дыма из топки. При этом металлическое ложе для камней имеет выступы в виде пластин оребрения на своей нижней стороне для увеличения полезной площади контакта топочных газов и ускорения нагрева металлического ложа для камней.
Недостатком известного устройства является малая теплопроизводительность банной печи за счет отсутствия выступов на верхней стороне металлического ложа для камней, а также невозможность замены пламегасителя без демонтажа банной печи.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по устройству является банная печь (патент РФ на полезную модель №46561, МПК F24B 5/00, F24B 13/00, опубликован 10.07.2005), содержащая корпус, состоящий из двух боковых, передней и задней вертикальных стенок и горизонтального основания, топку, расположенную внутри корпуса, воздушник, установленный внутри корпуса, колосниковую решетку, горизонтально расположенную в топке с возможностью помещения твердого топлива на колосниковую решетку и образования зольной камеры под ней, портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса через удлинитель портала, металлическое ложе для камней, размещенное над топкой, дымоход, выполненный с возможностью вывода дыма из топки и проходящий сквозь металлическое ложе для камней, пламегаситель, установленный под выходом стартовой трубы и выполненный с возможностью перекрытия выхода топочных газов и обеспечения их движения вдоль металлического ложа для камней. При этом внешняя боковая поверхность металлического ложа для камней, выступающая выше стенок корпуса банной печи, имеет вертикальные конвекционные ребра (элементы теплоотдачи). С внешней стороны вокруг стенок корпуса расположен ограждающий кожух.
Недостатком известного устройства является недостаточная надежность банной печи, а также невозможность замены пламегасителя без демонтажа банной печи.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по способу является способ нагрева банной печи (патент RU 119073, МПК F24B 1/24, опубликован 10.08.2012), заключающийся в том, что камни укладывают на внешнюю поверхность металлического ложа для камней, прямым огнем обогревают внутреннюю поверхность металлического ложа для камней, подают воду на камни и генерируют пар путем испарения воды с камней.
Недостатками способа является получение крупнодисперсного пара с камней, периодичность действия банной печи - нельзя одновременно топить и париться. Если весь заклад «залит», температура камней упала, то чтобы продолжить парение нужно заново растопить печь, подождать нагрева камней, и заново продолжить банные процедуры.
Техническим результатом, достигающимся при помощи устройства по изобретению, является повышение коэффициента полезного действия банной печи, повышение теплопроизводительности банной печи, повышение надежности банной печи, упрощение эксплуатации и обслуживания банной печи. Техническим результатом, достигающимся при помощи способа по изобретению, является получение мелкодисперсного бархатного пара, а также возможность постоянного действия банной печи.
Сущность устройства по изобретению заключается в том, что банная печь содержит корпус, состоящий из двух боковых, передней и задней вертикальных стенок и горизонтального основания с ножками, топку, расположенную внутри корпуса, воздушник, установленный внутри корпуса, колосниковую решетку, установленную на колосниковой рамке и горизонтально расположенную в топке с возможностью помещения твердого топлива на колосниковую решетку и образования зольной камеры под ней, портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса, металлическое ложе для камней, размещенное над топкой и прикрепленное сверху на гранях стенок корпуса над топкой, стартовую трубу, выполненную с возможностью прикрепления к дымоходу и вывода дыма из топки, проходящую сквозь металлическое ложе для камней, пламегаситель, установленный под выходом стартовой трубы и выполненный с возможностью перекрытия выхода топочных газов и обеспечения их движения вдоль металлического ложа для камней, при этом металлическое ложе для камней имеет массу, составляющую 50% от массы всей банной печи, высота металлического ложа для камней, выступающая выше стенок корпуса банной печи, составляет 40% от высоты всей банной печи, металлическое ложе для камней имеет круглое отверстие для прикрепления стартовой трубы, выступы в виде усеченных конусов на своей нижней стороне для увеличения полезной площади контакта топочных газов и ускорения нагрева металлического ложа для камней, и выступы в виде усеченных конусов на своей верхней стороне для увеличения площади соприкосновения с камнями, уложенными на металлическом ложе для камней, ускорения и усиливания их нагрева, и для увеличения поверхности для испарения воды и получения пара, а внешняя боковая поверхность металлического ложа для камней, выступающая выше стенок корпуса банной печи, имеет вертикальные конвекционные ребра, при этом пламегаситель выполнен составным из двух частей для возможности его замены через дверцу без демонтажа самой банной печи, две боковые и задняя стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра. Портал может быть соединен с передней стенкой корпуса через удлинитель портала или через, по меньшей мере, два удлинителя портала. С внешней стороны вокруг стенок корпуса может быть расположен короб из чугуна с окном сверху для защиты корпуса от попадания воды и для загрузки камней для получения пара. Дверца может быть выполнена чугунной. К дверце могут быть прикреплены рукоятка и защелка-крючок, а в нижней части дверцы - расположена регулируемая задвижка для подачи воздуха в топку.
Сущность способа по изобретению заключается в том, что укладывают камни на внешнюю поверхность металлического ложа для камней - верхней детали банной печи, имеющей высокую массу для аккумуляции тепла и выполненную из металла с высокой теплопроводностью, прямым огнем обогревают внутреннюю поверхность металлического ложа для камней, подают воду на камни и на внешнюю поверхность металлического ложа для камней и генерируют мелкодисперсный пар путем испарения воды с металлического ложа для камней. При этом в качестве металла можно использовать чугун.
Технический результат по устройству достигается за счет того, что:
- согласно изобретению, осуществляют прямой нагрев металлического ложа для камней, имеющего большую теплоемкость, и вода, попадая на данное металлическое ложе, преобразуется в качественный пар, при этом камни играют второстепенную роль, что обеспечивает повышенную теплоотдачу банной печи и, соответственно, повышение коэффициента полезного действия банной печи,
- на нижней стороне металлического ложа для камней находятся равномерно расположенные выступы для увеличения полезной площади контакта топочных газов и ускорения нагрева металлического ложа для камней и, соответственно, повышения коэффициента полезного действия и теплопроизводительности банной печи,
- на верхней стороне металлического ложа для камней находятся равномерно расположенные выступы для увеличения площади соприкосновения с камнями, уложенными на металлическом ложе для камней, а также для увеличения поверхности для испарения воды и получения пара и, соответственно, повышения коэффициента полезного действия и теплопроизводительности банной печи,
- металлическое ложе для камней имеет увеличенную массу (а именно, металлическое ложе имеет массу, составляющую 50% от массы всей банной печи), что обеспечивает повышение парогенерирующей способности и повышение теплопроизводительности банной печи,
- под выходом дымохода имеется пламегаситель, который увеличивает длину пламени в топке, заставляя его делать оборот, для повышения коэффициента полезного действия банной печи,
- две боковые и задняя стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра, обеспечивая повышенную теплоотдачу стенок корпуса и, соответственно, повышение коэффициента полезного действия банной печи,
- габаритные размеры банной печи по высоте боковых стенок уменьшены, обеспечивая повышение надежности банной печи,
- пламегаситель выполнен из двух частей для возможности его замены через топочную дверцу банной печи и для чистки труб без демонтажа самой печи, обеспечивая удобство и упрощение эксплуатации и обслуживания банной печи.
Технический результат по способу достигается за счет того, что:
- получают мелкодисперсный пар («бархатный», «мягкий»), образующийся при попадании воды на поверхность металлического ложа для камней,
- банная печь является печью постоянного действия. Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид банной печи, где: 1 - основание с ножками, 2 - стенки боковые, 3 - стенка передняя, 4 - стенка задняя, 5 - металлическое ложе для камней, 10 - труба стартовая, 12 - удлинитель портала, 13 - портал, 14 - дверца в сборе.
На фиг. 2 показана взрыв-схема банной печи, где: 1 - основание с ножками, 2 - стенки боковые, 3 - стенка передняя, 4 - стенка задняя, 5 - металлическое ложе для камней, 6 - рамка колосниковая, 7 - решетка колосниковая, 8 - воздушник, 9 - первая часть пламегасителя, 10 - труба стартовая, 11 - короб, 12 - удлинитель портала, 13 -портал, 14 - дверца в сборе, 15 - вторая часть пламегасителя, 16 - выступы на нижней стороне металлического ложа для камней, 17 - выступы на верхней стороне металлического ложа для камней.
На фиг. 3 показана банная печь в продольном разрезе, где: 1 - основание с ножками, 3 - стенка передняя, 4 - стенка задняя, 5 - металлическое ложе для камней, 6 - рамка колосниковая, 7 - решетка колосниковая, 8 - воздушник, 9 - первая часть пламегасителя, 10 - труба стартовая, 12 - удлинитель портала, 13 - портал, 14 - дверца в сборе, 15 - вторая часть пламегасителя, 16 - выступы на нижней стороне металлического ложа для камней, 17 - выступы на верхней стороне металлического ложа для камней.
На фиг. 4 показана банная печь (вид сверху), где: 2 - стенки боковые, 3 - стенка передняя, 4 - стенка задняя, 5 - металлическое ложе для камней, 10 - труба стартовая, 12 - удлинитель портала, 13 - портал, 14 - дверца в сборе, 17 - выступы на верхней стороне металлического ложа для камней.
На фиг. 5 показана банная печь в поперечном разрезе, где: 1 - основание с ножками, 2 - стенки боковые, 5 - металлическое ложе для камней, 6 - рамка колосниковая, 7 - решетка колосниковая, 15 - вторая часть пламегасителя, 16 -выступы на нижней стороне металлического ложа для камней, 17 - выступы на верхней стороне металлического ложа для камней.
Банная печь относится к нагревательным устройствам конвекционного типа и работает на твердом топливе - дровах.
Банная печь содержит корпус, состоящий из двух боковых 2, передней 3 и задней 4 вертикальных стенок и горизонтального основания 1 с ножками, топку, воздушник 8, колосниковую решетку 7, установленную на колосниковой рамке 6, портал 13 с дверцей 14, удлинитель портала 12, металлическое ложе для камней 5, две части пламегасителя 9, 15.
Топка, воздушник 8, колосниковая решетка 7, колосниковая рамка 6 и две части пламегасителя 9, 15 расположены внутри корпуса банной печи. Две боковые 2 и задняя 4 стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра.
Колосниковая решетка 7 горизонтально расположена в топке с возможностью помещения твердого топлива на нее и образования зольной камеры под ней.
Портал 13 с дверцей 14 установлены с фронтальной стороны корпуса. Портал 13 может быть соединен с передней 3 стенкой корпуса через удлинитель портала 12 или через, по меньшей мере, два удлинителя портала 12.
Металлическое ложе для камней 5 («каменка») размещено над топкой и имеет круглое отверстие для установки и прикрепления стартовой трубы 10. Металлическое ложе для камней 5 прикреплено сверху на гранях стенок корпуса, опираясь пазом, расположенным с внутренней стороны.
Боковые стенки банной печи, с одной стороны соприкасаемые с пламенем, а с наружной обогреваемые воздух в помещении, являются «самым слабым» местом. Такая плоская деталь, как боковая стенка, испытывает самые большие термические напряжения, так как соотношение площади детали к ее толщине самое большое. Особенностью банной печи является металлическое ложе для камней 5 сложной формы - боковые стенки металлического ложа фактически продолжают боковые стенки самой банной печи. Это позволяет уменьшить габаритные размеры по высоте боковых стенок банной печи, что повышает надежность печи для коммерческого использования: высота металлического ложа для камней 5, выступающая выше стенок корпуса банной печи, составляет 40% от высоты всей банной печи (при этом в стандартных моделях банных печей боковая стенка составляет 100% высоты корпуса банной печи).
Внешняя боковая поверхность металлического ложа для камней 5 (нагреваемая пламенем изнутри), выступающая выше стенок 2, 3, 4 корпуса банной печи, имеет вертикальные конвекционные ребра. Данные ребра обеспечивают нагрев воздуха в парной, компенсируя относительную уменьшенную высоту стенок корпуса банной печи.
Металлическое ложе для камней 5 имеет очень большую массу - а именно, массу, составляющую 50% от массы всей банной печи, для повышенной теплоемкости.
При этом металлическое ложе для камней 5 имеет углубление в центре, образующее нишу для камней, обогреваемую пламенем со всех сторон. В этой нише, на верхней стороне металлического ложа для камней 5, находятся равномерно расположенные вертикальные выступы 17 в виде усеченных конусов. Таким образом, камни в нише нагреваются не только с 5-ти сторон, но и весь заклад «пронизан» нагревающими выступами 17.
Кроме того, металлическое ложе для камней 5 имеет равномерно расположенные вертикальные выступы 16 в виде усеченных конусов на своей нижней стороне.
Выступы 16 на нижней стороне металлического ложа для камней 5 ускоряют его нагрев. Выступы 17 на верхней стороне металлического ложа для камней 5 ускоряют и усиливают нагрев камней, расположенных внутри металлического ложа.
Стартовая труба 10 выполнена с возможностью прикрепления к дымоходу и вывода дыма из топки. Стартовая труба 10 проходит сквозь металлическое ложе для камней 5.
Пламегаситель установлен под выходом стартовой трубы 10 и выполнен с возможностью перекрытия выхода топочных газов и обеспечения их движения вдоль металлического ложа для камней 5. Пламегаситель выполнен составным из двух частей 9, 15 для возможности его замены через дверцу 14 без демонтажа самой банной печи.
Дверца 14 может быть выполнена чугунной. К дверце 14 могут быть прикреплены рукоятка и защелка-крючок, а в нижней части дверцы - расположена регулируемая задвижка для подачи воздуха в топку.
С внешней стороны вокруг стенок корпуса, сверху на металлическом ложе для камней 5, может быть расположен короб 11. Короб 11 может быть изготовлен из чугуна. Короб 11 увеличивает температуру заклада камней для получения более качественного пара, а также защищает корпус банной печи от попаданий воды. Подача и загрузка камней производится в окно короба 11, расположенное сверху.
Все металлические детали банной печи могут быть выполнены из чугуна, за исключением метизов.
Банная печь работает следующим образом.
В металлическое ложе 5 закладывают камни, специально для этого предназначенные. В частности, могут использоваться камни из жадеита, габбродиабаза, малинового кварцита, перидотита, талькохлорита. Также камни закладывают в короб 11, если он используется. Камни в короб 11 закладывают через окно, расположенное сверху короба 11.
Через дверцу 14 в топку на колосниковую решетку 7 укладывают твердое топливо - дрова и поджигают. Продукты горения топлива направляются к задней стенке 4 корпуса. Выход для пламени вверх перекрыт двумя частями пламегасителя 9, 15. Двигаясь от задней стенки 4 корпуса к выходу в дымоход через стартовую трубу 10, пламя взаимодействует с металлическим ложем для камней 5, проходя под дном металлического ложа между выступами 16, обогревая каждый выступ 16 со всех сторон.
Поток воздуха, поступающий в топку через открытую регулируемую задвижку в нижней части дверцы 14, разделяется на несколько самостоятельных потоков:
- поток в зольную камеру, находящуюся под колосниковой решеткой 7, через щели колосниковой решетки 7 поступает в топку для обеспечения основного горения,
- поток воздуха для очистки огнеупорного стекла на дверце 14, проходя вдоль стекла, обдувает его, не давая загрязняться от продуктов горения и обеспечивая его чистоту от сажи,
- поток, поступающий по воздушнику 8 в верхнюю часть топки, обеспечивая дожиг продуктов сгорания и максимальную температуру под металлическим ложем для камней 5.
Воздух парной нагревается конвекционным способом за счет контакта воздуха с поверхностью корпуса банной печи. Конвекционные ребра, расположенные на боковых 2 и задней 4 стенках на наружной поверхности корпуса, обеспечивают большую площадь излучающей поверхности, позволяя эффективнее снимать тепло с печи и нагревать воздух в парной.
Для получения пара вода подается на металлическое ложе 5 печи, которое является основным испарителем. Толщина и масса металлического ложа 5 обеспечивает необходимую теплоемкость и допускает прямое попадание воды на него, чтобы при попадании воды не терять температуру и продолжать испарять значительное количество воды в качественный пар. Металлическое ложе 5 для камней нагревается огнем напрямую. При этом можно одновременно и топить печь, и получать пар. Камни играют второстепенную роль - они разбивают воду на потоки, позволяют удерживать брызги воды, которые попали на раскаленное металлическое ложе 5. Камни также нагреваются и дают пар, но при попадании воды поверхность камней быстро остывает, и вода проливается вниз, на дно металлического ложа, там она испаряется уже с самой поверхности металлического ложа.
Для увеличения площади теплосъема и более эффективного нагрева, металлическое ложе 5 оборудовано выступами 16, направленными вниз топки. Выступы 16 позволяют дополнительно увеличить площадь соприкосновения металла с огнем.
Для увеличения поверхности для испарения воды, металлическое ложе 5 оборудовано выступами 17, направленными вверх. Для качественного пара нужна температура поверхности для испарения не менее 400°С. Также выступы 17 позволяют лучше обогреть камни, укладываемые на металлическое ложе 5 - а именно, ускорить и усилить их нагрев за счет того, что выступы 17 «пронизывают» массу уложенных камней. За счет данной конструкции металлическое ложе 5 быстро восстанавливает высокую температуру после поддачи воды для следующей порции пара.
Металлическое ложе для камней 5 имеет значительную массу, что обуславливает повышенную теплоемкость.
Далее горячие топочные газы попадают в стартовую трубу 10, а через нее в дымоход.
Особенностью заявляемого способа нагрева банной печи является то, что роль парогенератора выполняет верхняя деталь банной печи - металлическое ложе для камней (а не камни, как в известных банных печах). Внутренняя поверхность этой детали обогревается прямым контактом с огнем. Набирает максимально возможную температуру. Имеет высокую массу для аккумуляции тепла. Выполнена из металла (в частности, из чугуна), что дает высокую теплопроводность, температура от пламени быстро передается на внешнюю поверхность детали, на которую и подают воду для испарения. Сверху на внешнюю поверхность металлического ложа для камней укладывают камни: для снижения теплопотерь поверхности металлического ложа для камней, для распределения воды по его поверхности, для устранения эффекта Лейденфроста и разбрызгивания капель воды при контакте с поверхностью металлического ложа для камней.
Воду подают на камни и на внешнюю поверхность металлического ложа для камней, мелкодисперсный пар генерируется путем испарения воды с металлического ложа для камней.
Температура камней не имеет значения - даже если камни недостаточно нагреты для получения мелкодисперсного пара, вода соскользнет с них вниз, на металлическое ложе для камней, откуда и произойдет парообразование.
Вся конструкция банной печи рассчитана на нагрев металлического ложа для камней: подача воздуха в верхнюю часть металлического ложа для камней для повышения температуры горения, увеличение площади контакта с огнем с помощью оснащения дна металлического ложа для камней конусообразными выступами.
Банная печь является печью постоянного действия, можно подавать воду для генерации мелкодисперсного пара при одновременном горении в топке. Это позволяет быстро восстанавливать температуру при ее понижении от подач воды. Массы металлического ложа для камней достаточно для разового испарения вводы на объем парного помещения, на который рассчитана модель банной печи.
Таким образом, изобретение обеспечивает:
- повышение коэффициента полезного действия и теплопроизводительности банной печи за счет выступов, расположенных на нижней и верхней сторонах металлического ложа для камней,
- повышение парогенерирующей способности и повышение теплопроизводительности банной печи за счет увеличенной массы металлического ложа для камней (а именно, металлическое ложе имеет массу, составляющую 50% от массы всей банной печи),
- повышение коэффициента полезного действия банной печи за счет пламегасителя, находящегося под выходом дымохода, увеличивающего длину пламени в топке,
- повышение коэффициента полезного действия банной печи за счет конвекционных ребер, расположенных на двух боковых и задней стенках корпуса,
- повышение надежности банной печи за счет уменьшения габаритных размеров банной печи по высоте боковых стенок,
- удобство и упрощение эксплуатации и обслуживания банной печи за счет выполнения пламегасителя из двух частей,
- получение мелкодисперсного бархатного пара,
- возможность постоянного действия банной печи.
Заявителем изготовлен опытный образец устройства, который полностью подтвердил заявленные преимущества, в связи с чем изобретение может быть с успехом применено при промышленном производстве банных печей.