ПАРООБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ БАНИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области тепловой техники, конкретнее к устройствам получения пара и снабжения им помещений различного назначения, преимущественно индивидуальных и коллективных бань.
Уровень техники
Известно парообразовательное устройство для сауны, представляющее собой цилиндрический сосуд с водой, установленный на каменке между камнями в непосредственной близости от источника тепла, который нагревает воду в сосуде, что приводит к образованию пара. Сверху на цилиндрический сосуд устанавливают чашу, заполненную мелкими камнями, в дне которой проделано отверстие для прохождения пара, образующегося при испарении воды в сосуде, благодаря чему сдерживается сильный поток пара и предотвращается расплескивание закипающей жидкости (см. патент на полезную модель №6038, МПК: F22G 1/10, опубл. 16.02.1998 г.).
Известна печь для бани, содержащая корпус, топку, сообщенную с дымовой трубой и парообразователь, включающий размещенную над топкой камеру с теплоаккумулирующей загрузкой, влагоподающим устройством и вихреобразователем пара в виде улитки, соединенной с трубой, обеспечивающей выход пара в помещение бани (патент на изобретение №2359173, МПК: F22B 1/24, F22G 1/10, опубл. 20.06.2009 г.).
1
1
Обычно в качестве теплоаккумулирующей загрузки используют камни или чугунные чушки, при этом размещают их как можно ближе к источнику тепла: над топкой и вокруг нее, как например, в печах по патентам №2011121, МПК: F22B 9/04, опубл. 15.04.1994 г., и №45508 U, МПК: F22B 1/02, опубл. 10.05.2005 г. В качестве источника тепла может быть использован электрический нагревательный элемент, как например, в печи по патенту №13688 U, МПК: F24C 7/00, опубл. 10.05.2000 г.
Камни нагреваются за счет теплообмена с раскаленной поверхностью печи. Образование пара в таких печах осуществляют путем подачи порции воды на поверхность теплоаккумулирующего материала, т.е. на нагретые камни.
Основным недостатком упомянутых известных устройств является длительный процесс нагрева камней.
1
Для ускорения процесса нагревания камней через камеру с теплоаккумулирующей загрузкой дополнительно пропускают топочные газы, устанавливают в ней дополнительные теплообменные поверхности, размещают теплоаккумулирующую загрузку как можно ближе к источнику тепла, заглубляя ее в топку (см. патент RU №2229064, МПК: F24B 5/02, опубл. 20.05.2004 г, патент GB 1077578 от 02.08.1967 г., патент RU 75714 U, МПК: F24B 7/04, оп. 20.08.2008 г., патент RU 2123640, МПК: F24C 7/00, опубл. 20.05.2004 г.) Однако, не смотря на все вышеперечисленные мероприятия, прогрев каменной теплоаккумулирующей загрузки занимает значительный промежуток времени.
Для образования пара в таких печах порцию воды подают на камни через открытую дверцу люка каменки, при этом вода попадает только на очень ограниченную поверхность теплоаккумулирующей загрузки, остальная ее масса практически не работает, а лишь способствует длительному удержанию тепла. Кроме того, вода длительно задерживается между камней и пар получается влажным и тяжелым.
Применение различных влагораспределительных устройств, обеспечивающих разбрызгивание воды по поверхности теплоаккумулирующей загрузки и улучшающих тем самым интенсивность процесса парообразования, как например, в печи для бани «Гейзер», раскрытой в материалах патента №2250417, МПК: F24B 1/24, оп. 20.04.2005 г., ведет к усложнению конструкции устройства печи, и при этом не позволяет решить проблему ускорения нагрева теплоаккумулирующей загрузки.
Известно устройство парообразователя для бани, в котором решена проблема ускорения нагрева теплоаккумулирующей загрузки за счет того, что испарение воды организовано именно с металлических поверхностей, образующих камеру испарения, а именно: непосредственно с нагреваемой поверхности печи, в качестве которой в примере использована стенка топки, и металлических поверхностей закрепленных на этой стенке профилированных элементов (см. патент RU №2310135, МПК: F24B 9/00, опубл. 10.11.2007 г.). Упомянутое устройство было принято в качестве ближайшего аналога для заявляемого решения.
Благодаря тому, что металлические поверхности очень быстро нагреваются, насладиться паром можно спустя всего несколько минут после включения нагревателя или растопки печи. Кроме того значительный перегрев металлических поверхностей камеры испарения обеспечивает получение мелкодисперсного, т.н. «легкого» пара, наиболее благодатно воздействующего на организм человека.
В известном решении камера испарения представляет собой множество сообщенных между собой полостей, размещенных по вертикали одна под другой. Неиспарившаяся сразу вода последовательно перетекает из одной полости в другую, нижележащую. К недостаткам известного решения следует отнести то, что на испарение работает только незначительная часть нагретых поверхностей, соприкасающихся с водой. В большей степени это поверхности, образующие верхнюю камеру испарения, куда подается порция воды. Поверхности последующих камер работают только в нижней своей части, где задерживается вода. Формирование дополнительных направляющих элементов для воды и увеличение числа сообщающихся между собой полостей для того, чтобы задействовать как можно большую площадь нагретой поверхности, значительно усложняет устройство парообразователя и снижает надежность его работы.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности парообразования за счет повышения эффективности использования площади парообразующей поверхности, при одновременном упрощении конструкции парообразователя.
Поставленная задача решена за счет того, что в парообразователе для бани, содержащем испаритель с нагреваемой источником тепла металлической поверхностью испарения, на которую подается вода, согласно заявляемой полезной модели, поверхность испарения выполнена в виде конической поверхности, обращенной вершиной вверх.
Как и в прототипе, испарение воды организовано с металлической поверхности, нагреваемой до температуры выше, чем температура кипения воды. Нагрев поверхности, как и в прототипе, может быть осуществлен за счет контакта с нагревательным элементом либо за счет газообразных продуктов горения топлива.
Подаваемая на поверхность испарения сверху вода, попадая на конусную поверхность испарителя, растекается по ней не только сверху вниз, но и по окружностям вокруг конуса, что обусловлено именно свойствами его формы. Т.е. происходит быстрое и равномерное перераспределение жидкости по поверхности конуса, без каких-либо дополнительных вспомогательных элементов, причем жидкость распределяется на максимально возможную площадь парообразующей поверхности, до полного испарения.
Таким образом, конструктивное исполнение испарителя с конусной поверхностью испарения, обеспечило возможность работы максимальной площади поверхности испарения в каждом случае подачи воды, не зависимо от количества вылитой воды, и места конусной поверхности, в которое она была подана. Величина этой площади будет зависеть от количества поданной воды: чем больше воды попало на парообразующую поверхность, тем по большей площади она распределяется, т.о. заявляемый парообразователь эффективно работает в условиях порционной подачи воды.
Предпочтительно наличие в парообразователе кожуха, выполняющего функции теплового экрана и предохраняющего от прямого инфракрасного излучения и обеспечивающего безопасность использования устройства. Кожух охватывает испаритель с зазором, благодаря чему между кожухом и конической поверхностью испарителя образуется замкнутая кольцеобразная полость, по сути, камера испарения, открытая сверху для подачи воды. Благодаря тому, что вода перераспределяется по поверхности конуса, образование пара происходит, в основном, в объеме замкнутой кольцевой полости. Образующийся пар, отражаясь от стенок кожуха, завихряется и многократно возвращается к нагреваемой конусной поверхности, соприкасаясь с которой он подсушивается и нагревается, благодаря чему улучшаются его характеристики.
Наличие кожуха позволяет получить еще один дополнительный положительный эффект, а именно: звуковое сопровождение парообразования. Некоторая часть образующегося пара, направляясь вверх, выходит через отверстие полости, остальной пар заполняет замкнутую полость камеры испарения. После того, как вся полость заполнится паром, последний под давлением направляется к отверстию, вырываясь наружу с характерным звуком, что так любят многие парильщики.
В частном случае исполнения устройства, испаритель может представлять собой цельный конус, или замкнутую конусную поверхность, однако предпочтительно использование полых конусных испарителей, имеющих внутреннюю полость, в которой может быть размещен источник тепла.
Размещение источника тепла внутри конусной поверхности позволяет не только ускорить нагрев поверхности испарения, но и обеспечивает эффективное использование выделяемого тепла, позволяя даже снизить мощность источника тепла и сэкономить энергоресурсы, не ухудшая при этом показатели парообразования устройства.
Тепловая энергия аккумулируется непосредственно в парообразующем элементе - испарителе, выполненном из металла. В качестве материала для изготовления испарителя предпочтительно использование нержавеющей стали, меди и чугуна.
Поверх стальной конической поверхности испарителя может быть дополнительно надет полый металлический конус с аналогичной формой, выполненный из меди или чугуна. Это повышает теплоаккумулирующую емкость испарителя, обеспечивает повышенную устойчивость к повреждениям.
В одном конкретном случае реализации заявляемого устройства испаритель выполнен в виде полого конуса, внутри которого размещен источник тепла в виде электрического нагревательного элемента. Последний может быть размещен в объеме внутренней полости конуса-испарителя, но предпочтительней, если нагревательный элемент соприкасается с внутренней стенкой конуса, что повышает эффективности использования вырабатываемого нагревателем тепла, ускоряет процесс нагрева поверхности испарения. Например, нагревательный элемент может быть выполнен в виде восходящей спирали, закрепленной на внутренней поверхности конуса.
В другом конкретном случае реализации заявляемого устройства испаритель выполнен в виде усеченного полого конуса, образующего свод топки, предпочтительно имеющей цилиндрическую форму. В малом основании конуса испарителя устанавливают дымовую трубу. Поднимающиеся к своду топки газообразные продукты сгорания топлива являются источником тепла, обеспечивающим нагрев конусной поверхности испарения (см. пример ниже).
Таким образом, заявляемый парообразователь отличается простотой конструкции и эффективным использованием парообразующей поверхности, и может быть использован с любым источником тепловой энергии: электрическим нагревателем или топкой, работающей на любом виде топлива.
Краткое описание чертежей
Устройство заявляемого парообразователя поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен парообразователь с источником тепла в виде электрического нагревательного элемента, размещенного в объеме испарителя, на фиг.2 - тоже, но нагревательный элемент закреплен на внутренней поверхности испарителя;
на фиг.3 изображен парообразователь, использующий для нагрева топочные газы;
На фиг.4 - сечение А-А с фиг.3.
Осуществление полезной модели
Парообразователь для бани (см. фиг.1) содержит испаритель 1 в виде полого конуса с размещенным внутри источником тепла в виде электрического нагревательного элемента 2 и кожух 3, охватывающий конус 1 испарителя с образованием вокруг его вершины кольцеобразной полости 4, открытой сверху для подачи воды.
Электрический нагревательный элемент 2 может быть выполнен в виде восходящей спирали, закрепленной на внутренней стенке конуса 1 (см. фиг 2). За счет прямого контакта спирали со стенкой конуса 1 обеспечивается быстрый нагрев поверхности испарения и максимальное использование выделяемого тепла.
Испаритель 1, предпочтительно изготовлен из листовой нержавеющей стали. Поверх стального конуса 1 может быть надет дополнительный полый конус 5 из меди или чугуна. При желании в кольцевой полости 4 может быть размещен теплоаккумулирующий материал, но так, чтобы не препятствовать работе основной поверхности испарения.
Через несколько минут после включения нагревательного элемента 2, поверхность конуса 1 (и 5 при наличии такового) разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды. Парообразователь готов к работе.
Сверху на парообразующую поверхность плещут порцию воды. Часть воды сразу попадает на конусную поверхность испарителя, часть - в полость 4 и в ней также на конусную поверхность испарителя, что объясняется формой конуса, расширяющейся от вершины к основанию. Жидкость быстро и равномерно распределяется по нагретой конусной поверхности. Часть образующегося пара стремиться к выходному отверстию, однако большая часть образующего в объеме замкнутой кольцевой полости 4 пара задерживается, отражаясь от стенок кожуха, завихряется и многократно возвращается к нагретой конусной поверхности, соприкасаясь с которой он подсушивается и нагревается, благодаря чему обеспечивается получение мелкодисперсного, т.н. «легкого» пара.
На фиг.3 изображен парообразователь, использующий в качестве источника тепла горячие продукты сгорания топлива. Парообразователь содержит испаритель 6 в виде полого усеченного конуса, установленного поверх цилиндрической топки 7 с образованием свода топки, и кожух 8 с двойными стенками, охватывающий топку с испарителем с образованием кольцеобразной полости 9, открытой сверху для подачи воды и выхода пара. В цилиндрической боковой поверхности топки 8 выполнены люк 10 для загрузки топлива и отверстия 11, чередующиеся со спиралеобразно изогнутыми от боковой поверхности к центру топки ребрами 12, образующими колосник топки, под которым размещен зольник 13.
Кожух 8 выполнен с двойными стенками 14 и 15. Внутренняя стенка 14 охватывает только купол топки - испаритель 6 с образованием полости 9, а наружная стенка 15 - всю топку. Во внутреннюю полость 16 между стенками 14 и 15 кожуха организована принудительная подача воздуха, например посредством вентилятора 17. В малом основании конуса 6 установлена дымовая труба 18 с регулируемой заслонкой 19.
Через люк 10 в топку 8 загружают топливо, предпочтительно дрова, которые располагаются поверх спиралеобразных ребер 12 колосника. В результате сгорания топлива во внутреннем объеме 20 топки образуется разряжение. Раскаленные газы устремляются вверх к дымовой трубе и создают разряжение в нижней центральной части топки, что вызывает подсос воздуха через отверстия 11 из полости 16, куда воздух нагнетается вентилятором 17 (сплошные стрелки на чертеже). Воздух, попадая между спиралеобразными элементами 12 завихряется, обеспечивая интенсивное горение топлива. Управляя вентилятором 17 и изменяя величину проходного сечения выходного отверстия трубы 18 посредством заслонки 19, можно добиться нужной степени тяги и турбулентности потоков в топке, т.е. желаемого режима горения топлива, в том числе создания «тлеющего» пламени, наиболее экономичного и при этом достаточного для нагрева металлической поверхности купола топки - конуса испарителя.
Спиральные ребра 12 у стенок камеры сгорания имеют большую высоту, чем в центре, что обеспечивает равномерное поступление воздуха в центральную часть камеры сгорания, позволяет направить в этом направлении пламя и скатывание сгорающих кусков дров и образующихся углей. Цилиндрическая форма топки и контролируемая турбулентность пламени обеспечивают равномерный прогрев стенок топки, что невозможно в обычных кубических печах.
Форма свода топки, выполненного в виде усеченного полого конуса, как нельзя более соответствует естественной форме пламени, за счет чего обеспечивается быстрый и равномерный нагрев поверхности испарителя. Благодаря выполнению парообразующей поверхности (поверхности испарения) из металла, обеспечивается ее быстрый нагрев и готовность устройства к образованию пара.
Парообразование осуществляют путем подачи порции воды в открытую полость 9. Конусная форма поверхности обеспечивает равномерное и быстрое распределение жидкости по поверхности конуса (на чертеже стрелки, изображенные пунктиром). Попав на одну сторону макушки конуса, жидкость быстро растекается по кругу и вниз, распределяясь по поверхности конуса. Образующийся пар заполняет все пространство между конусом и стенкой кожуха, после чего выталкивается через выходное отверстие под некоторым давлением, обеспечивая при этом образование характерного звука.
Очень простая, легкая и компактная конструкция заявляемого устройства парообразователя позволяет использовать ее в небольших помещениях малогабаритных бань или саун.
Приведенный выше пример, где использована топка на твердом топливе, не ограничивает возможности применения топки на жидком или газообразном топливе для нагревания конусной поверхности испарения.