ЖАРОВНЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ 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 небольших по объему 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 палаток для туристов, рыбаков, рабочих и военнослужащих.
Уровень техники
Известно техническое решение по сжиганию твердого топлива, обеспечивающее режим горения твердого топлива в неподвижном плотном слое на колосниковой решетке (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 колосниковую решетку 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 колосниковую решетку. 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 (приготовления) 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 жаровне с вертикальной кладкой твердого топлива плотным слоем является устройство по патенту РФ 2267700, МКИ F23B 70/00, опубл. 10.01.2006 г., содержащее колосниковую решетку для загрузки твердого топлива плотным слоем. В известном устройстве воспламенение твердого топлива производят в отдельных точках площади колосниковой решетки. От воспламенившегося топлива постепенно загораются соседние участки слоя и топливо сгорает в виде, по меньшей мере, одного фронта горения, перемещающегося по площади слоя от точки воспламенения.
Причем, перед каждой загрузкой свежего твердого топлива колосниковую решетку 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.
2
К недостатком известного технического решения следует отнести то, что оно обладает большими габаритами (площадь колосниковой решетки 2,25 м при высоте слоя твердого топлива до 2 м), что не позволяет его использовать в походных или полевых условиях. Кроме того, при реализации известного технического решения происходит процесс образования продуктов неполного сгорания твердого топлива.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка жаровни для экологически чистого сжигания твердого топлива в походных или полевых условиях, применяемого, как для обогрева людей в палатках, так и для приготовления и/или 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 при одновременном снижении весовых и габаритных характеристик жаровни для сжигания твердого топлива, а также в уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.
ст
ст
ст
Данные технические результаты достигаются тем, что в жаровне для вертикальной кладки твердого топлива плотным слоем, содержащей колосниковую решетку, которая снабжена боковой стенкой и выполнена в виде стакана с возможностью укладки в нем топливных брикетов вдоль оси стакана, причем внутренний диаметр стакана D выбран от l,05d до 1,25d, а отношение высоты стакана Н к его внутреннему диаметру D составляет от 0,04/d до 0,18/d, где d - диаметр брикета твердого топлива, м, кроме того стакан выполнен из перфорированной листовой стали толщиной 0,001 м и диаметром ячеек от 0,003 м до 0,01 м и установлен внутри цилиндрического защитного корпуса с выдвижным зольником и круглой крышкой, а цилиндрический защитный корпус и его крышка выполнены из металлической сетки с размером ячейки не менее 0,002 м и толщиной проволоки не менее 0,001 м.
ст
ст
ст
Отличительная особенность заявляемой жаровни, состоит в том, что колосниковая решетка снабжена боковой стенкой и выполнена в виде стакана с возможностью укладки в нем топливных брикетов вдоль оси стакана, причем внутренний диаметр стакана D выбран от 1,05d до 1,25d, а отношение высоты стакана Н к его внутреннему диаметру D составляет от 0,04/d до 0,18/d, где d - диаметр брикета твердого топлива, м, кроме того стакан выполнен из перфорированной листовой стали толщиной 0,001 м и диаметром ячеек от 0,003 м до 0,01 м и установлен внутри цилиндрического защитного корпуса с выдвижным зольником и круглой крышкой, а цилиндрический защитный корпус и его крышка выполнены из металлической сетки с размером ячейки не менее 0,002 м и толщиной проволоки не менее 0,001 м.
2
2
2
2
В результате время между загрузками твердого топлива может быть обеспечено от 2 до 6 часов при удельной тепловой производительности жаровни от 0,25 кВт/час до 0,70 кВт/час (площадь колосниковой решетки 3,14×(1,05×5)/4=21,64 см, при d=5 см), что позволяет человеку отдохнуть и согреться в палатке, а также приготовить и/или подогреть себе пищу не боясь отравиться во время отдыха отходящими газами, образующимися при сгорании твердого топлива. Причем, экспериментально было установлено, что вышеописанная кладка топливных брикетов каталитического горения, изготовленных в виде таблеток или цилиндров, вдоль оси перфорированного стакана, выполненного с диаметром ячеек перфорации от 0,003 до 0,01 м и установленного внутри цилиндрического защитного корпуса, выполненного из металлической сетки с размером ячейки не менее 0,002 м и толщиной проволоки не менее 0,001 м, обеспечивает время непрерывного работы жаровни с удельной тепловой производительностью 0,30-0,75 кВт/ч в течение 3-7 часов (для площади колосниковой решетки 3,14×(1,25×6)/4=44,16 см, при d=6 см) с выделением отходящих газов в соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами. Необходимо отметить, что вышеуказанные габаритные размеры перфорированного стакана, защитного корпуса, топливного брикета и размеры ячеек перфорированных отверстий и сетки обеспечивают устойчивое беспламенное и бездымное горение топливных брикетов. Таким образом, из выше приведенного следует, что новые технические результаты могут быть получены только при реализации всех существенных признаков, характеризующих заявляемую 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».
ст
2
2
Целесообразно площадь стенки стакана S выполнить от 0,164d м до 0,746d м.
Целесообразно чтобы отношение поверхности F к массе G кладки брикетов твердого топлива было 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.
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.
кop
ст
Кроме того, целесообразно чтобы отношение внутреннего диаметра цилиндрической стенки защитного корпуса D к внутреннему диаметру стакана D составляло от 1,05 до 1,35.
кор
ст
Целесообразно также чтобы отношение высоты защитного корпуса Н к высоте стакана Н составляло от 1,10 до 1,30.
Перечень фигур чертежей
На фиг 1. изображен общий вид жаровни для вертикальной кладки твердого топлива плотным слоем; на фиг.2 изображена жаровня в разобранном состоянии.
Осуществление полезной модели
ст
ст
ст
ст
кор
ст
кор
ст
2
2
Жаровня для вертикальной кладки твердого топлива 1 плотным слоем содержит колосниковую решетку снабженную боковой вертикальной стенкой, предназначенной, в первую очередь, для фиксации кладки брикетов твердого топлива и выполненной в виде перфорированного стакана 2, изготовленного из перфорированной листовой стали толщиной 0,001 м и диаметром ячеек от 0,003 м до 0,01 м (см. фиг.1 и фиг.2). Причем внутренний диаметр D выполнен от 1,05d до 1,25d, а отношение высоты Н стакана к его внутреннему диаметру D составляет от 0,04/d до 0,18/d, где d - диаметр брикета твердого топлива, м. Целесообразно площадь стенки стакана S выполнить от 0,164d м до 0,746d м. Для безопасной эксплуатации заявляемой жаровни стакан 2 может быть установлен внутри цилиндрического защитного металлического корпуса 3 с выдвижным зольником 4 и круглой крышкой 5 (см. фиг.1 и фиг.2). Защитный корпус 3 и его крышка 5 выполнены из металлической сетки с размером ячейки не менее 0,002 м и толщиной проволоки не менее 0,001 м. (см. фиг.1). Причем, отношение внутреннего диаметра цилиндрической стенки защитного корпуса D к внутреннему диаметру стакана D составляет от 1,05 до 1,35, а отношение высоты защитного корпуса Н к высоте стакана Н составляет от 1,10 до 1,30.
В качестве твердого топлива используются топливные брикеты каталитического горения 1 (см. фиг.2), 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 заявляемой жаровне, 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 и приготовления пищи. 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 жаровня работает следующим образом. При начальной растопке топливные брикеты каталитического горения 1 укладывают в стакане 2 (см. фиг.1). Для трех и более топливных брикетов (таблеток) брикеты обеими торцевыми поверхностями контактирует с соседними брикетами за исключением крайних торцевых брикетов, причем для приготовления и/или разогрева пищи достаточно использование одного топливного брикета (таблетки). Топливные брикеты воспламеняют с нижнего торца кладки топливных брикетов. От загоревшегося торца фронт беспламенного и бездымного горения постепенно двигается в сторону другого торца. Так, например, один топливный брикет диаметром 0,05 м и высотой 0,05 м сгорает за 2-3 часа, а жаровня для сжигания брикетов каталитического горения будет выделять удельную тепловую мощность в 0,20 кВт/час - 0,25 кВт/час. Прогоревший шлак с зольника 4 удаляют и можно повторить вышеуказанный процесс повторно. Кладку топливных брикетов можно воспламенять одновременно и с двух торцов, тогда два фронта горения будут двигаться навстречу друг другу. Причем, в этом случае удельная тепловая мощность может увеличится до 0,5 кВт/час.
Необходимо отметить, что отношение поверхности F к массе G кладки брикетов твердого топлива выбрано из соотношения
причем
где
2
f - удельная поверхность излучения укладки 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 жаровне для вертикальной кладки твердого топлива плотным слоем выбор параметров кладки топливных брикетов выполнен в зависимости от нового критерия, а именно от удельной поверхности излучения топливной загрузки «f», которая увязывает основные характеристики кладки топливных брикетов, такие как плотность и диаметр брикетов с учетом экспериментально определенных коэффициентов.
Время между периодами укладки брикетов твердого топлива в стакан заявляемой жаровни определяют из зависимости
пов.
глуб
τ=k·(n·N·h/V+R/V), где
h - толщина таблетки или длина цилиндра топливного брикета, мм;
R - радиус таблетки или цилиндра топливного брикета, мм;
N - количество топливных брикетов, шт.;
пов
V - скорость поверхностного горения топливных брикетов, мм/мин;
глуб
V - скорость глубинного горения топливных брикетов, мм/мин;
k - коэффициент, учитывающий особенности кладки топливных брикетов, конструктивные особенности жаровни и характеристики топливных брикетов (0,9≤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).
В заявляемой жаровне 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 вертикальной кладки топливных брикетов определяется двумя составляющими:
пов.
n·N·h/V - время поверхностного горения (окисления) кладки топливных брикетов;
глуб.
R/V - время глубинного горения, т.е. горения (окисления) от поверхности к центру топливного брикета.
Экспериментальным путем для вертикальной кладки вышеописанных топливных брикетов каталитического горения было установлено ниже следующее.
Скорость 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
0,09 мм/мин≤V≤0,011 мм/мин.
Использование предлагаемой жаровни для вертикальной кладки твердого топлива плотным слоем по сравнению с существующими устройствами позволяет обеспечить период между загрузками топлива от 3 до 6 часов, а также существенно снизить весовые и габаритные характеристики жаровни и твердого топлива, при уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.