Компактный пароперегреватель для банной печи

Устройство относится к области тепловой техники, а именно к устройствам получения пара и может быть использовано при оборудовании бани мобильного либо стационарного типа с целью получения мелкодисперсного, т.н. «сухого» перегретого пара и создания комфортной для дыхания банной атмосферы.
Известен пароперегреватель для бани (патент РФ на полезную модель №161772, опубл. 2015 г.), содержащий внутреннюю цилиндрическую оболочку и установленную соосно с ней наружную цилиндрическую оболочку большего диаметра, с выполненным в нижней ее части отверстием для поступления пара, а также спирально изогнутую ленту, жестко установленную в зазоре между оболочками с примыканием одной своей боковой кромкой к внутренней поверхности наружной оболочки, а второй боковой кромкой - к наружной поверхности внутренней оболочки. При этом нижние торцы оболочек соединены между собой с образованием дна пароперегревателя.
Недостатком данного технического решения следует признать тот факт, что тепло передается паровоздушной смеси только от внутренней оболочки, которая в данном случае является стенкой дымохода. При этом наружная цилиндрическая оболочка является корпусом пароперегревателя и контактирует с заборным воздухом. Вследствие чего, напротив - охлаждает паровоздушную смесь.
Известен пароперегреватель для бани (патент РФ № 188335, опубл. 2019 г.), содержащий внутреннюю цилиндрическую оболочку и наружную цилиндрическую оболочку большего диаметра, внутренняя цилиндрическая оболочка выполнена с возможностью установки на печь в качестве стартового элемента дымохода, при этом наружная цилиндрическая оболочка установлена соосно с внутренней цилиндрической оболочкой с образованием в нижней ее части полости закипания, выполненной с отсечными гильзами для исключения смешивания пара с водой и с патрубком для заполнения водой, а в верхней ее части – с выходным патрубком и расположенными под ним камерами перегрева, разделенными параллельными отсечными пластинами, установленными без зазора между внутренней и наружной цилиндрическими оболочками, каждая из отсечных пластин выполнена с отверстием для прохода пара в камеру перегрева, расположенную выше, при этом отсечные пластины установлены так, что отверстия соседних пластин расположены диаметрально противоположно. Отсечные пластины выполнены кольцевыми. Полость закипания выполнена с объемом, составляющим 1/3 или 1/2 часть объема пароперегревателя.
Данное техническое решение так же является теплообменником, где паровоздушная смесь движется в кольцевой полости между горячей стенкой дымохода и условно холодной внешней стенкой корпуса. Следовательно, паровоздушная смесь будет частично охлаждаться, путем оттока тепла через внешнюю стенку корпуса. При этом рассматриваемую конструкцию по патенту РФ № 188335 следует признать конструктивно сложной для серийного производства.
Наиболее близким из известных технических решений (прототипом) является устройство для получения перегретого пара в банных печах (см. патент РФ № 2691080, опубл.2019 г.), содержащее установленную на дымовом отверстии банной печи емкость и соединенный с ней пароперегреватель, пароперегреватель расположен внутри дымохода, образованного внутренними стенками емкости для воды, и выполнен в виде трубопровода, оконечная часть которого выведена в топочное пространство печи и содержит выходное сопло, выходящее в отверстие в верхней стенке корпуса печи.  Между пароперегревателем и выходным соплом пароперегревателя установлена дополнительная секция, расположенная в топочном пространстве печи.
Недостатком этого устройства является объединение парогенератора и пароперегревателя в одном корпусе. Каждая из этих двух ступеней перегенерации требует интенсивного притока тепла. Если два потребителя тепла конструктивно размещены на одном локальном участке дымохода, то каждый из них по-отдельности не будет получать его в должном количестве. На этом участке стенка дымохода будет выхолаживаться, так как испарение, это эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода. То есть теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Следовательно, температура газопламенного потока так же будет терять часть тепловой энергии на этом участке дымохода, и трубка пароперегревателя, помещенная внутри него, не будет прогреваться до максимально возможных значений. Другим конструктивным недостатком следует признать решение поместить трубку пароперегревателя внутри стандартного сечения дымохода. Что объективно приводит не только к уменьшению физических размеров проходного сечения, но и создает повышение местного гидравлического сопротивления движению газопламенного потока. Что, в свою очередь, неизбежно приведет к турбулизации потока, снижению его линейной скорости, образованию локальных зон застоя и к отложению сажи на этом участке и, в итоге, к устойчивой потере дымовой тяги.
Предлагаемая конструкция компактного пароперегревателя для банной печи решает задачу создания устройства малого веса и транспортных габаритов, при этом обладающего свойствами высокой надежности, технологичности и тепловой эффективности. А генерируемый в итоге водяной пар должен быть мелкодисперсным, так называемым «сухим» (легким), комфортным для пользователя.
Техническим результатом является тепловая эффективность пароперегревателя для обеспечения пользователя мелкодисперным «сухим» паром.
При этом процесс парообразования и пароперегревания разбивается на две последовательные ступени. Где первая ступень перегенерации находится внутри корпуса печи, а компактный пароперегреватель является отдельным конструктивным узлом, и исполняет роль второй ступени, являясь пароперегревателем. То есть дополнительным теплотехническим устройством, догревающим водяной пар до требуемых кондиций. Такое деление на отдельные конструктивные и функциональные модули позволяет обеспечить функцию компактности в целом при транспортировке банной печи. Так как габариты компактного пароперегревателя, благодаря его конструктивному устройству, могут быть подобраны так, что во время транспортировки он помещается в полость первой ступени парогенератора. Это приводит к оптимизации транспортных габаритов, при сохранении тепловой эффективности изделия «печь для бани».
Технический результат достигается тем, что компактный пароперегреватель для банной печи содержит корпус с входным и выходным патрубками дымохода, расположенный внутри корпуса теплообменник, в нижней части корпуса пароперегревателя расположена полость коллектора для влажного пара, соединённая через паропровод с теплообменником, теплообменник выполнен в виде трубки с развитой внешней поверхностью теплообмена. Теплообменник может быть выполнен гофрированным.
Сущность заявленного технического решения поясняется рисунками, где на фиг. 1-схематично показано в разрезе внутреннее устройство пароперегревателя, на фиг. 2–пример схемы подключения пароперегревателя к печи.
Компактный пароперегреватель для банной печи представляет собой корпус 1, внизу которого имеется кольцевой канал 2 для подключения к печи 10. При этом патрубок дымохода 11 печи 10 стыкуется через разъемное соединение с патрубком дымохода 7 пароперегревателя, а кольцевой канал 2 пароперегревателя при этом стыкуется с кольцевым каналом паропровода 12 печи 10. Кольцевой канал 2 в своей верхней части уширяется и конструктивно объединен с коллектором 3. В свою очередь коллектор 3 имеет отверстие в одной из своих сторон, через которое он подключается к трубке-паропроводу 4. Паропровод 4 в своей средней части имеет развитую внешнюю поверхность (например, гофрирование) и является теплообменником 5. Далее теплообменник 5 сообщается с внешней атмосферой посредством сопла 6.
Предлагаемое устройство работает, например, следующим образом.
В топке 13 печи 10 в процессе сгорания топлива, образуются пламя и дымовые газы, которые нагревают воду внутри бака-парогенератора 14. Вода закипает, и влажный сырой пар, под некоторым избыточным давлением выдавливается в кольцевой канал 12. Избыточное давление в баке создается благодаря тому, что крышка заливной горловины 15 закрыта и зафиксирована. Кольцевой канал 12 печи 10 плотно сопрягается с кольцевым каналом 2 пароперегревателя. Поэтому влажный пар устремляется сначала в коллектор 3, а затем, через отверстие в его боковой стенке попадает трубку паропровода 4. Далее влажный пар поступает в полость теплообменника 5, который представляет собой трубку с развитой внешней поверхностью. Это может быть гофрирование, либо оребрение, либо любой другой вариант увеличения внешней поверхности этого участка для повышения интенсивности теплообмена. При этом снаружи теплообменник 5 внутри полости 8 со всех сторон омывается горячим газопламенным потоком, который поступает из патрубка 11 печи 10 в патрубок 7 пароперегревателя. После этого газопламенный поток, отдав часть своей тепловой энергии на перегрев пара внутри теплообменника 5, устремляется в дымоход через патрубок 9 пароперегревателя. Влажный пар, благодаря вышеописанному процессу активно досушивается внутри теплообменника 5 и выходит наружу в помещение парилки через сопло 6.