УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ
COMBUSTION APPARATUS

Настоящее изобретение относится к устройству для сжигания для отопления помещений. Данное изобретение имеет конкретное, но не только, отношение к устройству для сжигания для использования с твердыми топливами, включая, помимо прочих, дрова, уголь и подобные горючие материалы.
Используемый в данном документе термин "твердое топливо" включает природные источники топлива, такие как дрова или уголь, и рециркулируемые источники топлива, такие как спрессованные блоки древесных опилок и каменноугольной пыли, а также другие виды замещающих материалов, такие как биотопливо, полученное из древесины.
В известных печах на твердом топливе горючий материал сжигается в топке, образуя источник тепла для нагревания окружающего пространства посредством излучения от корпуса печи, который обычно изготовлен из металла, такого как чугун или сталь. Металл быстро нагревается продуктами горения и является хорошим излучателем тепла. Однако металл также быстро охлаждается, когда твердое топливо не сжигается в печи. Поэтому нагревание в основном эффективно только тогда, когда топливо сжигается в печи.
Настоящее изобретение создано, исходя из вышеизложенного соображения.
Настоящее изобретение, предпочтительно, пытается уменьшить вышеупомянутые недостатки известных печей.
В соответствии с первым аспектом данного изобретения описано устройство для сжигания, выполненное в виде печи с топкой из обожженного огнеупорного материала для сжигания твердого топлива.
Предпочтительно обожженным огнеупорным материалом является обожженный огнеупорный карбидный материал. Карбидным материалом предпочтительно является карбид кремния, хотя могут быть использованы и другие карбидные материалы.
Предпочтительно, обожженный огнеупорный материал содержит, по меньшей мере, 40% вес. карбида кремния, более предпочтительно, по меньшей мере, 50% вес. карбида кремния и, наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 60% вес. карбида кремния. Обожженный огнеупорный материал может содержать до 90% вес. карбида кремния.
Было обнаружено, что использование карбида кремния обеспечивает ряд неожиданных преимуществ. Например, авторы обнаружили, что карбид кремния вызывает более эффективное и чистое горение.
Таким образом, авторы обнаружили, что карбид кремния позволяет достигать очень высоких температур горения, обычно порядка 900-1000°С, и оказывает каталитический эффект на горение твердого топлива, обычно проявляющийся, когда наружная температура корпуса достигает 150°С.
В результате твердое топливо по существу полностью сгорает при более высоких достижимых температурах, не оставляя нагара на стенках топки.
Кроме того, летучие элементы в продуктах горения могут быть израсходованы перед выпуском в атмосферу, не допуская выброса загрязняющих веществ.
В ходе испытаний было обнаружено, что можно обеспечить эффективность до 85,3% при выпуске карбида в атмосферу, составляющем 0,29%.
Также было обнаружено, что карбид кремния обеспечивает более эффективный отвод и рассеяние тепла.
Таким образом, авторы обнаружили, что карбид кремния имеет свойство поглощать тепло и выделять его медленно, так что тепло рассеивается более равномерно и в течение более длительного периода времени на большей площади, так что можно уменьшить локальный перегрев помещения, в котором установлена печь.
Обнаружено, что когда печь работает, наружная температура массы корпуса обычно составляет порядка 200°С по сравнению с традиционной стальной или чугунной печью, которая может иметь наружную температуру массы корпуса, равную 500-600°С.
Более эффективный отвод тепла обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что температура продуктов горения, выпущенных в атмосферу, может быть снижена, например до 80-100°С, по сравнению с традиционной стальной или чугунной печью.
Более медленное рассеяние тепла обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что печь может продолжать выделять тепло, даже когда процесс горения закончен, и может излучать тепло в течение более длительного периода времени, когда процесс горения закончен, по сравнению с традиционной стальной или чугунной печью.
В результате обнаружено, что данная печь способна выделять до 25% поглощенного тепла в течение семи часов после увеличения температуры, и меньшее выделение тепла может обеспечить поддержание температуры в хорошо изолированном здании спустя двенадцать часов.
Предпочтительно, продукты горения дополнительно сжигаются перед прохождением в дымоход для выпуска в атмосферу. Такое дополнительное сжигание может быть осуществлено посредством введения вторичного воздуха в топочную камеру.
В топочной камере может быть использована одна или более заслонок для направления потока вторичного воздуха для смешивания с горячими продуктами горения их вторичного сжигания.
Такое вторичное сжигание продуктов горения может дополнительно повысить эффективность посредством влияния на общую температуру массы корпуса печи и/или может уменьшить количество загрязняющих веществ, таких как летучие элементы и токсичные газы, содержащихся в продуктах горения, выпускаемых в атмосферу.
Предпочтительно, корпус печи нагревается под воздействием процесса горения и тепла, полученного от продуктов горения. Предпочтительно, по существу весь корпус печи изготовлен из обожженного огнеупорного материала, предпочтительно из того же материала, который использован для изготовления топки.
Предпочтительно, масса корпуса печи является источником тепла, излучаемого из поверхности печи. Масса корпуса печи может быть также источником конвекционного тепла в результате теплообмена с воздухом, перемещающимся над внешней поверхностью печи.
Внешняя поверхность печи может быть выполнена с возможностью увеличения теплообмена с воздухом. Например, поверхность может быть выполнена с возможностью увеличения площади, открытой для воздуха. В качестве альтернативы или дополнения, в корпусе может быть предусмотрен один или более проходных каналов для пропускания и нагревания воздуха.
Предпочтительно, масса корпуса печи является источником тепла для нагревания теплообменной текучей среды посредством системы каналов, приспособленной к теплообменному устройству, расположенному в части корпуса печи за пределами топочной камеры таким образом, чтобы не подвергать существенному влиянию эффективность горения. Например, теплообменное устройство может быть выполнено в виде "горячей камеры" из огнеупорного карбида, приспособленной к печи.
Таким образом, массу корпуса можно использовать для нагревания воздуха, чтобы обеспечить подачу теплого воздуха для отопления в помещении здания, в котором установлена печь, или в других частях здания.
В качестве альтернативы или дополнения, массу корпуса можно использовать для нагревания воды, чтобы обеспечить подачу горячей воды для мытья или отопления, например горячей воды, циркулирующей в системе горячего водоснабжения или центрального отопления.
Полученное таким образом тепло можно суммировать с общим тепловым выходом печи, чтобы повысить нагревательную эффективность печи.
В другом устройстве теплообменную текучую среду можно нагревать посредством теплообмена с продуктами горения, предпочтительно, в пределах массы корпуса печи.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описано устройство для сжигания твердого топлива, содержащее печь, включающую отклонение потока при помощи заслонок для смешивания воздуха с продуктами горения в топочной камере.
Отклонение потока при помощи заслонок может быть выполнено с возможностью направления потока воздуха для смешивания с продуктами горения по направлению к нижнему концу и/или верхнему концу топочной камеры.
Устройство может содержать любой из признаков вышеуказанного аспекта изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описано устройство для сжигания твердого топлива, содержащее печь, выполненную с возможностью обеспечения источника излучаемого тепла и источника тепла для нагревания теплообменной текучей среды.
Излучаемое тепло может обеспечиваться массой корпуса печи и теплообменной текучей средой, например воздухом и/или водой, которая может нагреваться в пределах массы корпуса.
Устройство может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описано устройство для сжигания твердого топлива, содержащее печь с топочной камерой, образованной, по меньшей мере частично, обожженным огнеупорным карбидным материалом.
Обожженным огнеупорным карбидным материалом, предпочтительно, является карбид кремния, содержащийся в количестве от 40% до 90% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 50% и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 60% вес.
Предпочтительно, топочная камера содержит одну или более стенок из обожженного огнеупорного карбидного материала. Стенки, предпочтительно, образуют топку.
Устройство может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описан способ увеличения выделения тепла из устройства для сжигания твердого топлива посредством использования обожженного огнеупорного карбидного материала.
Предпочтительно, обожженный огнеупорный карбидный материал включает карбид кремния.
Предпочтительно, обожженный огнеупорный карбидный материал включает, по меньшей мере, 40% вес. карбида кремния, более предпочтительно, по меньшей мере, 50% вес. карбида кремния, еще более предпочтительно, по меньшей мере, 60% вес. карбида кремния и может включать до 90% вес. карбида кремния.
Упомянутый способ может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описан способ увеличения выделения тепла из устройства для сжигания твердого топлива посредством отклонения потока при помощи заслонок для вторичного сжигания продуктов горения с воздухом в топочной камере.
Отклонение потока при помощи заслонок может быть выполнено с возможностью направления потока воздуха для смешивания с продуктами горения по направлению к нижнему концу и/или верхнему концу топочной камеры.
Упомянутый способ может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описан способ увеличения выделения тепла из устройства для сжигания твердого топлива посредством выполнения данного устройства в виде источника как излученного тепла, так и тепла для нагревания теплообменной текучей среды.
Излученное тепло может быть обеспечено массой корпуса печи и теплообменной текучей средой, например воздухом и/или водой, которая может нагреваться в пределах массы корпуса.
Упомянутый способ может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения описан способ сжигания твердого топлива, использующий устройство для сжигания с топочной камерой, выполненной, по меньшей мере частично, из обожженного огнеупорного карбидного материала.
Предпочтительно, обожженный огнеупорный карбидный материал образует, по меньшей мере, одну стенку или поверхность топочной камеры.
Упомянутый способ может содержать любой из признаков вышеуказанных аспектов изобретения.
Ниже более подробно описаны примерные варианты осуществления изобретения только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых или подобных элементов и в которых
фиг.1 представляет собой вид спереди устройства для сжигания, осуществляющего настоящее изобретение;
фиг.2 представляет собой вид сбоку устройства для сжигания, показанного на фиг.1;
фиг.3 представляет собой вид сверху устройства для сжигания, показанного на фиг.1;
фиг.4 представляет собой разрез в увеличенном масштабе, выполненный по линии А-А, показанной на фиг.1;
фиг.5 представляет собой разрез в увеличенном масштабе, выполненный по линии В-В, показанной на фиг.1;
фиг.6 представляет собой разрез в увеличенном масштабе, выполненный по линии С-С, показанной на фиг.1;
фиг.7 представляет собой вид в перспективе корпуса устройства для сжигания, показанного на фиг.1-6;
фиг.8 изображает деталь заслонки, показанной на фиг.4;
фиг.9 представляет собой разрез, выполненный по линии D-D, показанной на фиг.8;
фиг.10 представляет собой модификацию устройства для сжигания, показанного на фиг.1-9, для включения дополнительной заслонки;
фиг.11 представляет собой вид спереди дополнительной заслонки, показанной на фиг.10;
фиг.12 представляет собой вид в перспективе, показывающий модификацию корпуса, показанного на фиг.7;
фиг.13 представляет собой вид спереди корпуса, показанного на фиг.12; и
фиг.14 представляет собой вид сбоку корпуса, показанного на фиг.12.
Ссылаясь сначала на фиг.1-7, показано устройство для сжигания согласно изобретению в виде печи 1 для использования с твердым топливом, таким как дрова, уголь и др.
Печь 1 содержит свободно стоящий корпус 3, выполненный из блоков обожженного огнеупорного материала, расположенных секциями, одна на другой, которые названы основанием 5, нижней промежуточной секцией 7, верхней промежуточной секцией 9 и верхней секцией 11. Количество секций может изменяться в соответствии с конструкцией печи 1.
В данном варианте осуществления основание 5, верхняя промежуточная секция 9 и верхняя секция 11, каждая, выполнены в виде одного блока, хотя это необязательно, и одна или более данных секций могут быть выполнены в виде множества блоков. Нижняя промежуточная секция 7 содержит множество блоков, соединенных для создания топки 13, которая образует топочную камеру 15. Блоки включают задний блок 7а, пару боковых блоков 7b, 7c и нижний блок 7d.
Задний блок 7а образует заднюю стенку топки 13. Боковые блоки 7b, 7с образуют боковые стенки топки 13. Нижний блок 7d образует нижнюю стенку топки 13 и поддерживает колосниковую решетку (не показанную). Верхняя стенка топки 13 образована верхней промежуточной секцией 9.
Топка 13 закрыта дверцей 17, установленной в передней части печи 1. Дверцу 17 можно открывать, обеспечивая доступ в топку 13 для размещения твердого топлива на колосниковой решетке в топке 13. Дверца 17 обычно включает окошко 17а из жаропрочного стекла, которое позволяет наблюдать процесс горения в топке 13, не открывая дверцу 17.
В передней части печи 1 установлена также дверца 19, которую можно открывать и закрывать, чтобы обеспечить доступ в зольник 21, расположенный под топочной камерой 15.
Воздух для первичного горения впускается в топочную камеру 15 через отверстие 23 в нижнем блоке 7d верхней промежуточной секции 7, в котором установлена колосниковая решетка. Данное отверстие является прямоугольным, хотя это необязательно, и отверстие 23 может иметь другие формы. Колосниковая решетка поддерживает твердое топливо, размещенное в топочной камере 15, и позволяет золе, образующейся в результате процесса горения, падать в зольник 21.
Основной воздушный поток в топочную камеру 15 включает постоянный поток, обеспечиваемый впускным отверстием 25 для воздуха в задней стенке основания 5, и переменный поток, обеспечиваемый регулированием открытия дверцы 19. Для обеспечения переменного воздушного потока может быть предусмотрено любое другое средство.
Если дверца 19 закрыта, то впускное отверстие 25 обеспечивает минимальный воздушный поток. Может быть предусмотрено более одного впускного отверстия 25 для воздуха. В одной модификации (не показанной) впускное отверстие 25 для воздуха может отсутствовать.
Воздух для вторичного горения впускается в топочную камеру 15 через впускной канал 27 для воздуха, ведущий в щель 29, которая открывается в топочную камеру 15 над дверцей 17.
Вторичный поток воздуха предварительно нагревается, когда он проходит через канал 27 и щель 29, и при помощи заслонки 30, расположенной в верхней части топочной камеры 15, направляется вниз поперек (через) внутренней поверхности дверцы 17.
Вторичный поток воздуха вызывает вихревой поток и вторичное сжигание продуктов горения в топочной камере 15.
Можно регулировать открытие канала 27, изменяя поток воздуха для вторичного горения в топочную камеру 15 посредством приводимого в действие рукой элемента регулирования (не показанного). Впускной канал 27 для воздуха можно закрывать, предотвращая впуск воздуха для вторичного горения. Для обеспечения переменного воздушного потока может быть предусмотрено любое другое средство.
Заслонка 30 также предназначена для направления горячих продуктов горения, которые поднимаются в топочной камере 15, в выпускное отверстие 35 в верхней части топочной камеры 15.
Выпускное отверстие 35 ведет в проходной канал 37, который разделяется на два проточных канала 39, 41, которые продолжаются по обе стороны топочной камеры 15 в пределах корпуса 3 печи 1, перед воссоединением для выдачи продуктов горения в выпускное отверстие 43 в верхней части печи 1. Выпускное отверстие 43 соединено с дымоходом (не показанным) для выпуска продуктов горения в атмосферу.
Каждый проточный канал 39, 41 проходного канала 37 обычно является U-образным с первым ответвлением 47, которое принимает продукты горения из топочной камеры 15, и вторым ответвлением 49, которое выпускает продукты горения в выпускное отверстие 43.
Первое и второе ответвления 47, 49 расположены в корпусе 3 печи вертикально, причем первое ответвление 47 по направлению к передней части печи, а второе ответвление 49 по направлению к задней части печи 1. В данном варианте осуществления первое и второе ответвления 47, 49 имеют прямоугольное поперечное сечение, хотя это необязательно, и могут быть использованы другие поперечные сечения.
Проточные каналы 39, 41, предпочтительно, продолжаются по существу по всей высоте корпуса 3. Таким образом, тепло от продуктов горения передается по существу всему корпусу 3 печи 1. В результате температура продуктов горения значительно уменьшается, прежде чем они выпускаются в атмосферу.
Доступ к проходному каналу 37 для чистки обеспечивается отверстиями 51 в верхней секции 11, которые открываются в верхние концы ответвлений 47, 49 проточных каналов 39, 41, и отверстиями 53 в основании 5, которые открываются в нижние концы ответвлений 47, 49 проточных каналов 39, 41. Отверстия 51 закрываются удаляемыми заглушками 55, а отверстия 53 закрываются удаляемыми заглушками 57.
Доступ к зольнику 21 для просеивающего устройства (не показанного) обеспечивается отверстием 59 в основании 5 над дверцей 19. Отверстие 59 закрывается удаляемой заглушкой 61.
Секции 5, 7, 9, 11 корпуса 3 изготовлены из обожженного огнеупорного карбидного материала, который, предпочтительно, содержит карбид кремния в количестве, по меньшей мере, 40% вес., более предпочтительно, по меньшей мере, 50% вес., еще более предпочтительно, по меньшей мере, 60% вес., и может включать до 90% вес. карбида кремния.
Наличие карбида кремния улучшает горение твердого топлива в топочной камере 15 и перенос и удерживание тепла от горючих газов в корпусе 3 печи 1. В результате улучшается выделение тепла, и печь 1 может продолжать излучать тепло в течение длительного периода времени после сжигания твердого топлива.
На фиг.8 и 9 заслонка 30 показана более подробно.
Заслонка 30 содержит две пластины 31, 32, выполненные, как показано. Пластина 31 продолжается между двумя уголками 63а, 63b, и дополнительный уголок 65 продолжается вдоль передней кромки пластины 31. Пластина 31 расположена под углом вниз и продолжается ниже выпускного отверстия 35, так что горячие продукты горения направляются к выпускному отверстию 35.
Пластина 32 содержит первую часть 32а, которая продолжается горизонтально, и вторую часть 32b, которая расположена под наклоном вниз ниже щели 29, так что вторичный поток воздуха направляется по внутренней поверхности дверцы 17.
Пластины и уголки выполнены из стали или других материалов, способных выдерживать рабочие температуры печи.
Далее со ссылкой на фиг.10 и 11 показана модификация устройства для сжигания, показанного на фиг.1-7.
В данной модификации впускное отверстие 67 для воздуха расположено в заднем блоке 7а, который образует заднюю стенку топки 13, прямо над нижним блоком 7d в нижней части топочной камеры 15.
Заслонка 69, выполненная в виде прямоугольной пластины из жаропрочного материала, такого как сталь или вермикулит, расположена в топке 13 позади колосниковой решетки.
Заслонка 69 продолжается из нижнего блока 7d в верхнюю часть заднего блока 7а и продолжается между боковыми блоками 7b, 7с, образуя замкнутое пространство 71 в топке 13 в задней части топочной камеры 15.
Впускное отверстие 67 для воздуха открывается в пространство 71. У верхнего конца заслонка 69 содержит шесть круглых отверстий 73, одинаковых по размеру и форме.
Количество отверстий 73 можно изменять. Размеры отверстий 73 можно изменять. Отверстия 73 могут быть одинаковыми или разными. Расположение отверстий 73 можно изменять.
Воздух для дополнительного вторичного сжигания впускается в нижний конец пространства 71 через впускное отверстие 67 и предварительно нагревается, когда он перемещается в верхний конец, откуда он проходит в топочную камеру 15 через отверстия 73.
Воздушный поток из данных отверстий вызывает вихревой поток и вторичное сжигание продуктов горения, перемещающихся к выпускному отверстию 35 в верхней части топочной камеры 15 во время вторичного сжигания
Ссылаясь теперь на фиг.12-14, показана модификация корпуса 3 устройства для сжигания, показанного на фиг.7.
В данной модификации в боковой поверхности верхней промежуточной секции 9 предусмотрены отверстия 51 для доступа для чистки проходного канала 37, а верхняя секция 11 модифицирована для обеспечения теплообмена с теплообменной текучей средой.
Как показано, верхняя секция 11 на нижней стороне содержит выемку 75, которая образует с верхней промежуточной секцией 9 замкнутое пространство 77 в корпусе 3, отдельное от топочной камеры 15.
Теплообменная текучая среда может циркулировать через змеевик или подобное теплообменное устройство (не показанное), расположенное в пространстве 77 при помощи сети каналов (не показанных), соединенных с теплообменным устройством через отверстия 79 в верхней секции 11.
Змеевик, предпочтительно, находится в термическом контакте с корпусом 3, в результате чего текучая среда нагревается посредством передачи тепла от корпуса 3 через змеевик.
Теплообменной текучей средой может быть воздух, и образованный теплый воздух может использоваться для отопления в помещении, содержащем печь, и/или в другом помещении.
В качестве альтернативы теплообменной текучей средой может быть вода, и образуемая горячая вода может использоваться для мытья или отопления, например, горячая вода может циркулировать в системе горячего водоснабжения или центрального отопления.
Необходимо понимать, что данное изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления. Например, возможны другие варианты исполнения корпуса, включая как описанные модульные конструкции, использующие отдельные секции, так и монолитные конструкции, использующие одну секцию.
В вышеописанных вариантах осуществления воздух для первичного и вторичного сжигания всасывается из пространства (помещения), в котором расположена печь. В некоторых применениях может быть желательным всасывание воздуха снаружи. В данном случае для подачи воздуха, всасываемого в печь снаружи, можно использовать сеть каналов. Сеть каналов может подавать воздух в одно или более впускных отверстий. Может быть предусмотрено средство для регулирования прохождения воздуха в любое впускное отверстие.
Кроме того, признаки любого из вариантов осуществления могут использоваться по отдельности или в комбинации с признаками любого из других вариантов осуществления.