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 малогабаритных бань, а также к способу нагрева банной печи.
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°C.
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 известен нагреватель (патент ЕР 0908681, МПК F24B 1/188, опубликован 14.04.1999), содержащий корпус, топку, расположенную внутри корпуса, воздушник, установленный внутри корпуса, колосниковую решетку, дымоход, пламегаситель, установленный под выходом дымохода, и портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса.
Недостатками известного устройства являются недостаточная эффективность работы, а также невозможность замены пламегасителя через дверцу без демонтажа.
Из уровня техники известна банная печь (патент RU 119073, МПК F24B 1/24, опубликован 10.08.2012), содержащая корпус, портал, установленный с фронтальной стороны корпуса, топку, расположенную в корпусе, металлическое ложе для камней, размещенное над топкой, колосниковую решетку и дымовую трубу. Основание металлического ложа для камней имеет форму трапеции. Под дымовой трубой установлен пламегаситель, обеспечивающий движение топочных газов вдоль металлического ложа для камней. Портал соединен с корпусом посредством переходника-удлинителя (предтопочный тоннель). Известный способ нагрева банной печи, являющийся наиболее близким к заявленному способу, заключается 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 известного устройства являются сложная конструкция, а также невозможность замены пламегасителя без демонтажа банной печи. 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.
Наиболее близкой к заявляемому устройству является банная печь, известная из патента РФ на полезную модель №150387 (МПК F24B 1/24, опубликован 20.02.2014), содержащая корпус, состоящий из двух боковых, лицевой и тыльной 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, металлическое ложе для камней, прикрепленное сверху на гранях стенок корпуса над топкой, стартовую трубу, выполненную с возможностью прикрепления к дымоходу и вывода дыма из топки и 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, и портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса. Металлическое ложе для камней имеет круглое отверстие для прикрепления стартовой трубы и выполнено в виде трех секций, каждая из которых имеет форму полой, открытой сверху перевернутой усеченной пирамиды с прямоугольным основанием, секции металлического ложа соединены длинными верхними краями.
Недостатком известного устройства является невозможность замены пламегасителя через дверцу без демонтажа банной печи.
Техническим результатом, достигающимся при помощи устройства по изобретению, является повышение коэффициента полезного действия 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, лицевой и тыльной 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, металлическое ложе для камней, прикрепленное сверху на гранях стенок корпуса над топкой, стартовую трубу, выполненную с возможностью прикрепления к дымоходу и вывода дыма из топки и 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, портал с дверцей, установленный с фронтальной стороны корпуса, в нижней части дверцы расположена регулируемая задвижка для подачи воздуха в топку, причем металлическое ложе для камней имеет круглое отверстие для прикрепления стартовой трубы и выполнено в виде двух секций, каждая из которых имеет форму полой, открытой сверху перевернутой усеченной пирамиды с прямоугольным основанием, секции металлического ложа соединены длинными верхними краями, при этом пламегаситель выполнен составным из двух частей в виде плоских пластин для возможности его замены через дверцу без демонтажа самой банной печи, верхние стороны каждой из частей пламегасителя выполнены с плоской поверхностью, нижние стороны - с продольными и поперечными ребрами жесткости, а соединение между двумя частями пламегасителя выполнено ступенчатым, две боковые и тыльная стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра. При этом металлическое ложе для камней может быть выполнено чугунным, и в этом случае имеет толщину от 20 до 30 мм и массу от 17 до 67 кг. Портал может быть соединен с лицевой стенкой корпуса через удлинитель портала или через, по меньшей мере, два удлинителя портала. Две части пламегасителя могут быть выполнены чугунными. Дверца может быть выполнена чугунной или чугунной со вставкой из огнеупорного стекла. К дверце могут быть прикреплены рукоятка и защелка-крючок. С внешней стороны вокруг стенок корпуса может быть расположен защитный кожух в виде сетки из кованой стали.
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,
- каждая из секций металлического ложа имеет форму усеченной пирамиды с нижним прямоугольным основанием, выполненным меньше верхнего основания (т.е. форму «перевернутой» усеченной пирамиды), при этом секции металлического ложа соединены длинными верхними краями, выполненная таким образом форма каждой секции обеспечивает большую полезную площадь контакта топочных газов со стенками металлического ложа для камней и, соответственно, повышенную теплоотдачу в тепловой аккумулятор и повышение коэффициента полезного действия банной печи,
- пламегаситель, установленный под дымовой трубой, обеспечивает движение топочных газов вдоль стенок металлического ложа для камней, дополнительно обогревая их и обеспечивая повышение коэффициента полезного действия банной печи,
- две боковые и тыльная стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра, обеспечивая повышенную теплоотдачу стенок корпуса и, соответственно, повышение коэффициента полезного действия банной печи,
- для удобства и упрощения загрузки камней в металлическое ложе его выполняют из двух секций,
- для удобства и упрощения эксплуатации и обслуживания банной печи пламегаситель выполнен из двух частей для возможности его замены через топочную дверцу банной печи и для чистки труб без демонтажа самой 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 - стенка боковая, 5 - металлическое ложе для камней, 11 - удлинитель портала, 12 - портал, 16 - дверка.
На фиг. 2 показана взрыв-схема банной печи, где: 1 - основание с ножками, 2 - стенка боковая, 3 - стенка лицевая, 4 - стенка тыльная, 5 - металлическое ложе для камней, 6 - рамка колосниковая, 7 - решетка колосниковая, 8 - воздушник, 9 - первая часть пламегасителя, 10 - труба стартовая, 11 - удлинитель портала, 12 - портал, 13 - прижимная рамка, 14 - стекло огнеупорное, 15 - задвижка, 16 - дверка, 17 - рукоятка, 18 - защелка-крючок, 19 - вторая часть пламегасителя.
На фиг. 3 показана банная печь (в разрезе), где: 1 - основание с ножками, 3 - стенка лицевая, 4 - стенка тыльная, 5 - металлическое ложе для камней, 6 - рамка колосниковая, 7 - решетка колосниковая, 8 - воздушник, 9 - первая часть пламегасителя, 10 - труба стартовая, 11 - удлинитель портала, 12 - портал, 14 - стекло огнеупорное, 15 - задвижка, 16 - дверка, 19 - вторая часть пламегасителя.
На фиг. 4 показана банная печь (вид сверху), где: 2 - стенка боковая, 4 - стенка тыльная, 5 - металлическое ложе для камней, 10 - труба стартовая, 11 - удлинитель портала, 16 - дверка, 18 - защелка-крючок.
На фиг. 5 показана банная печь (вид спереди), где: 1 - основание с ножками, 2 - стенка боковая, 3 - стенка лицевая, 5 - металлическое ложе для камней, 10 - труба стартовая, 12 - портал, 14 - стекло огнеупорное, 15 - задвижка, 16 - дверка, 18 - защелка-крючок.
Банная печь относится к нагревательным устройствам конвекционного типа и работает на твердом топливе - дровах. Конструкция банной печи рассчитана на установку в парной с выходом топки в смежное помещение.
Банная печь содержит корпус, состоящий из двух боковых 2, лицевой 3 и тыльной 4 вертикальных стенок и горизонтального основания 1 с ножками, топку, воздушник 8, колосниковую решетку 7, установленную на колосниковой рамке 6, металлическое ложе 5 для камней, стартовую трубу 10, пламегаситель, портал 12 с дверцей 16. Топка, колосниковая рамка 6, колосниковая решетка 7, воздушник 8 и пламегаситель устанавливаются внутри корпуса банной печи.
Две боковые 2 и тыльная 4 стенки корпуса имеют на наружной поверхности конвекционные ребра.
Колосниковая решетка 7 расположена в топке горизонтально с возможностью помещения на нее твердого топлива. Под колосниковой решеткой 7 образована зольная камера.
Металлическое ложе 5 для камней («каменка») прикреплено сверху над топкой, опираясь пазом, расположенным с внутренней стороны на гранях стенок корпуса банной печи. Металлическое ложе 5 для камней является самой массивной деталью банной печи и выполняет основную функцию по парообразованию. Металлическое ложе 5 для камней выполнено в виде двух секций, занимающих всю площадь верхней поверхности металлического ложа 5. Каждая из секций имеет форму полой, открытой сверху перевернутой усеченной пирамиды с прямоугольным основанием. Секции металлического ложа соединены длинными верхними краями. Металлическое ложе 5 для камней имеет круглое отверстие для прикрепления стартовой трубы 10. Металлическое ложе 5 для камней может быть выполнено чугунным. В этом случае толщина металлического ложа 5 для камней может быть от 20 до 30 мм, и металлическое ложе 5 для камней может иметь массу от 17 до 67 кг.
Сверху над металлическим ложем 5 установлена стартовая труба 10, выполненная с возможностью прикрепления к дымоходу и вывода дыма из топки. Стартовая труба 10 проходит сквозь металлическое ложе 5 для камней.
Пламегаситель установлен под выходом стартовой трубы 10 и выполнен с возможностью перекрытия выхода топочных газов и обеспечения их движения вдоль металлического ложа 5 для камней - для организации более длинного пути пламени, заставляя сначала огонь двигаться к тыльной стенке 4 корпуса, а далее при движении к выходу в дымоход нагревать металлическое ложе 5. Пламегаситель является расходным элементом и в связи с этим выполнен составным из двух частей 9 и 19 в виде плоских пластин для возможности его замены через дверцу 16 без демонтажа самой банной печи. Выполнение из пламегасителя из двух деталей позволяет снять его по частям и поставить обратно через топочную дверцу 16. Верхние стороны частей 9, 19 пламегасителя выполнены с плоской гладкой поверхностью, а нижние стороны частей 9, 19 пламегасителя - с продольными и поперечными ребрами жесткости. Также с нижних сторон частей пламегасителя нанесена маркировка модели банной печи, обозначающая применимость детали, и маркировка, указывающая порядок детали и направление к топочной дверце 16 для правильной установки детали. Соединение между двумя частями 9, 19 пламегасителя выполнено ступенчатым. На углах первой части пламегасителя 9 имеются пазы, позволяющие установить данную часть вплотную к передней стенке 3 корпуса. Вторая часть пламегасителя 19 устанавливается внахлест на выступ первой части пламегасителя 9, а поперечным ребром жесткости на U-образные выступы боковых стенок 2. Части 9, 19 пламегасителя могут быть выполнены чугунными.
Портал 12 установлен с фронтальной стороны корпуса. В нижней части портала 12 установлена горизонтальная перемычка на одном уровне с колосниковой решеткой 7. Портал 12 может быть соединен с лицевой стенкой 3 корпуса через один удлинитель портала 11 или через, по меньшей мере, два удлинителя портала 11. Удлинитель 11 внутри разделяется горизонтальной пластиной, находящейся на одном уровне с колосниковой решеткой 7, с образованием верхней полости (соединяющейся с топкой) и нижней полости (соединяющейся с зольной камерой). В случае использования нескольких удлинителей портала 11 они образовывают наборный топочный тоннель.
Дверца 16, прикрепленная к порталу 12 через прижимную рамку 13, может быть выполнена полностью чугунной или со вставкой из огнеупорного стекла 14. К дверце 16 могут быть прикреплены рукоятка 17 и защелка-крючок 18. В нижней части дверцы 16 расположена регулируемая задвижка 15 для подачи воздуха в топку. Все металлические детали банной печи выполнены из чугуна, за исключением метизов.
С внешней стороны вокруг стенок корпуса 2, 3, 4 может быть расположен защитный кожух в виде сетки из кованной стали для последующей засыпки камнями. В этом случае камни следует закладывать в один слой между корпусом банной печи и сеткой. Камни должны быть крупной фракции для возможности циркуляции воздуха между ними.
Банная печь работает следующим образом.
В металлическое ложе 5 закладывают камни, специально для этого предназначенные. В частности, могут использоваться камни из жадеита, габбро-диабаза, малинового кварцита, перидотита, талькохлорита. Также камни закладывают в защитный кожух (сетку), если он используется.
Через дверцу 16 в топку на колосниковую решетку 7 укладывают твердое топливо - дрова и поджигают. Продукты горения топлива направляются к тыльной стенке 4 корпуса. Выход для пламени вверх перекрыт двумя частями пламегасителя 9, 19. Двигаясь от тыльной стенки 4 корпуса к выходу в дымоход через стартовую трубу 10, пламя взаимодействует с металлическим ложем для камней 5, проходя под дном секций и между ними, обогревая каждую секцию с 5-ти сторон.
Поток воздуха, поступающий в топку через открытую задвижку 15, 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 для очистки огнеупорного стекла 14, поступающий через щель между горизонтальной перемычкой портала 12 и прижимной рамкой 13, двигается по плоскости стекла 14, 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. Конвекционные ребра, расположенные на боковых 2 и тыльной 4 стенках на наружной поверхности корпуса, обеспечивают большую площадь излучающей поверхности, позволяя эффективнее снимать тепло с печи и нагревать воздух в парной.
Металлическое ложе для камней 5 нагревается огнем напрямую и благодаря обогреву пламенем с пяти сторон и увеличенной площади соприкосновения с пламенем за счет боковых стенок секций, эффективно нагревается. Секции позволяют дополнительно увеличить площадь соприкосновения металла с огнем. Металлическое ложе для камней 5 предназначено для получения качественного пара. Для качественного пара нужна температура поверхности для испарения не менее 400°C. Металлическое ложе для камней 5 является основным испарителем и для этого имеет значительную массу (17-67 кг) за счет толщины металла (20-30 мм). Большие масса и толщина металлического ложа используются для обеспечения повышенной теплоемкости, чтобы при попадании воды металлическое ложе не теряло температуру и продолжало испарять воду в качественный пар. При этом можно одновременно и топить банную печь, и получать пар. Камни играют второстепенную роль - они разбивают воду на потоки, позволяют удерживать брызги воды, которые попали на раскаленное металлическое ложе. Камни также нагреваются и дают пар, но при попадании воды поверхность камней быстро остывает, и вода проливается вниз, на дно металлического ложа, но там она испаряется уже с самой поверхности металлического ложа.
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 двумя трапецеидальными выступами секций.
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 банной печи за счет особой формы и массогабаритных показателей металлического ложа для камней, за счет использования пламегасителя, обеспечивающего движение топочных газов вдоль стенок металлического ложа для камней, а также за счет конвекционных ребер на боковых и тыльной стенках корпуса банной печи,
- упрощение эксплуатации и обслуживания банной печи за счет выполнения металлического ложа для камней в виде двух секций, а также за счет выполнения пламегасителя из двух частей для возможности его замены и для чистки труб без демонтажа самой печи,
- получение мелкодисперсного бархатного пара,
- возможность постоянного действия банной печи.
Заявителем изготовлены опытные образцы банной печи» в трех модификациях: модели ПБ-04, ПБ-03, ПБ-02. Банные печи имеют абсолютно идентичную конструкцию и состав деталей. Печи рассчитаны на парные разных объемов и имеют разную тепловую мощность. Разные показатели тепловой мощности достигаются пропорциональным изменением габаритов и массы печей. Например, длина и ширина металлического ложа для камней модели ПБ-04 составляет 400x346 мм, для ПБ-03 -500×360 мм, ПБ-02 - 552×399 мм. Опытные образцы банной печи полностью подтвердили заявленные преимущества, в связи с чем изобретение может быть с успехом применено при промышленном производстве печей для бань.