ДЫМОВАЯ ТРУБА
STACK

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при оборудовании бань стационарного и мобильного типов, а также для обогрева бытовых и производственных помещений.
Известны печи для бани, содержащие металлический корпус, топку, камеру с находящимися в ней камнями и дымовую трубу, установленную над камерой. При эксплуатации получают чистый пар, плеснув на камни горячую воду (Патент RU №2005263 C1, МПК: F24B 1/24, 07.03.1993).
Недостатком указанных печей является возможность попадания в парильню топочных газов и наличие в паре с относительной влажностью до 70% крупных капель доведенной до кипения воды. При этом невозможно получение перегретого пара с относительной влажностью менее 25%.
Известны способы получения перегретого пара из влажного пара высокого давления путем отделения жидкости от пара, дросселирования и перегрева за счет теплообмена с насыщенным паром и повышения тем самым экономичности (а.с. СССР 561048 A, МПК: F22G 1/10, 01.08.1977).
Недостатком способов является необходимость в дополнительном парогенераторе и трудность стабилизации температуры перегретого пара.
Известна печь для бани, содержащая металлический корпус с топкой, дымоходом и открытый контейнер с теплообменным крупнодисперсным материалом, при этом указанный открытый контейнер размещен в верхней части топки со стороны обогреваемого помещения, в топке помещена емкость повышенного давления с теплообменным крупнодисперсным материалом и установленным в ее верхней части влагораспределительным устройством, соединенным с баком для парообразующей жидкости посредством дозатора, в указанной емкости снизу вверх встроена дроссельная труба, проходящая через теплообменный крупнодисперсный материал и верхнюю часть топки в указанный открытый контейнер, обеспечивающая дополнительный перегрев образовавшегося в емкости повышенного давления перегретого пара в верхней части топки и за счет рекуперативного теплообмена с крупнодисперсным материалом (Патент РФ №2250417, МПК: F24B 1/00, 5/00).
Указанная печь работает следующим образом.
В топку металлического корпуса через дверцу закладывается топливо и разжигается. Остатки от сгораемого топлива просыпаются через колосниковую решетку в поддувало. Горячий газ, образовавшийся от сгорания топлива, поднимается вверх топки, нагревает теплообменный крупнодисперсный материал в емкости и контейнере, а также пар в верхней части дроссельной трубы. Затем горячий газ, поднимаясь вверх в сквозной дымовой трубе, обогревает бак с водой. Постепенно теплообменный крупнозернистый материал 7 разогревается до (350-450)°C, нагревая воздух в помещении до (60-100)°C.
Способ перегрева пара, реализуемый с помощью указанной печи, заключается в следующем.
Для получения перегретого пара парообразующая жидкость из бака через дроссельный канал с патрубком поступает во влагораспределительное устройство. Нагрев жидкости происходит при ее контакте с теплообменным крупнозернистым материалом. Образовавшийся насыщенный пар поднимается в верхнюю часть емкости и затем, по мере увеличения его объема, под собственным давлением просачивается через крупнодисперсный материал, еще больше нагревается свыше 100°C и поступает во входное отверстие дроссельной трубы в нижней части емкости. Далее перегретый пар нагревается на горизонтальном участке части дроссельной трубы в верхней части топки. Сдросселированный пар поступает в открытый контейнер и в процессе рекуперативного теплообмена с крупнодисперсным материалом перегревается свыше 110°C, осуществляя нагрев помещения.
Недостатком данной печи является необходимость в дополнительном влагораспределительном устройстве, и трудность стабилизации температуры перегретого пара.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание дымовой трубы для печи, конструкция которой позволит повысить теплоотдачу продуктов сгорания топлива и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива с возможностью получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью.
Решение указанной задачи достигается за счет того, что в предложенной дымовой трубе для печи, преимущественно для обогрева банных помещений, содержащей вертикально ориентированный корпус, предпочтительно выполненный из материала на основе сплава железа с углеродом, нижняя входная часть которой соединяется с источником горячих газов, предпочтительно, продуктов сгорания топлива в печи, верхняя выходная - с окружающей атмосферой, согласно изобретению, в нижней части корпуса трубы установлена обечайка с днищем, образующая с корпусом трубы преимущественно кольцевую емкость для парообразующей жидкости, преимущественно, воды, предпочтительно, с ароматизирующими добавками, и теплообменного материала, предпочтительно, камней, при этом верхняя выходная часть указанной емкости закрыта крышкой, преимущественно в виде усеченного конуса, причем между упомянутой крышкой и корпусом трубы выполнен зазор, предпочтительно, кольцевой, при этом над указанной емкостью, в непосредственной близости от нее, коаксиально с корпусом трубы, установлен цилиндрический кожух, преимущественно, цилиндрический, состоящий из, как минимум, двух обечаек, внутренней и наружной, установленных коаксиально с кольцевым радиальным зазором по отношению к корпусу трубы и друг к другу, причем кольцевые радиальные зазоры между корпусом трубы и внутренней обечайкой и между внутренней и наружной обечайками кожуха соединены с внутренней полостью кольцевой емкости для воды через упомянутый кольцевой зазор между крышкой и корпусом трубы, при этом кожух с торцов закрыт профилированными перфорированными днищами.
В варианте исполнения, верхнее профилированное днище кожуха выполнено с возможностью изменения его проходного сечения, что позволяет регулировать расход пара.
В варианте исполнения, в кольцевом зазоре между внутренней и наружной обечайками кожуха выполнена полость, преимущественно, для теплообменного материала.
вн
вн
тр
н
н
вн
тр
вн
н
тр
В варианте исполнения, внутренний диаметр d внутренней обечайки кожуха составляет d≈(1,1…1,5)D, а внутренний диаметр d наружной обечайки корпуса составляет d≈(1,1…2)d, при этом толщина s стенок трубы, внутренней и наружной обечаек корпуса составляет s≈(0,04…0,12)D, где: d - внутренний диаметр внутренней обечайки кожуха, d - внутренний диаметр наружной обечайки корпуса, D - внутренний диаметр трубы.
вн
тр
Нижний предел соотношения d≈(1,1…1,5)D выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении возрастает сопротивление тракта, образованного внутренней обечайкой и трубой, что приводит к снижению эффективности работы печи.
Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит снижение скорости пара, проходящего по указанному зазору, что приводит к ухудшению условий теплопередачи, и, соответственно, снижению эффективности работы печи.
н
вн
Нижний предел соотношения d≈(1,1…2)d выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении возрастает сопротивление тракта, образованного внутренней обечайкой и наружной обечайкой, что приводит к снижению эффективности работы печи.
Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит снижение скорости пара, проходящего по указанному зазору, что приводит к ухудшению условий теплопередачи, и, соответственно, снижению эффективности работы печи.
Кроме этого, дальнейшее его увеличение приводит к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.
тр
Нижний предел соотношения s≈(0,04…0,12)D выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит потеря устойчивости и формы конструктивных элементов печи, при увеличении выше указанного - возрастает тепловая инерционность конструкции, увеличивается время на прогрев и ухудшаются условия теплопередачи между металлическими частями, продуктами сгорания и паром.
ем
тр
тр
eм
тр
В варианте исполнения, внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости составляет d≈(1,8…3,0)D, предпочтительно 2 D, где: d - внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости, D - внутренний диаметр трубы.
ем
тр
Нижний предел соотношения d≈(1,8…3,0)D выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит практически мгновенное вскипание и испарение парообразующей жидкости, что ухудшает эксплуатационные показатели работы печи, а увеличение внутреннего диаметра емкости для парообразующей жидкости выше указанного предела ведет к увеличению времени подготовки печи к работе из-за необходимости прогрева достаточно большого объема воды и к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.
тр
тр
В варианте исполнения, нижнее днище кожуха установлено от крышки емкости с парообразующей жидкостью, предпочтительно, кольцевого зазора между крышкой и трубой, на расстоянии h≈(0,01…0,5)D, где: h - расстояние от крышки емкости до нижнего днища кожуха, D - внутренний диаметр трубы.
Нижний предел соотношения h≈(0,01…0,5) выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит увеличение сопротивления тракта и происходит перераспределение расхода пара, идущего в кольцевой зазор между стенкой трубы и внутренней обечайкой и в кольцевой зазор между внутренней и наружной обечайками. Увеличение кольцевого зазора выше указанного верхнего предела приводит к ухудшению условий парообразования в кольцевой емкости и ухудшению массово-габаритных характеристик печи.
тр
тр
В варианте исполнения, наружный диаметр кольцевого зазора между крышкой парообразующей емкости и трубой составляет не более 1,5 D, где: D - внутренний диаметр трубы.
Указанное значение выбрано исходя из того, что, при дальнейшем его увеличении происходит резкое ухудшение условий парообразования в кольцевой емкости.
В варианте исполнения, в верхней выходной части трубы установлена заслонка с возможностью изменения проходного сечения трубы, что позволит регулировать тягу, и, соответственно, изменять режимы процесса горения топлива в печи.
тр
тр
В варианте исполнения, длина кожуха составляет L≈(1…12)D, где: L - длина кожуха, D - внутренний диаметр трубы.
Нижний предел указанного соотношения выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении пар, подаваемый в кольцевые зазоры кожуха, не успеет прогреться в достаточной степени и отобрать тепло от уходящих продуктов сгорания, что приведет к ухудшению экономичности работы печи. Верхний предел указанного соотношения выбран, исходя из того, что при дальнейшем его увеличении интенсивность теплообмена между уходящими продуктами сгорания и паром, за счет уменьшения температуры продуктов сгорания, падает, и в помещение будет поступать недогретый пар или пар, уже отдавший полученное тепло, что приведет к ухудшению экономичности работы печи. Кроме этого, дальнейшее увеличение указанного предела ведет к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез дымовой трубы, на фиг.2 - днище кожуха, вид сверху, на фиг.3 - вид дымовой трубы в аксонометрии, с указанием распределения потоков пара и потока продуктов сгорания.
Дымовая труба для печи содержит вертикально ориентированный корпус 1. Нижняя входная часть 2 корпуса 1 соединяется с источником горячих газов, предпочтительно, продуктов сгорания топлива в печи, верхняя выходная 3-е окружающей атмосферой. В нижней части 2 корпуса 1 трубы установлена обечайка 4 с днищем, образующая с корпусом 1 трубы кольцевую емкость 5 для парообразующей жидкости, преимущественно, воды и теплообменного материала. Верхняя выходная часть емкости 5 закрыта крышкой 6, выполненной в виде усеченного конуса. Между крышкой 6 и корпусом 1 трубы выполнен кольцевой зазор 7. Над емкостью 5, в непосредственной близости от нее, коаксиально с корпусом 1 трубы, установлен цилиндрический кожух 8, состоящий из двух обечаек - внутренней 9 и наружной 10, установленных коаксиально с кольцевым радиальным зазором по отношению к корпусу трубы и друг к другу. Кольцевые радиальные зазоры 11 и 12 между корпусом трубы 1 и внутренней обечайкой 9 и между внутренней 9 и наружной 10 обечайками соответственно соединены с внутренней полостью кольцевой емкости 5 для воды через упомянутый кольцевой зазор 7 между крышкой 6 и корпусом трубы 1. Кожух 8 с торцов закрыт профилированными перфорированными днищами 13 и 14, причем днище 14 может быть выполнено с возможностью изменения его проходного сечения. В верхней части 3 корпуса 1 установлена с возможностью вращения заслонка 15. В полость кольцевой емкости 5 и в кольцевой зазор 12, между внутренней 9 и наружной обечайками 10, укладывают крупнодисперсный теплообменный материал 16.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Поток продуктов сгорания, полученный в топке печи, и имеющий высокую температуру, направляется в нижнюю входную часть 2 корпуса трубы 1 и за счет тяги поднимается вверх, к выходной части 3, разогревая при этом корпус 1 дымовой трубы. В полость емкости 5, образованной обечайкой 4 с днищем, с предварительно уложенным крупнодисперсным теплообменным материалом 16, заливается парообразующая жидкость, преимущественно вода.
За счет конвективного теплообмена между горячей стенкой нижней части 2 корпуса 1 и налитой в кольцевую емкость 5 водой, осуществляется разогрев воды до температуры парообразования и происходит образование пара с одновременным увлажнением воздуха, находящегося в зоне крышки 6. Образовавшаяся паровоздушная смесь, состоящая из пара и увлажненного воздуха, и имеющая теплоемкость выше, чем обычный воздух, поднимается вверх, к кольцевому зазору 7.
Пройдя кольцевой зазор 7, поток паровоздушной смеси разделяется на две части. Одна, первая, часть указанного потока через профилированное перфорированное днище 13 поступает в кольцевой зазор 11, между трубой 1 и внутренней обечайкой 9, другая, вторая часть, - в кольцевой зазор 12 между внутренней обечайкой 9 и наружной обечайкой 10, заполненный крупнодисперсным теплообменным материалом 16.
Первая часть потока, проходя по кольцевому зазору 11, отбирает тепло у горячей стенки корпуса 1 трубы, нагревается дальше при этом сама и поступает в обогреваемое помещение. Часть тепла при движении указанная часть потока отдает внутренней обечайке 9.
Вторая часть потока, проходя по кольцевому зазору 12, отдает тепло крупнодисперсному теплообменному материалу 16, разогревает его до требуемой температуры и также поступает в обогреваемое помещение.
Регулирование тяги печи осуществляется при помощи перекрытия/открытия проходного сечения дымовой трубы при помощи заслонки 15, установленной в верхней части 3 корпуса 1 с возможностью вращения.
Использование для процессов теплопередачи увлажненного воздуха, имеющего теплоемкость выше, чем обычный сухой воздух, позволит значительно улучшить условия теплопередачи между рабочим телом - полученной паровоздушной смесью - и рабочими органами печи - корпусом 1, внутренней 9 и наружной 10 обечайками при неизменном расходе топлива, что в конечном итоге, позволит повысить экономичность работы печи.
Проведенные автором и заявителем испытания полноразмерного образца печи с предложенной дымовой трубой подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.
Использование предложенного технического решения позволит создать дымовую трубы для печи, конструкция которой даст возможность повысить теплоотдачу продуктов сгорания топлива и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива с возможностью получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью.