ОТОПИТЕЛЬНО-ВАРОЧНОЕ УСТРОЙСТВО С ВЕРТИКАЛЬНОЙ КЛАДКОЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ПЛОТНЫМ СЛОЕМ
HEATING-AND-COOKING DEVICE WITH VERTICAL LAYING OF DENSE LAYER OF SOLID FUEL

Изобретение относится к области сжигания твердого топлива, преимущественно твердотопливных брикетов на основе углеродосодержащих материалов, и может быть использовано для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева 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 изобретение может найти при отоплении жилых помещений, включая дачные домики, хозблоки, железнодорожные вагоны, бытовки и палатки для 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 приготовления пищи в жилых помещениях, не оборудованных специальной принудительной вентиляцией для удаления продуктов неполного 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 заявляемому отопительно-варочному устройству 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 необходимость иметь колосниковую решетку площадью более 2,25 м, для того чтобы продолжительность между загрузками свежего топлива, например угля, составляла от 3 до 5 часов. Кроме того, при реализации известного технического решения происходит процесс образования продуктов неполного сгорания твердого топлива. Главным же недостатком известного технического решения является недостаточная продолжительность времени сгорания топливной загрузки, необходимой для непрерывного сна человека (не менее 8 часов).
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для экологически чистого сжигания твердого топлива (без использования дымохода), применяемого как для обогрева помещений, в том числе жилых и спальных помещений, так и для приготовления и/или разогрева пищи без ухудшения ее органолептических свойств.
В результате решения данной задачи при реализации устройства могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в увеличении времени между загрузками твердого топлива (не менее 8 часов) при одновременном снижении весовых и габаритных характеристик устройства для сжигания твердого топлива, а также в уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.
ВН
ВП
Данные технические результаты достигаются тем, что отопительно-варочное устройство с вертикальной кладкой твердого топлива плотным слоем содержит колосниковую решетку, которая снабжена боковой стенкой и выполнена в виде стакана с возможностью укладки в нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных оси стакана в количестве от 3 до 7 штук, причем высота стакана Н выбрана от 3d до 14d, где d - диаметр брикета твердого топлива, м, а отношение высоты Н стакана к его внутреннему диаметру D или к вписанному диаметру D составляет от 0,857 до 6,482.
ВН
ВП
2
2
2
2
2
Отличительная особенность заявляемого отопительно-варочного устройства состоит в том, что колосниковая решетка снабжена боковой стенкой и выполнена в виде стакана с возможностью укладки в нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных оси стакана в количестве от 3 до 7 штук, причем высота стакана Н выбрана от 3d до 14d, где d - диаметр брикета твердого топлива, м, а отношение высоты Н стакана к его внутреннему диаметру D или к вписанному диаметру D составляет от 0,857 до 6,482. В результате время между загрузками твердого топлива может быть увеличено до 7,5-11 часов при удельной тепловой производительности отопительного устройства 1,5-2 кВт/час (высота составных стержней 5 см × 10 шт. = 50 см, а площадь колосниковой решетки от 3,14×(2,16×5)/4=91,56 см до (2×5)×(2×5)=100 см, при d=5 см), что позволяет человеку выспаться в тепле и приготовить и/или подогреть себе пищу, не боясь отравиться во время сна отходящими газами, образующимися при сгорании твердого топлива. Причем экспериментально было установлено, что вышеописанная кладка топливных брикетов каталитического горения, имеющих форму цилиндров, вертикальным плотным слоем в виде трех и более вертикальных составных стержней, контактирующих между собой боковыми поверхностями, обеспечила время непрерывного обогрева помещения с удельной тепловой производительностью от 3,0 кВт/час до 3,5 кВт/час в течение 7,5-11 часов (высота составных стержней 5 см х 13 шт. = 65 см, а площадь колосниковой решетки 3,14×(3,0×5)/4=176,63 см, при d=5 см) с выделением отходящих газов в соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.
Минимальное количество составных стержней, равное 3 шт. и минимальное значение высоты стакана, равное 3d, определенные экспериментальным путем, обеспечивают необходимые время и мощность жаровни для приготовления пищи, например, от 1 часа до 2 часов при тепловой мощности жаровни от 1 кВт до 2 кВт. Максимальное количество составных стержней, равное 7 шт. и максимальное значение высоты стакана, равное 14d, определенные экспериментальным путем, обеспечивают приготовление пищи, а также протапливание холодного помещения и непрерывное отопление, например, палатки и/или бытовки в зимнее время года не менее 8 часов, необходимых для обеспечения нормального сна человека.
ВН
ВП
ВН
ВП
ВН
ВП
Отношение высоты стакана Н к его внутреннему диаметру D (для цилиндрической формы стенки стакана) или вписанному диаметру D (в случае выполнения стенки стакана квадратной или многогранной формы) характеризует габаритные размеры стакана, обеспечивающие вышеуказанную укладку топливных брикетов внутри стакана. Минимальное значение Н/D или Н/D, равное 0,857, соответствует укладки 3 составных стержней с высотой, равной 3d, в стакан, что позволяет обеспечить необходимые время и мощность жаровни для приготовления пищи, а максимальное значение Н/D или Н/D, равное 6,482, соответствует укладки 7 составных стержней с высотой, равной 14d, в стакан, что позволяет обеспечить протапливание холодного помещения и непрерывное отопление, например, палатки и/или бытовки в зимнее время года не менее 8 часов. Кроме того, превышение вышеуказанных максимальных границ диапазонов приведет к избыточному расходу конструкционных материалов и удорожанию жаровни, что не допустимо, а также к избыточному расходу топливных брикетов при приготовлении пищи и, соответственно, к сокращению времени непрерывного горения кладки топливных брикетов.
Необходимо также отметить, что невыполнение хотя бы одного из
вышеперечисленных условий, может привести к прекращению горения или к пламенному горению твердого топлива с выделением недопустимого количества отходящих газов. Таким образом, из вышеприведенного следует, что новые технические результаты могут быть получены только при реализации всех существенных признаков, характеризующих заявляемое отопительно-варочное устройство. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Кроме того, анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемым изобретением по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимый пункт формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
СТ
2
2
2
2
Целесообразно площадь днища стакана S выбрать от 3,66d м до 9,62d м.
Целесообразно, чтобы отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе G кладки брикетов твердого топлива было выбрано из соотношения
причем
2
где 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, чтобы диаметр d цилиндра топливного брикета был выбран от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ цилиндра к его диаметру d составляло от 0,4 до 2,0.
Кроме того, целесообразно стакан установить внутри защитного корпуса, снабженного перфорированной крышкой и зольником.
Целесообразно, чтобы защитный корпус содержал, по крайней мере, одну стенку, выполненную из металлической сетки или чтобы стенка защитного корпуса была выполнена цилиндрической и изготовлена из металлической сетки.
Целесообразно также стакан выполнить из металлической сетки, а в стакане, по крайней мере, поперечный размер Δ ячеек сетки выполнить меньше диаметра d брикета твердого топлива.
Перечень чертежей
На фиг.1 изображен общий вид отопительно-варочного устройства с вертикальной кладкой твердого топлива плотным слоем, на фиг.2 изображен цилиндрический защитный корпус отопительно-варочного устройства, на фиг.3 изображено отопительно-варочное устройство в разобранном состоянии.
Осуществление изобретения
ВН
ВП
ВН
ВП
2
2
Отопительно-варочное устройство с вертикальной кладкой твердого топлива 1 плотным слоем содержит колосниковую решетку, снабженную боковой вертикальной стенкой, предназначенной, в первую очередь, для надежной фиксации упорядоченной кладки брикетов твердого топлива и выполненной в виде стакана 2, изготовленного из металлической сетки (см. фиг.1 и фиг.3). Причем в стенке стакана 2, по крайней мере, размер ячеек сетки Δ выполнен меньше диаметра d брикета твердого топлива 1 (см. фиг.1) для исключения проникновения брикетов за пределы стакана. Кроме того, высота стакана Н выбрана от 3d до 14d, а внутренний диаметр D или вписанный диаметр D стакана выбран от 2,16d до 3,5d. Дело в том, что стенка стакана в поперечном сечении может иметь как окружность, так и многоугольник. То есть кладка брикетов твердого топлива может быть уложена или в цилиндрический стакан, или в квадратный стакан, или в пятигранный стакан, или в шестигранный стакан, а поэтому кладка топливных брикетов должна быть ограничена внутренним диаметром или вписанным диаметром стенки стакана. Кроме того, отношение высоты Н стакана к его внутреннему диаметру D или к вписанному диаметру D составляет от 0,85 до 6,67. Для безопасной эксплуатации заявляемого отопительно-варочного устройства стакан 2 может быть установлен в защитном металлическом корпусе 3, состоящим из перфорированной крышки 4 и стенок 5 защитного корпуса, а также включающим зольник 6 (см. фиг.1 - фиг.3). Защитный корпус 3 в поперечном сечении может иметь круг или многоугольник (предпочтительно правильный многоугольник, например, квадрат или шестиугольник), причем, по крайней мере, одна стенка выполнена из металлической сетки 7 (см. фиг.1). Целесообразно стакан 2 выполнить цилиндрической формы из металлической сетки (см. фиг.3), а его днище выполнить с площадью от 3,66d до 9,62d.
В качестве твердого топлива используются топливные брикеты каталитического горения 1 (см. фиг.1), 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 цилиндра с диаметром, выбранным от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ цилиндра к его диаметру d составляет от 0,4 до 2,0.
Рецептура и основные характеристики топливных брикетов, предпочтительно используемых в заявляемом отопительно-варочном устройстве, может быть иллюстрируема следующими примерами.
3
2
Пример 1. Топливные брикеты диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 92, картофельный крахмал 6 и вода 2. Полученные топливные брикеты 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 теплиц и других помещений, в том числе жилых помещений в холодное время года. Топливные брикеты 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 брикеты диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 92, карбоксилметилцеллюлоза 6 и вода 2. Топливные брикеты 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 брикеты диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 94, натрийгидрированный силикат 4 и вода 2. Топливные брикеты 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 брикеты диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных таблеток, мас.%: уголь древесный 90, сапропель 4 и вода 2. Топливные брикеты 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.
Заявляемое отопительно-варочное устройство работает следующим образом. При начальной растопке топливные брикеты каталитического горения 1 укладывают в стакане 2 (см. фиг.1) таким образом, что из цилиндрических топливных брикетов получилось от трех до семи вертикальных составных стержней. Каждый топливный брикет обеими торцевыми поверхностями контактирует с соседними брикетами за исключением крайних торцевых брикетов, а своими боковыми поверхностями составные стержни (топливные брикеты) контактируют преимущественно с одной, двумя, тремя боковыми поверхностями соседних составных стержней, а также четырьмя, пятью или шестью боковыми поверхностями соседних составных стержней. Топливные брикеты преимущественно воспламеняют с нижнего торца кладки составных топливных стержней. От загоревшегося топливного брикета воспламеняются торцы соседних составных стержней и фронт беспламенного и бездымного горения постепенно двигается в вертикальном направлении по площади слоя от одного торца кладки составных топливных стержней в сторону другого торца. Так, например, 39 топливных брикетов диаметром 0,05 м и высотой 0,05 м сгорают за время от 9 часов 49 минут до 14 часов 6 минут, а отопительно-варочное устройство для сжигания брикетов каталитического горения будет выделять удельную тепловую мощность в 1,5 кВт/час. Для получения удельной мощности в 2 кВт/час или в 3 кВт/час топливные брикеты укладывают вертикальным плотным слоем, включающим четыре или шесть составных топливных стержней из 13 топливных брикетов в одном составном стержне. Прогоревший шлак с зольника 6 удаляют и можно повторить вышеуказанный процесс повторно. Топливные брикеты можно воспламенять одновременно и с двух торцов, тогда два фронта горения будут двигаться навстречу друг другу. Причем в этом случае удельная тепловая мощность увеличится до 3,0 кВт/час, а продолжительность сгорания 39 топливных брикетов сократится и будет продолжаться от 5 часов 52 минут до 8 часов 20 минут. Увеличить тепловую мощность, получаемую при сгорании топливных брикетов, можно также увеличив количество составных топливных брикетов, например, с 39 до 91 топливных брикетов. В этом случае будет выделяться удельная тепловая мощность 3,5 кВт/час, а время горения брикетов будет не менее 11 часов.
Необходимо отметить, что отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе G укладки брикетов твердого топлива выбрано из соотношения
причем
2
где 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 отопительно-варочном устройстве с вертикальной кладкой твердого топлива плотным слоем выбор параметров составных цилиндрических стержней выполнен в зависимости от нового критерия, а именно от удельной поверхности излучения топливной загрузки «f», которая увязывает основные характеристики составных стержней, такие как плотность и диаметр стержней с учетом экспериментально определенных коэффициентов.
Время между периодами подачи топлива в устройство для сжигания топливных брикетов определяют из зависимости:
где L - средний линейный размер границ фронта поверхностного горения вертикальной кладки топливных брикетов, мм;
δ - длина цилиндра топливных брикетов, мм;
R - радиус цилиндра топливных брикетов, мм;
N - количество топливных брикетов в составном стержне, шт.;
об.фр
V - скорость образования фронта поверхностного горения вертикальной кладки топливных брикетов, мм/мин;
пов
V - скорость перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов, мм/мин;
глуб
V - скорость глубинного горения топливных брикетов, мм/мин;
k - коэффициент, учитывающий особенности кладки топливных брикетов и конструктивные особенности устройства для сжигания топливных брикетов (0,8≤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);
m - коэффициент, учитывающий характеристики топливных брикетов (0,85≤m≤1,15).
В заявляемом отопительно-варочном устройстве 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 вышеописанной вертикальной кладки топливных брикетов определяется тремя составляющими:
об.фр
n·m·L/V - время образования фронта поверхностного горения вертикальной кладки топливных брикетов;
пов
n·(N·δ·-m·L)/V - время перемещения фронта поверхностного горения 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 нижеследующее.
Скорость образования фронта поверхностного горения вертикальной кладки топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне:
об.фр
2,0 мм/мин ≤V≤3,0 мм/мин.
Скорость перемещения фронта 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
0,18 мм/мин ≤V≤0,22 мм/мин.