ПЕЧНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРЕНИЯ С ЕГО ПРИМЕНЕНИЕМ
FURNACE DEVICE AND COMBUSTION METHOD WITH ITS APPLICATION

Предметом изобретения является печное устройство на жидком топливе, а также способ обеспечения горения с его применением, при котором жидкое топливо в виде экологически чистого спирта во время сгорания в печном устройстве, например в камине, выделяет тепло, служащее для отопления помещения, в котором оно установлено, а кроме того, печное устройство может быть использовано для декоративных целей в различных помещениях общественных учреждений.
Ранее уже было представлено печное устройство для использования в биокамине, согласно заявке на патент Р 385294, в котором печное устройство состоит из двух основных частей: топливного бака и части, включающей камеры радиатора, причем бак встроен в дополнительную емкость, а часть, содержащая камеры радиатора, имеет вид крышки, по форме соответствующей баку, с расположенными в нижней части камерами радиатора полукруглой формы, открытыми в верхней части. Представленное решение печного устройства и принцип его работы не полностью соответствуют новейшим строгим правилам в области функционирования печных устройств на жидком топливе, в которых жидкое топливо находится вблизи печи и сжигается в открытом пространстве над печным устройством. Кроме того, в представленном печном устройстве нет возможности увеличить его объем для подачи большего количества жидкого топлива, что могло бы уменьшить частоту требуемого наполнения, а также нет возможности осуществлять немедленное погашение. Более того, уже известные печные устройства чувствительны к движению воздуха и вызывают нагрев топливных баков.
Задачей настоящего изобретения является создание печного устройства, исключающего вышеописанные недостатки, принцип действия которого основывался бы на другом методе сжигания жидкого топлива, позволяющем значительно увеличить вместительность печного устройства для увеличения однократно подаваемого объема жидкого топлива, а также повысить безопасность эксплуатации.
Поставленная задача была выполнена в новом печном устройстве, которое характеризуется тем, что состоит по меньшей мере из одного топливного бака, пластины испарения топлива, пластины распределения паров топлива и клапана, перекрывающего поток паров, причем топливный бак, оборудованный входом топлива и вентиляционным штуцером, соединен с пластиной испарения при помощи трубопровода, а пластина испарения оснащена штуцером для выхода паров, подключенным к запорному клапану, и имеет снаружи пластину подогрева со встроенным входом топлива для растопки, в то время как пластина распределения паров прикреплена к штуцеру выхода запорного клапана и имеет отверстия, выполненные в верхней части, сквозь которые выходят пары топлива.
В практичном варианте исполнения печное устройство отличается тем, что состоит из двух топливных баков, расположенных параллельно и связанных трубопроводом со штуцером, поставляющим топливо на пластину испарения. Между баками находятся пластина испарения и пластина распределения паров, причем главный бак наряду с входом топлива и штуцером, подающим топливо для растопки, имеет встроенный дозатор, а под штуцером, подающим топливо для растопки, прикреплена разогревающая пластина в виде желоба, в котором размещен фитиль, а все вышеупомянутые части заключены в корпус с отверстиями для вентиляции.
В другом варианте исполнения печное устройство, адаптированное к электронному дистанционному управлению, характеризуется тем, что система управления оборудована системой нагревателей, заменяющих пластину подогрева, электроклапан и датчики температуры пластины распределения паров. В этом варианте установлен также датчик температуры пластины испарения топлива, вместе с системой автоматического зажигания искрой и системой датчиков безопасности, которые включают в себя датчик движения, датчик угарного газа или, по выбору, кислорода относительно углекислого газа, датчик влажности, причем вход топлива в основной бак закрывается при помощи подвижной крышки, подключенной к выключателю, который при открытии во время работы устройства приводит к его выключению.
Принцип работы печного устройства в соответствии с существенными свойствами изобретения характеризуется тем, что в варианте выполнения с одним топливным баком топливо подается из бака по трубопроводу на пластину испарения, работающую гравитационным способом по принципу сообщающихся сосудов, таким образом, чтобы над уровнем топлива располагался слой воздуха и топливо не попадало в штуцер выхода паров; затем при помощи штуцера подачи топлива для растопки дозируется небольшое количество топлива, которое загорается в разогревающем желобе, приводя к быстрому нагреву пластины испарения вместе с находящимся в ней топливом, а появляющиеся пары топлива в результате испарения и повышения давления проходят к клапану через штуцер выхода, а из клапана через штуцер входа на пластину распределения паров, на которой распределяются и выходят на пластину сквозь выполненные по всей ее длине отверстия, далее пары воспламеняются от пламени с подогревающей пластины, затем после исчерпания запаса топлива в подогревающей пластине горящие пары топлива над пластиной распределения паров приводят к ее нагреву и ее тепло переносится на пластину испарения, что поддерживает процесс испарения топлива и его горения на заданном уровне самопроизвольно, до момента исчерпания топлива в баке, причем прекращение процесса горения происходит путем перекрытия клапана, закрывающего доступ паров топлива.
В то же время принцип работы печного устройства в соответствии с существенными свойствами изобретения характеризуется тем, что в варианте исполнения с двумя топливными баками топливо поступает из баков при помощи трубопровода через подающий штуцер на пластину испарения, работающую гравитационным способом по принципу сообщающихся сосудов, таким образом, чтобы над уровнем топлива располагался слой воздуха, а топливо не попадало в штуцер выхода паров; затем при помощи штуцера, подающего топливо для растопки, дозируется небольшое количество топлива, которое загорается на пластине подогрева, приводя к быстрому нагреву пластины испарения вместе с находящимся в ней топливом, а появляющиеся пары топлива в результате испарения и повышения давления проходят в клапан через штуцер выхода, а из перекрывающего клапана через штуцер выхода к пластине распределения паров, на которой распределяются и выходят на пластину сквозь выполненные по всей ее длине отверстия, далее пары воспламеняются от пламени с пластины подогрева, затем после исчерпания запаса топлива в пластине подогрева горящие пары топлива над пластиной распределения паров приводят к ее нагреву и ее тепло переносится на пластину испарения, что поддерживает процесс испарения топлива и его горения на заданном уровне самопроизвольно, до момента исчерпания топлива в баке, причем прекращение процесса горения происходит путем перекрытия клапана, закрывающего доступ паров топлива.
Другой существенной характеристикой принципа работы печного устройства в автоматизированном варианте является то, что печное устройство управляется при помощи электронной системы управления, подключенной к контрольной панели, которая управляется с помощью пульта, обеспечивая автоматический запуск устройства путем поджигания паров топлива искрой из генератора, автоматическое погашение устройства путем закрытия электроклапана, причем после запуска процесс горения паров топлива в печном устройстве проходит и контролируется самостоятельно - в области параметров горения путем регистрации нежелательной концентрации образующихся газов, негерметичности системы и нежелательного опрокидывания или перемещения.
Печное устройство и принцип его работы, в соответствии с существенными признаками изобретения, имеет ряд технических и функциональных преимуществ по сравнению с известными решениями для обогревательных каминов и декоративных устройств.
Конструкция печного устройства в соответствии с существенными свойствами изобретения представляет собой значительный технический прогресс по сравнению с известными печными устройствами и принципом их работы, например, используемыми до сих пор биокаминами, отапливаемыми с помощью биотоплива. Эти преимущества основаны главным образом на следующих факторах:
1. Увеличено количество топлива по сравнению с обычными наполнителями.
а. Объем бака ограничен исключительно размером изделия. В ранее известных конструкциях, по причине использования метода горения паров на поверхности, количество жидкого топлива было ограниченным. Горение на поверхности жидкости приводило к нагреву всего объема жидкости, из-за чего в определенный момент происходило кипение во всем объеме жидкости, а пламя становилось неконтролируемым. В предлагаемом решении испарение проходит в тщательно контролируемом небольшом объеме, в то время как топливо, находящееся в баках, не нагревается.
б. Топливо в подающих баках не нагревается.
в. Нагревается только небольшое количество топлива в камере испарения.
2. Немедленное погашение происходит благодаря перекрытию поступления паров и кислорода для горения. В предыдущих конструкциях погашение происходило путем прекращения поступления потока воздуха к поверхности топлива, что не всегда гарантировало погашение пламени из-за плохой герметичности и утечек паров топлива. Кроме того, после погашения топливо длительное время испарялось в окружающую среду из-за повышенной температуры. В предлагаемом решении испарение не происходит, благодаря тщательному перекрытию доступа паров.
3. Равномерная работа. Устройство производит определенное количество паров, что позволяет создать пламя с определенным объемом. Количество тепла, производимое пламенем для испарения следующего количества топлива, является относительно постоянным, благодаря чему устройство не увеличивает и не уменьшает пламя во время работы. Благодаря подбору подходящего материала, толщины стенок и геометрии, количество тепла, поставляемое для испарения топлива, является достаточным для поддержания постоянного уровня горения.
4. Нечувствительность к потокам воздуха, направленным на печь. Используемые в настоящее время печи имеют недостаток в виде резко перемещающихся масс паров. Печи, в которых происходит горение на поверхности жидкости, с уменьшением количества топлива в печи и повышением его температуры производят большее количество паров, чем в начале работы. Пространство над жидкостью заполнено парами, и движение воздуха, направленное на печь, приводит к их выталкиванию наружу и смешиванию с воздухом, создавая огнеопасную смесь. В результате получается "шар огня", многократно больший, чем нормальное пламя печи. В новой конструкции, согласно основным свойствам изобретения, количество производимых паров постоянно и их выход обеспечивается через последовательно расположенные отверстия. Поток воздуха, направленный на печь, приводит к уменьшению пламени, но не к вытеснению большого количества паров. Благодаря этому, устройство является более безопасным, чем уже известные конструкции.
5. Благодаря выбору соответствующего материала с известной теплопроводностью и выбору соотношения количества испаряемого топлива к толщине стенок и их расположению, достигнуто стабильное постоянное пламя, причем увеличение пламени невозможно без дополнительного источника тепла, так как система после стабилизации работает непрерывно, при постоянном тепловом потоке.
Пример практического использования существенных свойств изобретения показан на чертежах, на примерах его реализации, где:
- на фиг.1 схематически представлена система печного устройства с одним топливным баком,
- на фиг.2  схематически представлена система печного устройства с двумя топливными баками в корпусе,
- на фиг.3 - вид укомплектованного печного устройства в перспективной проекции с открытой крышкой входа топлива в соответствии со схемой с фиг.2,
- на фиг.4 - вид укомплектованного печного устройства в перспективной проекции в соответствии со схемой с фиг. 2,
- на фиг.5 - вид печного устройства с фиг.3 и 4, разобранного на части, в перспективной проекции, и
- на фиг.6 - схема системы печного устройства в автоматизированной версии.
Система печного устройства в варианте выполнения с одним топливным баком состоит из четырех основных частей, показанных на фиг.1, то есть топливного бака 1, пластины испарения 2 и пластины распределения 3 паров топлива, над которой проходит горение паров, а также клапана 4, перекрывающего поток паров. Бак 1 оборудован входом топлива 5 и вентиляционным штуцером 6, который подключен к пластине испарения 2 проводом 7. К пластине испарения 2 топливо Р доставляется при помощи провода 7 гравитационным способом по принципу сообщающихся сосудов. Пластина испарения 2 имеет штуцер выхода паров 8, соединенный с перекрывающим клапаном 4, а также прикрепленную снаружи пластину подогрева 9, оборудованную входом топлива 10 для растопки. Распределяющая пластина 3 соединена с перекрывающим клапаном 4 при помощи штуцера входа 11 и имеет в верхней части отверстия 12, сквозь которые выходят пары топлива.
Принцип действия печного устройства, показанного на фиг.1, состоит в следующем. Топливо Р наливается в топливный бак 1 через вход 5 и проходит через провод 7 к пластине испарения 2, причем отмеченный пунктиром уровень топлива 13 является максимальным уровнем с тем, чтобы над поверхностью топлива Р оставалось пространство, наполненное воздухом, а также, чтобы топливо Р не попадало в штуцер выхода паров 8. Во вход пластины растопки 10 наливается небольшое количество топлива Р (5-50 мл) и зажигается. Сжигание топлива в подогревающей пластине 9 приводит к быстрому нагреву пластины испарения 2 и находящегося в ней топлива Р. Добавленное количество топлива Р определенного объема создает возможность подогрева системы до температуры начала интенсивного испарения топлива Р. Пары за счет испарения и повышения давления переходят от штуцера выхода паров 8 через перекрывающий клапан 4 и входной штуцер 11 на пластину распределения 3, на которой распределяются и выходят через отверстия 12 над пластиной по всей ее длине, где происходит их возгорание от пламени с пластины подогрева 9 и последующее горение. Через несколько минут после разогрева и начала работы количество топлива Р, добавленное на пластину подогрева 9, исчерпывается. В то же время горящие пары над пластиной распределения 3 приводят к ее разогреву. Тепло передается по ее элементам на пластину испарения 2 и поддерживает процесс испарения топлива на соответствующем уровне. До момента исчерпания топлива Р в баке 1 и пластине испарения 2 система работает самостоятельно. В любой момент работы запорный клапан 4 может быть закрыт, перекрывая поток паров к пластине распределения 3 и гася пламя. Закрытие перекрывающего клапана 4 приводит также к образованию избыточного давления в пластине испарения 2 и вытеснению топлива Р в топливный бак 1, что приводит к смешиванию теплого топлива Р с холодным в топливном баке 1 и завершению испарения, причем топливо Р не имеет контакта с горячими элементами пластины испарения 2. В топливном баке 1 установлена вентиляция 6 для предотвращения повышения давления, причем топливный бак 1 имеет увеличенный объем по отношению к номинальной величине, с тем чтобы во время перемещения объема топлива Р из пластины испарения 2 не произошло переполнение бака 1.
На фиг.2-5 представлен практичный пример печного устройства с двумя топливными баками. Это устройство имеет два топливных бака - основной 1 и дополнительный 14, позволяющий увеличить объем запасов топлива Р. В главном топливном баке 1 размещен вход топлива 5. Оба топливных бака 1 и 14 соединены трубой 15, по которой топливо Р поступает во второй бак 14. Из трубы 15, соединяющей баки, выведен штуцер 16, соединенный с пластиной испарения 2. Оба бака имеют вентилирующие штуцеры 6 и 17. Баки расположены на соответствующем уровне, с тем чтобы топливо Р, расходуемое на пластине испарения 2, непрерывно пополнялось гравитационным способом. Баки расположены под наклоном, чтобы облегчить вытекание топлива Р. На главном баке 1 возле входа 5 встроен небольшой ручной насос 18. Чтобы получить доступ к входу 5 и насосу 18, следует открыть защитную крышку 19. Путем нажатия насоса 18 проводится закачивание топлива Р из бака 1 и перекачивание через штуцер 20 на пластину подогрева 9 в виде желоба. В этом желобе прикреплен фитиль 21, который зажигается через паз 22 в решетке 23. Это обеспечивает воспламенение топлива Р в пластине подогрева 9. Пластина испарения 2 соединена с пластиной распределения 3 при помощи запорного клапана 4. Испаряющиеся пары топлива при помощи клапана 4 поступают на пластину распределения 3, где под влиянием небольшого избытка давления и температуры выходят наружу через ряд отверстий 12 над пластиной распределения 3, где сгорают. Топливные баки 1 и 14 имеют увеличенный объем по отношению к номинальной величине, с тем чтобы во время перемещения объема топлива Р из пластины испарения 2 не произошло переполнение этих баков.
В варианте с двумя баками 1 и 14, показанном на фиг.2-5, принцип действия заключается в следующем. Топливо Р наливается в баки 1 и 14 с помощью входа 5. Топливо перетекает во второй бак 14 по трубе 15, соединяющей оба бака. Через штуцер 16, подсоединенный к пластине испарения 2, топливо проходит также на нее. Уровни топлива во всех сообщающихся сосудах одинаковы. Снизу вся система закрыта крышкой 24 с соответствующими вентиляционными пазами 25. Фитиль 21 поддерживает горение топлива в пластине подогрева 9, которая имеет вид желоба. Горящее топливо в пластине подогрева 9 во время горения разогревает пластину испарения 2 и содержащееся в ней топливо. После достижения соответствующей температуры испарения топливо Р в пластине испарения 2 начинает интенсивно испаряться. Пары через открытый клапан 4 переходят к пластине распределения 3. Распределенные по всей длине этой пластины пары выходят наверх через ряд отверстий 12 и сгорают над ней. Горящие пары в то же время нагревают элементы пластины распределения 3 и пластины испарения 2, что исключает потребность в дополнительном обеспечении тепловой энергией. Дозированное количество топлива на пластину подогрева 9 сжигается, и нет необходимости в дополнительной дозированной подаче топлива. Система после прогрева и начала работы поддерживает процесс горения самостоятельно. Материал, толщина стенок и количество разогреваемого и разжигающего топлива подобраны так, чтобы система после достижения соответствующей температуры не нуждалась в дополнительных источниках тепла для поддержания работы и работала стабильно. С целью окончания работы следует закрыть перекрывающий клапан 4 между пластинами испарения 2 и распределения 3. Остановка потока паров топлива приводит к угасанию пламени. В то же время пары, возникающие на пластине испарения 2, не имея выхода наружу, приводят к появлению избыточного давления над поверхностью жидкости на пластине испарения 2. Избыточное давление выталкивает разогретое топливо в баки 1 и 14, приводя к перемешиванию с прохладным топливом баков и лишению контакта с горячими стенками пластины испарения 2, в результате чего процесс испарения прекращается очень быстро. Чтобы снова запустить систему следует вновь открыть перекрывающий клапан 4, обеспечивая поступление топлива на пластину испарения (выравнивание уровней в сосудах), и добавить дозу топлива на пластину подогрева 9, а затем поджечь. После подогрева пары возгораются от пламени топлива, сжигаемого в пластине подогрева 9. После прекращения горения в пластине подогрева 9 (т.е. разогрева системы) система работает стабильно до момента выключения или исчерпания топлива в баках 1 и 14.
На фиг.6 показан пример системы печного устройства с электронным управлением. Принцип его работы такой же, как и в варианте без электронного управления, с той разницей, что элементы, ответственные за зажигание, выключение и безопасность, работают автоматически. Вместо насоса 18 и пластины подогрева 9 используется система нагревателей 26. Запорный клапан 4 был заменен на электроклапан 27. В систему были добавлены датчики температуры 28 на пластине распределения 3 и датчик температуры 29 на пластине испарения 2 вблизи системы нагревателей 26. Кроме того, система оснащена автоматическим зажиганием искрой, состоящим из генератора искры 30 и электродов магнето 31. Устройство также оснащено системой датчиков безопасности, включающей в себя: датчик движения 32, выключающий устройство в случае опрокидывания или попытки перестановки, датчик 33 угарного газа или же, по выбору, кислорода или углекислого газа, выключающий устройство в случае обнаружения неправильной концентрации определяемого газа, а также датчик влажности 34, следящий за герметичностью системы и реагирующий в случае обнаружения жидкости под баками на покрытии 24, появившейся в результате утечки или разливания топлива пользователем. Система входа 10 закрыта подвижной крышкой 35, защищенной выключателем 36, который, в случае попытки ее открытия во время работы устройства, приведет к его выключению и погашению пламени. Устройство в этом варианте исполнения оснащено системой управления 37, а подключенная к нему контрольная панель 38 действует как коммуникатор между пользователем и системой управления 37, позволяет читать сообщения и отдавать команды типа: включить, выключить, отрегулировать высоту пламени и т.д. Передача команд возможна с использованием пульта дистанционного управления 39. Контрольная панель 38 также имеет соответствующие разъемы (не показанные на чертеже), позволяющие осуществить подключение к компьютеру для загрузки нового программного обеспечения или регулирования. Это решение предназначено только для производителя или уполномоченного специалиста по сервису. Эти разъемы также позволяют подключиться к системе «Умный дом» и управлять печным устройством с помощью панели этой системы.
Принцип работы устройства в этом варианте состоит в следующем. После заливки топлива Р в бак 1 пользователь закрывает подвижную крышку 35, которая защищена выключателем 36, и до момента ее закрытия система не позволяет включиться. После закрытия подвижной крышкой 35 и нажатия кнопки "Пуск" на панели управления 38 или пульте дистанционного управления 39 происходит запуск нагревателей 26 и открытие электроклапана 27. Система нагревателей 26 разогревает пластину испарения 2 до температуры интенсивного испарения топлива. Пары проходят через электроклапан 27 к пластине распределения 3 и выходят наружу отверстиями 12. В момент появления паров в пластине распределения 3 ее температура повышается, что определяется датчиком температуры 29. Когда эта пластина достигает соответствующей температуры, подается сигнал к генератору искры 30 и на электродах 31 создается искра. Искра зажигает пары над пластиной распределения 3. Возгорание паров повышает температуру на датчике температуры 29, что указывает на горение пламени. Если температура не поднимается в течение нескольких секунд после создания искры, последовательность повторяется. Если после нескольких неудачных попыток температура не поднимается, устройство выключается и электроклапан 27 закрывается. В случае, если пары воспламенились и температура на датчике 29 увеличилась, работа продолжается, а система нагревателей 26 отключается. Устройство испаряет топливо благодаря теплоотдаче элементов планок 2 и 3. Устройство имеет возможность последовательного включения нагревателей 26 для повышения температуры пластины испарения 2, с целью регулирования (увеличения) пламени. Выключение осуществляется устройством самостоятельно - по соображениям безопасности, или по инициативе пользователя. Устройство автоматически выключается в нескольких случаях, а именно: когда оно перемещается, и сигнал об этом подается датчиком 32, когда с помощью датчика 33 обнаруживается ненормальная концентрация определяемого газа в воздухе помещения, когда исчерпывается запас топлива в баках 1 и 14, и возрастает температура на датчике температуры 29, или же система нагревателей 26 включается без топлива и температура поднимается выше допустимого предела, установленного для датчика температуры 29 пластины распределения 3, а также в случае открытия подвижной крышки 35, закрывающей доступ к входу топлива 5, что обнаруживает переключатель 36, или же когда во время включения диагностики датчик обнаруживает повреждение или аварию любого датчика. В каждом из этих случаев электроклапан 27 будет закрыт и устройство полностью выключено, а на экране контрольной панели 38 отобразится соответствующее сообщение.
Представленное печное устройство и принцип его работы с примерами реализации, в соответствии с существенными свойствами изобретения, не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации. Эти подробные описания практических вариантов не должны быть истолкованы как ограничивающие фундаментальную изобретательскую идею, представленную в основной части данного описания.