ДРОВЯНАЯ МИНИ-ПЕЧЬ

Полезная модель относится к области автономных источников тепловой энергии, в частности к дровяным мини-печам, предназначенным для использования в походных условиях, под которыми подразумевается туризм, активный отдых, длительные путешествия, кемпинг, рыбалка, загородный отдых с семьей. Дровяные мини-печи предусматривают возможность сжигания твердого топлива, такого, как мелкие ветки, шишки, сосновые иголки, щепки, опилки, топливные брикеты и проч.
Дрова - классический вариант твердого топлива в местности, богатой лесами. Сжигание древесины дает возможность получать тепловую энергию, при этом температура горения дров напрямую влияет на эффективность использования топлива. Многие известные печи недостаточно эффективны, что приводит к неполному сгоранию топлива и существенному дымовыделению.
Известна печка, работающая на твердом топливе, с улучшенным сгоранием [RU 2436015], предназначенная для приготовления пищи и выполненная с использованием принудительной циркуляции воздуха в топке.
Печка содержит: топку цилиндрической формы, имеющую сплошное дно и две группы равномерно распределенных по периметру стенки воздуховыпускных отверстий, в верхней и нижней части стенки соответственно. При этом рекомендуется, чтобы площадь отверстий в верхней части относилась к площади отверстий в нижней части как 3/1.
Между цилиндрической стенкой топки и корпусом печки образовано кольцевое пространство, которое действует как камера подогрева. Это кольцевое пространство заполнено воздухораспределителями, которые представляют из себя несколько металлических листов с выбитыми ребрами, поддерживающими разделение между листами для обеспечения прохода воздуха. Металлические листы направляют воздушный поток и отражают тепло обратно в топку, подогревая воздух, который поступает в топку через верхние воздуховыпускные отверстия.
Снизу, под дном топки, находится теплоизоляционная пластина, далее вниз термоэлектрический элемент, радиатор и дутьевой узел, состоящий из двигателя с крыльчаткой. На нижней части корпуса печки, имеющего ряд воздухозаборных отверстий, размещен электронный блок управления дутьевым узлом, содержащий аккумуляторную батарею и контроллер.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, увеличивающая вероятность выхода печки из строя и снижающая ее эксплуатационную надежность, а также ее высокая цена. Наличие в печке электроники и двигателя приводит к необходимости использования источника электрического тока, что, помимо усложнения конструкции, ограничивает возможности ее применения, в том числе, температурным диапазоном окружающей среды, допустимом для ее эксплуатации.
Известна складная печка-кружка [RU 2527406], предназначенная для индивидуального приготовления пищи в походных условиях. Складная печка-кружка содержит топку, выполненную из донца и нескольких телескопических колец с окнами в верхнем и нижнем кольце для прохода газовоздушной смеси в печку-кружку. В рабочем положении емкость для приготовления пищи установлена над топкой, при этом она выполнена из телескопических колец и донца, диаметр которого больше диаметра верхнего кольца топки. На марше сложенная топка убирается в сложенную емкость.
Предложенное устройство работает следующим образом, складная печка-кружка раскладывается, в загрузочное отверстие закладывается спиртовая таблетка, поджигается и в емкости готовится пища. После приготовления топка и емкость складываются, и внутрь емкости убирается топка.
Недостатками ее являются: низкая теплоэффективность из-за отсутствия теплоизоляции топки, т.к. тепло рассеивается боковыми стенками, отсутствие возможности регулировки пламени при приготовлении пищи, а также ограниченность в выборе топлива.
Известна пиролизная складная печка [RU 166386], предназначенная для приготовления пищи в полевых условиях. Пиролизная складная печка содержит несколько вертикальных телескопических секций и емкость для приготовления пищи. От печки-кружки она отличается, главным образом, тем, что в нижней и верхней секции топки реализована возможность регулировки подачи воздуха путем поворота специальных кольцевых шторок с отверстиями. Это уменьшает приток воздуха и позволяет понижать интенсивность горения и переводить печь в пиролизный режим.
Аналогично предыдущей модели, ее недостатком является низкая теплоэффективность из-за отсутствия теплоизоляции топки (тепло рассеивается боковыми стенками).
В качестве прототипа выбрана печь Solo Stoves (https://www.solostove.com). Она выполнена с двойной стенкой - снаружи оболочка кожуха, а внутри коаксиально и с зазором смонтированная топка. Топка сверху герметично связана с оболочкой кожуха, а канал, образованный зазором между стенками, служит для подачи вторичного воздуха в верхние воздухозаборные отверстия стенки топки. Воздухозаборные отверстия в нижней части кожуха направляют наружный воздух через колосниковую решетку к дровам на дне топки и одновременно подают предварительно подогретый в кольцевом канале воздух в отверстия верхней части топки. Подача свежего воздуха в верхнюю часть топки вызывает вторичное горение пиролизных газов, что приводит к более эффективному сжиганию топлива и уменьшению количества дыма.
Недостатком прототипа является сложность конструкции печки, содержащей зольник и колосниковую решетку, приводящая к неоправданному для этого класса изделий увеличению себестоимости.
Задачей настоящей полезной модели является упрощение конструкции печки, увеличение ее технологичности, и как следствие - снижение себестоимости, с сохранением высоких эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача достигается за счет того, что у дровяной мини-печи, содержащей наружный кожух в виде оболочки, внутри которой коаксиально и с зазором смонтирована топка в виде стакана с днищем, сверху герметично связанного с оболочкой, образуя из зазора канал, сообщающий верхнюю часть полости стакана с наружным пространством, для чего в этой части последнего и нижней части оболочки выполнен ряд отверстий, равномерно распределенных по их соответствующим периметрам, днище стакана выполнено сплошным, а над ним в стенке стакана имеется ряд равномерно распределенных отверстий, дополнительно сообщающих полость стакана через канал с наружным пространством, при этом подача воздуха через эти отверстия обеспечивает пиролизный режим горения топлива, размещаемого на днище стакана.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в том, что днище топки выполнено сплошным, а над ней в стенке топки имеется ряд равномерно распределенных отверстий, дополнительно сообщающих полость топки через канал с наружным пространством, при этом подача воздуха через эти отверстия обеспечивает пиролизный режим горения топлива, размещаемого на днище топки. Таким образом решается задача упрощения конструкции и уменьшения себестоимости изделия с сохранением его высоких эксплуатационных характеристик.
На прилагаемом к описанию чертеже показана дровяная мини-печь в разрезе (фиг. 1).
Мини-печь 1 содержит наружный кожух 2, имеющий в нижней части ряд равномерно распределенных по периметру отверстий 3 и топку 4, состоящую из сплошного днища 5 и стенки 6, в которой выполнены два ряда равномерно распределенных отверстий: снизу 7 и сверху 8. Между кожухом 2 и стенкой 6 топки 4 находится кольцевой канал 9. Над топкой 4 установлен защитный экран 10, имеющий ряд отверстий 11.
Отверстия 3 в кожухе 2, служат для подачи наружного воздуха в топку 4. Через отверстия 7, расположенные в нижней части стенки 6, в топку 4 проникает первичный воздух, служащий для поддержания горения дров, находящихся на днище топки. Вторичный воздух проходит через отверстия 3 кожуха 2 и попадает в кольцевой канал 9, по которому поднимается вверх, к отверстиям 8, нагреваясь при этом от горячей стенки 6. Он обеспечивает дожиг пиролизных газов и, как следствие, более высокий КПД работы изделия. Защитный экран 10 служит в качестве опоры посуды для приготовления пищи и защищает пламя от задувания.
Процесс горения дров в мини-печи 1 можно разделить на несколько этапов:
1. Разогрев. Участок древесины необходимо нагреть внешним источником огня до температуры воспламенения. При нагреве до 120-150 градусов дерево начинает обугливаться, при этом образуется уголь, способный к самовоспламенению. При нагреве до 250-350 градусов стартует процесс термического разложения древесины (пиролиз) с выделением жидких и газообразных составляющих и образованием твердого остатка - древесного угля. Верхний, обуглившийся слой тлеет (горит без образования пламени), при этом выделяется дым белого или бурого цвета - смесь водяного пара с продуктами пиролиза.
2. Возгорание пиролизных газов. Дальнейший разогрев приводит к усилению термического разложения, и сконцентрировавшиеся пиролизные газы вспыхивают. После вспышки возгорание постепенно начинает охватывать всю зону разогрева. При этом образуется устойчивое пламя светло-желтого цвета.
3. Воспламенение. Дальнейший разогрев приводит к воспламенению дров. Температура воспламенения в естественных условиях колеблется в промежутке от 450 до 620 градусов. Древесина воспламеняется под влиянием внешнего источника тепловой энергии, который обеспечивает нагрев, необходимый для резкого ускорения термохимической реакции. Для воспламенения требуется хорошая, но не избыточная тяга - необходим достаточный приток кислорода и минимальное рассеивание тепловой энергии горения - она нужна для прогрева соседних участков древесины.
4. Горение. При условиях, близких к оптимальным, первоначальная вспышка пиролизных газов не затухает, от возгорания процесс переходит в устойчивое горение с постепенным охватом всего объема топлива.
Горение древесины состоит из двух стадий: пламенное горение и беспламенное тление угля. Пламенное горение обеспечивается за счет сгорания пиролизных газов, при этом горячие газы движутся наружу. Стадия пламенного горения занимает достаточно короткий промежуток времени, но при этом выделяется около 55-60% всей энергии. Тление подразумевает сгорание угля - твердого продукта процесса пиролиза. Скорость тления определяется скоростью поступления воздуха к поверхности угля. В процессе тления воздух проникает вглубь древесины, за счет чего расширяется площадь охвата. Тление может происходить и за счет кислорода воздуха, и за счет кислорода, содержащегося в порах и химической структуре материала.
Уголь, образующийся на поверхности древесины в период пламенного горения, не горит, хотя и находится в накаленном состоянии, так как его горению в этот период препятствует горение газообразных продуктов разложения, в результате чего кислород не имеет доступа к поверхности угля. Последний горит тогда, когда завершается пламенное горение со значительным выделением газообразных продуктов. Небольшой период времени оба вида горения древесины протекают одновременно. Затем выделение газообразных продуктов прекращается, и горит только уголь.
Горение поддерживается, пока имеются условия для огня - наличие несгоревшего топлива, поступление кислорода и сохранение требуемого уровня температуры.
5. Затухание. При несоблюдении одного из условий процесс горения прекращается и пламя гаснет.