Банная печь
BATHHOUSE FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам печного отопления на основе печей на твердом топливе и может быть использовано для создания банных печей с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Известно, что банные печи являются особой разновидностью отопительных приборов и имеют многовековую историю развития. Однако недостатком всех известных конструкций банных печей, работающих на твердом топливе, является непродолжительное время работы от одной закладки топлива. Это обусловлено тем, что банные печи работают в основном в режиме максимальной мощности, а время работы ограничивается объемом топлива, размещаемом в камере сгорания. Поскольку в банной печи одновременно горит почти весь объем топлива, то его увеличение приводит к росту генерируемой мощности и существенно не влияет на продолжительность работы печи. Если при этом не увеличить теплообменную поверхность печи, то это приведет к падению КПД печи, поскольку избыточная тепловая энергия будет уноситься дымовыми газами и сократиться срок службы печи из-за перегрева металла корпуса. Кроме того, в процессе горения топлива генерируемая тепловая энергия изменяется в больших пределах (в том числе из-за низкой точности управления потоком входного воздуха), вследствие чего в отапливаемом помещении происходит существенное колебание температуры воздуха. Следствием указанных недостатков банных печей является необходимость частого добавления топлива в топку для предотвращения колебания температуры в парном помещении, что снижает эксплуатационные характеристики банных печей и затрудняет проведение качественных банных процедур.
Известны банные печи (патенты RU2737626 C1 2020 г, RU2347980 C1 2009 г, патент Финляндии №F1865046 1988 г, SU1633233 А1 1991 г, SU1813994 A1 1993 г, RU2651878 C1 2017 г, RU2281433 C2 2004 г, RU2715487 C1 2020 г и полезные модели RU142846 U1, RU116606 U1, RU145166 U1, RU47494 U1), с разборным и цельнометаллическим корпусом, основными элементами которых являются камера сгорания с загрузочной дверкой и дымоходом, колосником и зольным ящиком. Вспомогательными элементами этих печей могут быть каменка, бак для воды, парогенератор, паровая пушка, теплообменник и т.д. Принцип работы банных печей основан на сжигании твердого топлива в камере сгорания и радиационной и конвективной теплопередачи тепловой энергии окружающим предметам и воздуху в отапливаемом помещении. Регулировка интенсивности горения как правило осуществляется с помощью изменения объема воздуха, подаваемого в камеру сгорания с помощью изменения положения зольного ящика.
Недостатками данных печей являются небольшая продолжительность горения, низкая точность управления интенсивностью горения, необходимость частой дозагрузки топлива и большие перепады температуры в помещении.
Известная банная печь (RU2076277C1), выбранная в качестве прототипа, содержит корпус с топкой, загрузочную дверку, колосник, зольный ящик, теплообменную полостью с дымоходом. Внутри теплообменной полости размещена каменка с дверкой для загрузки камней и устройство для получения пара.
Недостатками известной конструкции являются:
- небольшая продолжительность горения, обусловленная сравнительно ограниченным объемом топлива в камере сгорания;
- недостаточная стабильность генерации тепловой мощности, обусловленная низкой точностью регулировки зольным ящиком проходного сечения для входного воздушного потока;
- необходимость частой дозагрузки топлива и сравнительно большие перепады температуры в помещении, что связано со значительным изменением генерируемой мощности печи.
Кроме того, указанная печь имеет низкий коэффициент использования топлива, что обусловлено не полным сгоранием пиролизных газов и частиц топлива из-за недостаточной температуры в периферийных областях для их сгорания и короткого газового тракта.
Технический результат состоит в увеличении продолжительности работы печи от одной загрузки топлива, за счет наращивания его объема и повышения эффективности сжигания, повышении стабильности генерации тепловой мощности в процессе работы печи, за счет увеличения точности управления входным воздушным потоком, улучшении эксплуатационных характеристик печи.
Технический результат достигается тем, что банная печь, содержащая корпус, в котором размещена топка, с дверцей розжига и колосником, под которым расположены зольник с зольным ящиком и тоннель зольного ящика, теплообменную полость с дымоходом и с каменкой внутри, с дверкой для загрузки камней и с устройством для получения пара, корпус содержит бункер, размещенный на днище с образованием топки в нижней части, при этом бункер в верхней части содержит загрузочную дверку, а снизу в задней части топки расположено газовое окно, к которому через переходной тоннель присоединена теплообменная полость, при этом в переходном тоннеле последовательно расположены воздуховод вторичного воздуха с дозирующими отверстиями и камера дожига, причем воздуховод вторичного воздуха сообщается через отверстие в днище с подколосниковой полостью, притом в верхней части бункера расположена заслонка дымоудаления с приводом и фиксатором положения для соединения посредством газового канала с дымоходом, расположенным в верхней части теплообменной полости для отвода дымовых газов из печи, при этом на зольном ящике возле передней стенки между боковыми стенками установлена поперечная пластина с отверстием для управления входным воздушным потоком.
Банная печь также может содержать парогенератор с устройством подачи воды и выпуска пара, теплообменник, дверку со стеклом, установленную на задней части теплообменной полости под каменкой, причем дверка с внутренней стороны сообщается по воздушному каналу с подколосниковой полостью.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показан упрощенный вид печи в продольном разрезе и обозначено: 1 - корпус, 2 - бункер, 3 - теплообменная полость, 4 - днище, 5 - дверца для розжига, 6 - загрузочная дверка, 7 - топка, 8 - колосник, 9 - зольный ящик, 10 - тоннель зольного ящика, 11 - зольник, 12 - поперечная пластина с отверстием ящика 9, 13 - газоуплотнительная пластина, 14 - подколосниковая полость, 15 - газовое окно, 16 - переходной туннель, 17 - воздуховод вторичного воздуха, 18 - дозирующие отверстия, 19 - отверстия для воздуховода вторичного воздуха, 20 - камера дожига, 21 - шамотные плиты, 22 - турбулизирующие пластины, 23 - каменка, 24 - дверка каменки, 25 - устройство для получения пара, 26 - парогенератор, 27 - теплообменник, 28 - дверка со стеклом, 29 - воздуховод подачи воздуха для обдува дверки со стеклом, 30 - дозирующее отверстие для обдува дверки со стеклом, 31 - дымоход, 32 - газовый канал, 33 - заслонка дымоудаления, 34 - привод заслонки дымоудаления, 35 - фиксатор положения. Корпус печи 1 с входящими в него частями и узлами (и другие элементы печи) выполняется из стали с необходимой толщиной стенки и жаропрочностью, обеспечивающими требуемый срок службы печи. Вокруг печи с воздушным зазором может монтироваться металлический кожух (не показан на рисунке) или обкладка из кирпича. Бункер 2 предназначен для закладки в печь топлива, вначале через дверку розжига 5, а затем через загрузочную дверцу 6. Бункер 2 размещен на днище 4, а его нижняя часть на уровне газового окна 15 образует топку 7. В основании топки 7 на днище 4 размещен колосник 8, под которым расположена подколосниковая полость 14, зольник 11 с зольным ящиком 9. На днище 4 через переходной тоннель 16 размещена теплообменная полость 3, которая служит для передачи тепловой энергии от дымовых газов окружающей среде. Для улучшения теплопередачи на внутренних стенках теплообменной полости 3, в газовых каналах с трех сторон возле каменки 23 могут устанавливаться тербулизирующие элементы. В теплообменной полости 3 размещена каменка 23 с дверкой 24 и устройством для получения пара 25, состоящее из воронки и трубки, подающей воду на наиболее нагретые камни. Теплообменная полость 3 снабжена дымоходом 31 для отвода дымовых газов из печи. Для предотвращения попадания в печь не контролируемого объема воздуха дверки 5 и 6 герметизированы уплотнительным шнуром. Для более точного управления входным воздушным потоком возле передней стенки зольного ящика 9, между боковых его стенок размещена пластина 12 с отверстием, например, треугольной формы. При этом одна из вершин отверстия примыкает к передней стенке зольного ящика 9, а противоположная от этой вершины сторона расположена на кромке пластины 12. Для уменьшения поступления в печь не контролируемого потока входного воздуха в термическом зазоре между зольным ящиком 9 и тоннелем зольного ящика 10, на боковых и верхней стенках тоннеля 10 размещена гибкая газоуплотнительная пластина 13, состоящая из трех частей. Воздуховод вторичного воздуха 17 может быть выполнен из квадратной или прямоугольной трубы П-образной формы. Воздуховод вторичного воздуха 17 размещен в переходном тоннеле 16 за газовым окном 15 бункера 2 открытыми концами на отверстиях 19 в днище 4. На внутренних стенках воздуховода 17 выполнены дозирующие отверстия 18, площадь которых составляет примерно 20-25% от площади проходного сечения колосника 8. Тоннель 16 в виде П-образной пластины, размещенный на днище 4, может иметь различную длину, в зависимости от особенностей помещения и условий размещения печи в нем. Камера дожига 20 в виде газового канала, например, прямоугольного сечения, размещена в переходном тоннеле 16 за воздуховодом 17 и частично в нижней части теплообменной полости 3. Внутренние стенки камеры могут быть теплоизолированны, например, шамотными плитами 21. Для дополнительного улучшения условий сгорания пиролизных газов, частиц топлива в жидкой и твердой фазах, между шамотными плитами могут устанавливаться турбулизирующие пластины 22. Они выступают на несколько миллиметров относительно шамотных плит 21 и обеспечивают завихрение и перемешивание газового потока. Для расширения функциональных возможностей печи она может оснащаться парогенератором высокотемпературного пара 26, теплообменником получения горячей воды 27 и дверкой со стеклом 28 для наблюдения за огнем в камере дожига 20 и топке 7. Парогенератор 26 может быть оснащен устройством капельной или струйной подачи воды и вывода пара в парное помещение (не показаны на рисунке). Теплообменник 27 может быть выполнен из отрезка трубы, подсоединенной к баку с водой. Для уменьшения отложений сажи на стекле дверки 28 на него подается воздух из подколосниковой полости 14 по воздуховоду подачи воздуха 29 и через дозирующее отверстие 30. Дверка со стеклом 28 для повышения безопасности может быть оснащена дополнительным защитным стеклом. Дымоход 31 особенностей не имеет и используется по прямому назначению. Газовый канал 32 предназначен для канализации дымовых газов из бункера 2 непосредственно в дымоход 31 при открывании заслонки дымоудаления 33 перед дозагрузкой топлива через загрузочную дверку 6. Заслонка дымоудаления 33 может быть выполнена из плоской пластины, закрывающей отверстие в верхней стенке бункера 2. Управление заслонкой 33 осуществляется приводом 34 (например, в виде круглого стержня, приваренного к краю пластины). Для фиксации заслонки 33 в закрытом положении используется фиксатор положения 35. Фиксатор 35 может быть выполнен в виде прямоугольной пластины, закрепленной на приводе 34 и вводимым в зацепление с косоугольной пластинкой (не обозначена на рисунке) на дверке 6. При этом одновременно происходит блокировка загрузочной дверки 6, что предотвращает ее случайное открывания без предварительной вентиляции бункера 2 от дымовых газов.
Работает банная печь следующим образом. Через открытую дверцу для розжига 5 на колосник 8 укладываются лучины и мелкие дрова. Затем через загрузочную дверцу 6 осуществляется загрузка основного объема топлива (дрова, опилочные брикеты). После загрузки топлива в печь дверца 6 закрывается. Так же закрывается заслонка дымоудаления 33 путем поворота привода заслонки 34 с помощью фиксатора 35. В этом положении фиксатор 35 блокирует дверцу 6, предотвращая возможность ее случайного открывания без проветривания бункера 2. Через дверцу 5 топливо поджигается, и она закрывается. Зольный ящик 9 выдвигается так, чтобы открыть отверстие в пластине 12. Через это отверстие воздух для горения поступает через колосник 8 к топливу, а через отверстия 19 в днище 4, в воздуховод вторичного воздуха 17 и дозирующие отверстия 18 в камеру дожига 20. За счет того, что колосник 8 занимает большую часть днища бункера 2, воздух распределяется по нему сравнительно равномерно, что обеспечивает лучшее его перемешивание с продуктами разложения топлива и протекание экзотермической реакции. Однако из-за наличия периферийных низкотемпературных зон, неоднородного горения различных участков объема одновременно горящего топлива, в дымовых газах присутствует существенный процент не сгоревших пиролизных газов и частиц продуктов разложения в жидкой и твердой фазах, температура воспламенения которых ниже требуемой (необходимо более 600°С). Поэтому в камеру дожига 20 вместе с дымовыми газами подается вторичный воздух через отверстия 19 и 18. За счет ограниченного сечения камеры 20, теплоизоляции ее стенок и необходимой длины в ней происходит достаточно эффективное сжигание не сгоревших частиц. Этому способствует также размещение в камере дожига 20 турбулизирующих пластин 22, которые обеспечивают перемешивание кислорода воздуха и не сгоревших ранее частиц топлива. При этом на выходе камеры 20 могут развиваться температуры выше 1000°С, что обеспечивает достаточно эффективное сжигание поступающих в камеру 20 не сгоревших пиролизных газов и частиц топлива. Это позволяет извлекать из топлива дополнительную энергию и тем самым увеличить продолжительность работы печи. Газовый поток из камеры 20 благодаря имеющемуся в печи разрежению, увлекается вверх вдоль стенок теплообменной полости 3 к дымоходу 31, отдавая тепловую энергию ее стенкам. Одновременно газовый поток, проходя вдоль стенок парогенератора 26, теплообменника 27 и каменки 23 передает им тепловую энергию. Размещение парогенератора 26 в зоне наиболее высоких температур позволяет получать мелкодисперсный пар с более высокой температурой чем в каменке 23, поскольку камни в каменке нагреваются до меньшей температуры. Наличие двух различных устройств получения пара расширяет функциональные возможности печи для удовлетворения различных запросов потребителей. Управление интенсивностью горения топлива осуществляется зольным ящиком 9. Поскольку площадь треугольного отверстия в пластине 12 значительно меньше площади самой пластины и обеспечивается поступление воздуха только через это отверстие (за счет механической герметизации зольного ящика 9), то достигается достаточно высокая точность управления объемом поступающего в печь воздуха и следовательно генерируемой мощностью печи. Изменение площади отверстия в пластине путем смещения зольного ящика 9 позволяет в достаточно широких предела регулировать генерируемую мощность, в зависимости от режима работы печи (нагрев помещения, поддержание заданной температуры в нем). Высокая точность управления мощностью в данной печи необходима, чтобы обеспечить ее стабильную работу на длительном интервале времени. Дело в том, что в печь загружается объем топлива значительно превышающий объем горящего топлива, который находится в топке 7 между дверцей для розжига 5 и газовым окном 15. Поэтому необходимо подавать в печь ограниченный объем воздуха, обеспечивающий генерацию заданной мощности. По мере выгорания топлива, расположенного на колоснике 8, вышележащие слои топлива под действием силы тяжести опускаются вниз и горение продолжается в устойчивом режиме. Небольшие, кратковременные колебания мощности могут возникать при не равномерном опускании топлива и различной его фракционности, но это существенно не сказывается на температуре в помещении из-за большой тепловой инерции печи. В связи с тем, что объем загружаемого в печь топлива многократно превышает объем одновременно горящего топлива, время работы печи от одной закладки топлива кратно увеличивается по сравнению с прототипом и другими техническими решениями. В экспериментальном образце печи продолжительность горения составила около 10 часов.
При необходимости дозагрузки печи до полного окончания ее работы, перекрывается подача воздуха в печь путем вдвижения зольного ящика 9 в зольник 11 до упора. Затем фиксатором положения 35 заслонка дымоудаления 33 устанавливается в открытое положение. После проветривания бункера в течение одной-двух минут открывается загрузочная дверка 6 и осуществляется загрузка топлива. После загрузки топлива дверка 6 закрывается. Также закрывается заслонка дымоудаления 33 поворотом фиксатора положения 35 до фиксации на косоугольной пластине на дверке 6. В заключении процесса дозагрузки топлива зольный ящик 9 выдвигается на расстояние, в каком он находился до дозагрузки. Однако в зависимости от качества загруженного топлива (влажности, фракционности и др.) может потребоваться коррекция положения зольного ящика 9.
Таким образом, в предлагаемой конструкции банной печи, по сравнению с прототипом и другими аналогами, обеспечивается кратное увеличение продолжительности работы печи от одной закладки топлива, за счет наращивания его объема и повышения эффективности постепенного сжигания большого объема топлива. В предлагаемой банной печи повышена стабильность генерации тепловой энергии в процессе работы печи за счет повышения точности управления объемом входного воздуха и организации постепенной подачи топлива в топку. Следствием увеличения продолжительности работы печи на одной закладке топлива и стабильности генерации тепловой энергии является улучшение эксплуатационных характеристик печи, поскольку отпадает необходимость в периодической дозагрузки печи и регулировки генерируемой тепловой мощности в процессе проведения банных процедур и улучшаются возможности реализации расширенного спектра функциональных возможностей предлагаемой конструкции. Кроме того, наличие дверки со стеклом в парном помещении создает не повторимую атмосферу визуальных образов огня, что повышает эмоциональное удовольствие от проведения банных процедур.
Уровень разработки, после экспериментальной проверки работоспособности и эффективности предлагаемой конструкции, находится в стадии организации серийного производства модельного ряда банных печей с различной тепловой мощностью.