Отопительная печь длительного горения
LONG BURNING HEATING STOVE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам печного отопления на основе печей на твердом топливе и может быть использовано для создания простых систем отопления с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Известны отопительные печи с увеличенной продолжительностью горения (патент США №4230090, Европейский патент №0231424, заявка ФРГ №OS 3602285, патент РФ №2001352, 2001353, 2097660, полезная модель РФ №76702). В этих печах для повышения эффективности сжигания топлива используется принцип его газификации с последующим дожитом горючих газов. Однако такого рода печи имеют продолжительность горения, не превышающую 8-10 часов, причем на минимальной генерируемой тепловой мощности. Это обусловлено тем, что в камере сгорания все загруженное топливо находится в зоне высоких температур, поскольку его сжигание происходит снизу, одновременно при этом происходит его газификация. Причем пиролиз топлива будет тем интенсивней, чем больше производимая тепловая мощность и как следствие более высокая температура в камере сгорания. А поскольку для дожига образующихся горючих газов подается ограниченный объем воздуха (определяемого заданной тепловой мощностью), то значительная часть горючих газов, частиц в жидкой и твердой фазах из-за сравнительно низкой температуры в печи, особенно в периферийных областях и отсутствия достаточного объема кислорода не сгорают и выходят в дымоход, снижая эффективность печи. Этот фактор, а также возможность перехода в неуправляемый режим работы при большом объеме топлива, ограничивает возможность увеличения продолжительности горения указанных печей за счет увеличения камеры сгорания и объема, загружаемого в нее топлива. Кроме того, в печах известных конструкций диапазон изменения генерируемой мощности оказывается сравнительно небольшой. Это обусловлено тем, что максимальная мощность ограничивается допустимыми потерями, уносимыми горячими дымовыми газами, а минимальная мощность ограничена минимально допустимой температурой дымовых газов, при которой не образуется конденсат и резко не увеличиваются отложения сажи в дымоходе. Кроме того, указанные печи, из-за отсутствия регулировки температуры дымовых газов на мощностях больше минимальной, как правило, имеют сравнительно высокую температуру дымовых газов. Это снижает КПД печи на мощностях больше минимальной, за счет тепловых потерь через дымоход, а на небольших мощностях за счет химического недожога.
Известна отопительная печь (патент РФ №2541968 от 19.01.2015 г.), выбранная в качестве прототипа, в которой длительность горения топлива увеличена за счет реализации способа сжигания топлива сверху вниз. В этой печи воздух в камеру сгорания подается в зону горения через входной воздуховод и подвижные окна в двух вертикальных воздуховодах сверху на топливо под водитель окон. При этом сгорание топлива происходит сверху вниз. Вывод дымовых газов осуществляется через верхний и нижний патрубки дымохода. В зависимости от требуемой температуры дымовых газов с помощью заслонки в верхнем патрубке дымохода изменяется соотношения горячих и охлажденных дымовых газов. Стабилизация мощности осуществляется с помощью терморегулятора, работа которого основана на использовании изменения размера корпуса от температуры.
Недостатками известной конструкции являются сравнительно низкая эффективность и, как следствие, продолжительность горения. Это связана с тем, что практически во всем диапазоне генерируемых мощностей имеет место большой химический недожог. На небольших мощностях он обусловлен низкой температурой пиролизных газов (не достаточной для их воспламенения) и недостатком кислорода для их окисления, а на больших мощностях значительным процентом не сгоревших пиролизных газов через нижний патрубок дымохода. В указанной печи также сравнительно небольшой диапазон изменения мощности, что обусловлено небольшим диапазоном допустимых температур дымовых газов. На минимальной мощности температура дымовых газов не должна быть ниже допустимой температуры для дымохода, а на больших мощностях определяется допустимыми тепловыми потерями с дымовыми газами, которые невозможно охладить в данной конструкции, до нужных температур, вследствие ограниченной теплообменной поверхности корпуса печи. Кроме того, наличие подвижных элементов в топке снижает надежность и долговечность печи.
Технический результат состоит в повышении эффективности сжигания твердого топлива, расширении диапазона перестройки генерируемой мощности, увеличение продолжительности горения, повышении долговечности, надежности и эксплуатационной безопасности.
Технический результат достигается тем, что отопительная печь содержит корпус с загрузочной и зольной дверцами и патрубком дымохода, входной воздуховод, входную заслонку с приводом от терморегулятора, колосник, зольный ящик, заслонку управления температурой дымовых газов и внешний кожух, размещенный на корпусе с воздушным зазором, заслонку дымоудаления, теплообменную полость, включающую камеру дожига, переходящую в выходной газовый канал, разделенный перегородкой с заслонкой управления температурой дымовых газов, размещенной в патрубке и обходной газовый канал, соединенный с выходным газовым каналом по обе стороны от перегородки, а противоположными концами с переходным газовым каналом с прочисткой, при этом теплообменная полость соединяется с корпусом с воздушным зазором и сообщается с ним в нижней части через газовое окно, а в верхней части через заслонку дымоудаления, причем входной воздуховод разделен перегородкой, большая его часть подсоединятся к каналу подачи первичного воздуха, а меньшая к каналу вторичного воздуха, при этом канал вторичного воздуха сообщается с камерой дожига через отверстия в ее основании, а канал первичного воздуха проходит под зольником и сообщается с подколосниковой полостью через щель в боковой стенке зольника.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где показаны упрощенные виды печи в поперечном и продольном разрезах и обозначено: 1 - корпус печи, 2 - загрузочная дверца 3 - зольная дверца, 4 - патрубок дымохода, 5 - газовое окно, 6 - камера дожига, 7 - выходной газовый канал, 8 - перегородка, 9, 10 - обводной газовый канал с нисходящим 9 и восходящим 10 участками, 11 - переходной газовый канал, 12 - прочистка, 13 - заслонка управления температурой дымовых газов, 14 - патрубок, 15 -привод заслонки, 16 - отражатель, 17, 18, 19 - воздушный зазор, 20 - входной воздуховод, 21 - перегородка входного воздуховода, 22 - канал первичного воздуха, 23 - щель в боковой стенке зольника, 24 - канал вторичного воздуха, 25 - отверстия в камеру дожига, 26 - скобы над отверстиями, двухступенчатая заслонка, состоящая из большой 27 и малой 28 - заслонок, 29 - отверстие в большой заслонке, 30 - коромысло терморегулятора, 31 - противовес, 32 - ось коромысла, 33 - толкатель с регулировочной ручкой, 34 - привод входной заслонки, 35 - заслонка дымоудаления, 36 - привод заслонки дымоудаления, 37 - ручка управления заслонкой дымоудаления, 38 - колосник, 39 - зольник, 40 - зольный ящик, 41 - съемная крышка, 42 - кожух.
Корпус печи 1 (и другие элементы печи) выполняется из стали с необходимой толщиной стенки и жаропрочностью, обеспечивающими требуемый срок службы печи. В верхней части корпуса выполнена загрузочная 2, а в нижней части зольная 3 дверцы. Дверцы должны быть выполнены газоплотными в закрытом положении, установкой соответствующих уплотнителей. Зольная дверца 3 предназначена для обслуживания зольного ящика и для розжига топлива, находящегося на колоснике 38. Патрубок дымохода 4 используется по своему прямому назначению для вывода из печи дымовых газов и особенностей не имеет. В нижней части корпуса 1 в боковой или задней стенке (в зависимости от расположения корпуса относительно теплообменной полости) выполнено газовое окно 5, через которое дымовые газы выводятся в теплообменную полость, которая, в свою очередь, содержит камеру дожига 6, выходной газовый канал 7, с перегородкой 8, обводной канал, состоящий их нисходящей 9 и восходящей 10 частей, подсоединяемые к переходному каналу 11 с прочисткой 12. Камера дожига 6 служит для сжигания поступающих из горящего объема топлива в корпусе 1 пиролизных газов, продуктов разложения топлива и экзотермической реакции в жидкой и твердой фазах. Камера 6 устанавливается с воздушным зазором 17 относительно корпуса 1 и может быть дополнительно теплоизолирована. Для улучшения сгорания указанных компонентов к камере дожига 6 может быть установлен турбулизатор, который улучшает их перемешивание с вторичным воздухом, поступающим через отверстия 25. В выходном газовом канале 7 установлена глухая перегородка, в центре которой размещен патрубок 14 с заслонкой управления температурой дымовых газов 13, управляемой приводом 15. Площадь проходного сечения патрубка 14 выбирается не меньше площади сечения дымохода. В выходном газовом канале 7 над камерой дожига 6 установлен отражатель 16 уменьшающий сопротивление газовому потоку и предотвращающий перегрев съемной крыши 41. Обводной газовый канал, состоящий из нисходящего 9 и восходящего 10 участков, может быть выполнен из нескольких труб, круглого, квадратного или прямоугольного сечения с воздушными зазорами между соседними трубами и корпусом 1. Участки 9 и 10 сообщаются между собой через проходной газовый канал 11, который устанавливается с воздушным зазором 19. На одной из боковых стенок в канале 11 выполнена прочистка 12, в виде отверстия, закрываемого крышкой. Для повышения эффективности теплосъема в каналах 9 и 10 могут быть установлены турбулизаторы. Входной воздуховод 20 выполнен из трубы прямоугольного или квадратного сечения, площадь которого должна обеспечивать проход необходимого объема воздуха для работы печи на всех мощностях. На входном воздуховоде установлена двухступенчатая заслонка (патент РФ №2651393), состоящая из большой 27 и малой 28 заслонок. В большой заслонке выполнено отверстие 29, через которое происходит подача воздуха при закрытой большой заслонке 27 и управлении потоком воздуха с помощью малой заслонки 28. Во входном воздуховоде 20 до задней стенки корпуса 1 под днищем выполнена перегородка 21, разделяющая полость под днищем на канал (воздуховод) первичного воздуха 22 и канал вторичного воздуха 24. Первичный воздух под колосник 38 подается через щель 23, проходя по каналу 22 под зольником 39, в котором размещается зольный ящик 40. Вторичный воздух подается к камеру дожига 6 через отверстия 25, которые закрыты скобами 26, предотвращающими попадания золы в канал вторичного воздуха 24. Соотношение первичного и вторичного воздуха, подаваемого через малую заслонку 28 и отверстие 29 в воздуховоды 22 и 24 в несколько раз больше аналогичного соотношения через большую заслонку. Это позволяет поддерживать более оптимальный коэффициент избытка воздуха на различных мощностях. Терморегулятор содержит коромысло 30 с осью вращения 32, размещаемую на кожухе 42, противовес 31 и толкатель с регулировочной ручкой 33, расположенный на корпусе 1 печи, в верхней ее части. Коромысло 30 связано с входной заслонкой через привод 34. Привод 34 может быть выполнен, например, из тросика или цепочки. Заслонка дымоудаления 35 служит для удаления дымовых газов при дозагрузке топлива, управляется с помощью привода 36 и ручки управления 37, например, в виде пластинки (флажка). Съемная крышка 41 служит для получения доступа к заслонке дымоудаления и внутренним полостям теплообменной полости с целью установки и замены турбулизатора и отражателя 16, чистки внутренних поверхностей и заслонки дымоудаления. Кожух 42 предназначен для существенного ослабления теплового излучения печи и повышения ее гигиенической и пожарной безопасности. Кожух размещается с воздушным зазором относительно корпуса и теплообменной полости, таким чтобы обеспечить свободную циркуляцию, нагреваемого печью воздуха. Кожух 42 может быть выполнен, например, из металлического каркаса с теплоизолирующим покрытием и содержать декоративные элементы на наружной поверхности. Например, в качестве покрытия может быть использован фольгированный войлок из стекловолокна, обращенный отражающим покрытием в сторону корпуса. В крышке кожуха могут быть выполнены отверстия, закрываемые съемными крышками, для установки непосредственно на печь емкостей для приготовления или подогрева пищи. Для улучшения теплоотдачи печи, а также ее эстетического восприятия часть боковой стенки кожуха под крышкой и возле обводного газового канала выполнена перфорированной, в виде декоративного рисунка.
Работает предлагаемая печь следующим образом. После загрузки через загрузочную дверцу 2 топлива в печь она закрывается. Так же закрывается заслонка дымоудаления 35 путем вытягивания и поворота ручки управления 37. В этом положении пластина ручки управления 37 блокирует дверцу 2, предотвращая возможность ее случайного открывания без проветривания корпуса печи. Через дверцу 3 топливо поджигается, и она закрывается. Заслонка 27 открывается примерно на угол 10-20° с помощью регулировочной ручки толкателя 33. Воздух для горения к топливу подается через открытую входную заслонку, входной воздуховод 20, канал первичного воздуха 22, щель 23 под колосник 38. При прохождении входного воздуха по сравнительно длинным воздушным каналам (в процессе работы печи) он подогревается и поступает под колосник нагретым, что улучшает условия протекания экзотермической реакции. За счет того, что колосник 38 занимает большую часть днища, воздух распределяется по нему сравнительно равномерно, что обеспечивает лучшее его перемешивание с продуктами разложения топлива и протекание экзотермической реакции. Однако из-за наличия периферийных низко температурных 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 (более 600°С). Поэтому в камеру дожига 6 вместе с дымовыми газами подается подогретый вторичный воздух через отверстия 25. За счет ограниченного сечения камеры 6 и сравнительно большой ее длины в ней происходит достаточно эффективное сжигание не сгоревших частиц. Этому способствует также размещение в камере дожига турбулизатора, который обеспечивает перемешивание кислорода воздуха и не сгоревших ранее частиц топлива. При этом на выходе камеры 6 могут развиваться температуры выше 1000°С, что обеспечивает достаточно эффективное сжигание поступающих в камеру 6 не сгоревших пиролизных газов и частиц топлива. Газовый поток из камеры 6 отразившись от отражателя 16 направляется в выходной газовый канал 7. В зависимости от режима работы печи газовый поток направляется по различным каналам. Так при работе на небольшой мощности газовый поток направляется через патрубок 14 и открытую заслонку 13 непосредственно в дымоход через патрубок 4. В результате нагреваемая теплообменная поверхность печи оказывается минимальной и, соответственно, отдаваемая тепловая мощность печи также будет минимальной. При этом интенсивность горения топлива поддерживается минимальной. При большой интенсивности горения заслонка управления температурой дымовых газов 13 с помощью ручки 15 устанавливается в закрытое положение и дымовые газы направляются в дымоход через обводной и переходной газовые каналы 9, Л, 10. Поскольку площадь поверхности этих каналов многократно превышает площадь поверхности короткого выходного газового канала 7, то и излучаемая тепловая мощность многократно превышает минимальную (на практике это отношение может достигать более 10 раз). За счет того, что дымовые газы проходят по длинному пути, отдавая свою тепловую энергию теплообменной поверхности, то они остывают до низких температур. Тем самым обеспечивается высокий КПД печи, что важно с эксплуатационной точки зрения для отопительного прибора длительного пользования. При генерации промежуточных мощностей, когда температуры дымовых газов оказывается ниже предельно допустимой (при которой в дымоходе не образуется конденсат и отложения сажи), заслонкой 13 осуществляется регулировка соотношение горячих и остывших дымовых газов, проходящих по короткому и длинному пути и тем самым поддержание температуры дымовых газов близкой к минимально допустимой. Тем самым обеспечивается минимизация тепловых потерь, уносимых дымовыми газами, что дополнительно повышает экономичность печи. Кроме того, расширяется диапазон перестройки генерируемой мощности, что, в свою очередь повышает удобство эксплуатации печи в различные периоды отопительного сезона. После розжига печи и ее нагрева, за счет теплового расширения увеличиваются размеры корпуса, относительно кожуха и толкатель 33 поворачивает коромысло 30 на оси 32, при этом через привод 34 прикрывается входная заслонка 27. А при остывании корпуса толкатель 33 смещается вниз, коромысло 30 под действем противовеса 31 поворачивается и через привод приоткрывает входную заслонку 27. При необходимости изменения генерируемой мощности регулировочной ручкой толкателя 33 изменяется угол открытия заслонки 27. На небольшой мощности большая заслонка 27, как правило, закрывается полностью, а маленькая 28 остается приоткрытой на несколько миллиметров. На большой мощности большая заслонка 27 может быть открыта на небольшой угол, а малая 28 открыта полностью. В дальнейшем управление заслонками происходит автоматически от терморегулятора. Топливо в печи горит в основном только в слое ниже уровня выходного газового окна 5, поэтому по мере его выгорания вышележащие слои опускаются на место сгоревшего и так последовательно происходит горение всего, загруженного в печь топлива. При таком режиме сжигания не всего, а ограниченного объема топлива, обеспечивается, в основном, оптимальный коэффициент избытка воздуха и, следовательно, наиболее эффективное его сжигание, а дожигание пиролизных газов и других летучих компонентов топлива в высокотемпературной зоне камеры дожига 6 минимизирует процент химического недожога. Для оптимизации величины коэффициента избытка воздуха в различных режимах работы печи в ней обеспечивается изменение соотношения первичного и вторичного воздуха в зависимости от генерируемой мощности, что дополнительно снижает тепловые потери в процессе ее работы. В целом за счет последовательного более эффективного сжигания сравнительно большого объема топлива достигается существенное увеличение продолжительности горения (в опытных образцах оно достигает нескольких десятков часов).
При дозагрузке топливом работающей печи сначала закрывается входные заслонки 27, 28, открывается заслонка управления температурой дымовых газов 13, производится проветривание корпуса печи путем открывания заслонки дымоудаления 35 поворотом флажка 37 привода 36. После этого открывается загрузочная дверца 2 и топливо загружается в печь. Затем загрузочная дверца 2 закрывается, закрывается заслонка дымоудаления 35 и флажком 37 осуществляется взаимная блокировка закрытых заслонки дымоудаления 35 и загрузочной дверцы 2, а заслонка 13 и входная двухступенчатая заслонка устанавливаются в прежнее положение. Тем самым предотвращается попадание дымовых газов в помещение и обеспечивается эксплуатационная безопасность печи. Пожарная безопасность обеспечивается использованием кожуха, который исключает воздействие теплового излучения на окружающие предметы (нагрев воздуха в помещении осуществляется конвективным нагревом от теплообменных поверхностей печи).
Таким образом, в предлагаемой конструкции печи, по сравнению с прототипом и другими аналогами, обеспечивается повышение эффективности сжигания твердого топлива за счет постепенного сжигания большого объема топлива с близким к оптимальному коэффициентом избытка воздуха, дожигания пиролизных газов и возможности поддержания температуры дымовых газов на предельно низких значениях. Следствием высокой эффективности сжигания твердого топлива является большая продолжительность горения, которая в несколько раз превышает этот показатель у аналогов. Возможность изменения в широких пределах эффективной теплообменной поверхности обеспечивает существенное расширение диапазона изменения генерируемой мощности, при сохранении достаточно высокой эффективности сжигания топлива. Сравнительно большая теплообменная поверхность печи позволяет снизить среднюю температуру нагрева корпуса и теплообменной полости и тем самым обеспечить более длительный срок эксплуатации печи и в целом повысить ее надежность, в том числе из-за отсутствия подвижных элементов в зоне высоких температур.
Уровень разработки находится в стадии организации серийного производства модельного ряда печей длительного горения с различной тепловой мощностью.