МНОГОТОПЛИВНАЯ ПЕЧЬ
MULTIFUEL OVEN

Изобретение относится к отоплению, а именно к бытовым печам, питание которых не ограничивается твердым топливом, в частности к многотопливным печам, использующим жидкое, твердое и газообразное топливо, в том числе к сборно-разборным, окопным, предназначенным для обогрева личного состава любым видам топлива.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение из патента RU 2475678, представляющее собой печь обогревательную многотопливную, которая содержит осесимметричный корпус, образующий камеру сгорания, конструкция которой предусматривает создание естественной тяги, подвижный поршень, расположенный в камере сгорания, средства подачи топлива. Подвижный регулирующий поршень делит камеру сгорания на надпоршневой и подпоршневой объем и приводится в движение внешним воздействием, внутри камеры сгорания расположен осесимметричный распылитель, в конструкции камеры сгорания предусмотрены штатные места расположения средств подачи/закладки газообразного, жидкого и твердого топлива.
Однако в данной конструкции модуль работы на жидком топливе выполнен несъемным, что приводит к ограниченности формы и количества загружаемого твердого топлива и способа закладки и невозможности использовать жидкостной модуль на другом корпусе или другой печи при разрушении или повреждении штатного корпуса. Кроме того, неразборная конструкция, используемая в данном решении, не позволяет использовать максимальный объем транспортных средств при доставке и не позволяет осуществлять доставку методом десантирования. В решении также отсутствует дымосборник, выполняющий роль искрогасителя.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании универсальной печи с высокими эксплуатационными характеристиками и широкими функциональными возможностями.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей полевых печей и бытовых отопительных печей, в том числе за счет повышения мобильности благодаря возможности доставки любым транспортом, включая выброску с вертолета, простоте приведения из походного положения в рабочее, универсальности жидкостной горелки, способной работать под избыточным давлением воздуха от внешнего источника (наддув), что дает возможность использовать ее в полевых ремонтных бригадах, в кузне или для прогрева объемных деталей перед сваркой, безопасности эксплуатации в том числе в брезентовых палатках и бревенчатых настилах, повышению универсальности в выборе топлива благодаря возможности работы печи на жидком, твердом и газообразном топливе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что многотопливная печь выполнена сборно-разборной и содержит дымосборник и корпус, а также поршень, размещаемый в верхней части корпуса с возможностью движения вдоль вертикальной оси корпуса, и горелку с чашей испарителя, размещаемые в нижней части корпуса, при этом горелка с чашей испарителя выполнена съемной с образованием места для закладки твердого топлива.
Поршень может содержать воздухозаборную трубу с регулятором подачи воздуха.
Поршень может содержать основание, на одной стороне которого расположены распределительные каналы, соединенные с воздухозаборной трубой, а на другой стороне основания расположены фокусирующие каналы, соединенные с распределительными каналами и снабженные отверстиями, выведенными в зону горения.
Горелка может содержать по крайней мере одну воздуховодную трубу и по крайней мере одно воздухозаборное отверстие, причем один конец воздуховодной трубы соединен с воздухозаборным отверстием, а второй конец воздуховодной трубы выведен в зону горения.
Чаша испарителя горелки может быть снабжена регулировочным отверстием.
Многотопливная печь может содержать тепловые экраны.
Чаша испарителя может быть снабжена штуцером для подачи жидкого топлива и соплом для подачи газа.
Многотопливность достигается за счет двух модулей: поршня с жароходами для твердого топлива и горелки для жидкого топлива.
Благодаря съемной горелке обеспечивается работа на дизельном топливе, авиационном керосине и отработанном масле.
Поршень с фокусирующими и распределительными каналами предназначен для повышения степени разогрева зоны горения с целью повышения эффективности печи и сокращения удельного расхода топлива за счет предварительного нагрева балластных газов. Данная конструкция обеспечивает повышение КПД печи за счет разогрева до высоких температур не только кислорода, но и балластных газов, являющихся «охладителем» для зоны горения. Увеличение диапазона регулировок мощности достигается за счет смещения нижней границы минимально возможной мощности печи. Идеальным вариантом является возможность регулировки мощности печи от ноля до максимума, однако в реальности это не достижимо. Например, для печи мощностью 10 кВт реальная минимальная мощность составляет около 4 кВт. Если попробовать уменьшить мощность, печь погаснет, так как температура в камере сгорания станет меньше минимально допустимой для поддержания горения. Использование поршня с каналами позволяет растянуть диапазон по нижней границе мощности, т.е., например, для печи мощностью 10 кВт регулировка будет возможна не от 4 кВт до 10 кВт, а от 2,5 кВт до 10 кВт без опасения затухания пламени.
Возможность устанавливать жидкостной теплообменник в зону горения без опасения потерять нижний предел минимальных нагрузок по причине «просадки» зоны горения обеспечивается благодаря появлению мощного источника теплоотбора. Т.е. благодаря применению системы прогрева входящего воздуха в зоне горения появляется количественный запас теплоты, который позволяет ввести в зону горения жидкостной теплообменник без боязни переохладить зону до критических значений, после чего КПД резко падает или же вовсе происходит остановка печи, т.к. жидкостной теплообменник является для зоны горения мощным источником теплоотбора.
Избавление от недожога топлива при малых и средних нагрузках вследствие падения температуры в зоне горения обеспечивает избавление от вредных отложений в дымоходе, мешающих качественному теплообмену.
Горелка является универсальной и также предназначена для расширения функциональных возможностей полевых печей и бытовых отопительных печей, работающих от естественной тяги, за счет увеличения количества используемых видов топлива: отработанного масла, дизельного топлива, керосина, газа. В случае необходимости может использоваться в полевых ремонтных мастерских в качестве горна, для разогрева деталей и приспособлений. Горелка обеспечивает повышение КПД печи за счет предварительного разогрева до высоких температур не только кислорода, но и балластных газов, являющихся «охладителем» для зоны горения. Благодаря использованию данной горелки происходит увеличение диапазона регулировок мощности за счет смещения нижней границы минимальной мощности. Появляется также возможность устанавливать жидкостной теплообменник в зону горения без опасения потерять нижний предел минимальных нагрузок по причине «просадки» жаровой зоны из-за появления мощного источника теплоотбора. Горелка также обеспечивает избавление от недожога топлива при малых и средних нагрузках вследствие падения температуры в зоне горения, что обеспечивает избавление от вредных отложений, мешающих качественному теплообмену.
Заявляемая многотопливная печь подходит для использования отопителей в закрытых помещениях, где нежелательно или опасно применение печей с классическим воздухозабором. Кроме того, заявляемое устройство характеризуется отсутствием открытого пламени, возможностью использования в автономном режиме, работы как с воздушным охлаждением, так и с водяным контуром, бесшумной работой, простотой кинематики органов контроля и управления в случае автоматизации процессов, надежностью, удобством и простотой обслуживания, а также возможностью применения наддува для увеличения «огневой плотности» при использовании в качестве мощного средства для нагрева больших деталей, в кузнечном цеху или в полевых ремонтных мастерских.
За счет наличия дымосборника, выполняющего роль пламя/искрогасителя, дополнительно повышается безопасность эксплуатации в брезентовых палатках и бревенчатых настилах.
Кроме того, заявляемая печь обеспечивает безопасную остановку при непредвиденном прекращении горения в отличие от печей «капельного» и «форсуночного» типа, безопасное автоматическое прекращение горения благодаря конструктивной особенности печи при резком вскипании топлива при случайном попадании/обнаружении посторонних не свойственных примесей, например воды.
Обеспечивается также возможность дистанционного забора воздуха, например, для бань, саун, сушилок, малярных мастерских.
Наилучший вариант реализации заявляемого изобретения показан на фигурах 1-21, на которых изображены:
Фиг. 1 - общий вид печи;
Фиг. 2 - вид печи без корпусных листов для работы на жидком или газообразном топливе;
Фиг. 3 - вид печи без корпусных листов для работы на твердом топливе с поднятым поршнем;
Фиг. 4 - вид печи без корпусных листов для работы на твердом топливе с опущенным поршнем;
Фиг. 5 - общий вид поршня;
Фиг. 6 - вид поршня снизу;
Фиг. 7 - вид поршня сбоку в разрезе;
Фиг. 8 - комбинированный поршень с жидкостным теплообменником;
Фиг. 9 - общий вид горелки в корпусе;
Фиг. 10 - горелка без чаши в разрезе;
Фиг. 11 - горелка с чашей испарителя;
Фиг. 12 - горелка с чашей испарителя в разрезе;
Фиг. 13 - горелка при розжиге;
Фиг. 14 - горелка в работе;
Фиг. 15 - остановка работы горелки;
Фиг. 16 - общий вид устройства с тепловыми экранами;
Фиг. 17 - общий вид устройства с тепловыми экранами в раскрытом положении;
Фиг. 18 - вид устройства сверху с тепловыми экранами в закрытом положении;
Фиг. 19 - вид устройства сверху с тепловыми экранами в раскрытом положении;
Фиг. 20 - общий вид дымосборника;
Фиг. 21 - поперечный разрез дымосборника.
На фиг.1-21 позициями 1-24 показаны:
1 - корпус;
2 - дымосборник;
3 - поршень;
4 - люк розжига твердого топлива;
5 - смотровой люк;
6 - горелка;
7 - воздуховодная труба;
8 - чаша испарителя;
9 - штуцер;
10 - пластина-заглушка;
11 - воздухозаборная труба;
12 - регулятор подачи воздуха;
13 - основание;
14 - распределительный канал;
15 - фокусирующий канал;
16 - воздухозаборное отверстие;
17 - крепление чаши испарителя;
18 - отверстие для заправки топливом;
19 - регулировочное отверстие;
20 - сопло подачи газа;
21 - зона «А»;
22 - смеситель, соответствующий зоне «Б»;
23 - зона «В»;
24 - тепловой экран.
Многотопливная печь содержит корпус 1, дымосборник 2, поршень 3. Корпус 1 снабжен каркасом, ножками, корпусными листами, люком 4 розжига твердого топлива и смотровым люком 5. В корпусе 1 расположена горелка 6, которая содержит воздуховодные трубы 7 и чашу испарителя 8 со штуцером 9. Печь комплектуется пластиной-заглушкой 10 при использовании твердого топлива. Поршень 3 содержит воздухозаборную трубу 11 с регулятором 12 подачи воздуха в данном случае в виде заслонки-регулятора, основание 13, распределительные каналы 14 и фокусирующие каналы 15. Регулятор 12 подачи воздуха может быть выполнен в виде шибера, дросселя, клапана осевого перемещения или клапана углового перемещения.
Смонтированные на основании 13 распределительные каналы 14 и фокусирующие каналы 15 образуют две линии подачи: распределительную и фокусирующую, что обеспечивает дробление потока входного воздуха, его разогрев и фокусировку в зоне горения. На фиг. 7 стрелками показано направление движения воздуха.
Каналы 14-15 подвода воздуха могут иметь спиралевидную форму (фиг. 8), концентрическую форму. Каналы 14-15 также могут иметь любую форму, например распределительные - спиралевидную, а фокусирующие - прямую, и наоборот. Основание 13 и/или распределительные 14 и/или фокусирующие 15 каналы поршня 3 могут иметь водяную рубашку охлаждения.
Горелка 6 содержит осесимметричный корпус, в котором смонтированы по меньшей мере одна воздуховодная труба 7, например, имеющая форму колена, смеситель 22 и чаша испарителя 8, являющаяся модулем хранения и/или подачи топлива, которые все вместе образуют своими телами соответствующие три камеры: камеру первичной подачи кислорода (зона «А» 21), камеру вторичной подачи кислорода (зона «Б» 22) и камеру сгорания (зона «В» 23). Горелка 6 также снабжена воздухозаборными отверстиями 16, с которыми соединены одни из концов воздуховодных труб 7, другие концы которых выведены в зону горения для подачи воздуха в смеситель 22 (зона «Б»). Чаша испарителя 8 снабжена штуцером 9, креплением 17 к горелке 6, отверстием 18 для заправки жидким топливом, регулировочным отверстием 19 и соплом 20 подачи газа, выполняющим функцию штуцера слива топлива при избыточном уровне.
Количество воздуховодных труб 7 определяется потребностями пользователя, конкретной конфигурацией печи и геометрией камеры сгорания.
Воздуховодные трубы 7 могут иметь спиралевидную форму, рубашку охлаждения. Воздухозаборные отверстия 16 могут быть объединены общим патрубком в целях подключения наддува.
Чаша испарителя 8 в качестве модуля хранения и/или подачи топлива может быть выполнена только для жидкого вида топлива, только для газообразного вида топлива или комбинированной для жидкого и газообразного вида топлива. Чаша испарителя 8 может быть оборудована поплавковым механизмом, краном аварийной остановки подачи топлива, средством автоматического пуска.
Корпус 1 закрывают съемные тепловые экраны 24, предназначенные для защиты рядом находящихся деревянных конструкций или обмундирования от прямого теплового излучения, создания конвекционного потока воздуха у поверхности разогретых корпусных деталей для увеличения степени теплоотбора, размещения на тыльных сторонах экранов солдатских котелков с целью кипячения воды или разогрева пищи, создания заданного сектора лучевого тепла путем раскрытия экранов на требуемый угол.
Устройство работает следующим образом.
На жидком топливе (фиг. 2).
Регулятор 12 подачи воздуха закрывают. Патрубок дымосборника 2 подсоединяют к дымоходу. К штуцеру 9, выполняющему функцию регулировочной рукоятки горелки 6, подают топливо. В качестве топлива может быть использовано отработанное масло, дизельное топливо, керосин. Благодаря наличию тяги в дымоходе воздух попадает внутрь печи исключительно через воздуховодные трубы 7 и, получая порцию испарившегося топлива в чаше испарителя 8, попадает в смеситель 22, где и происходит процесс сгорания.
Регулировка степени нагрева печи обеспечивается поворотом рукоятки штуцера 9 относительно корпуса 1 влево-вправо.
При этом горелка 6 функционирует следующим образом. Для работы на жидком топливе чашу испарителя 8 заполняют топливом через отверстие 18, соединенное со штуцером 9. Зоны «А» 21, «Б» 22 и «В» 23 имеют одинаковую температуру с окружающей средой и продуваются воздухом, поступающим через входные воздухозаборные отверстия 16 в воздуховодные трубы 7. Весь воздух, прошедший через воздуховодные трубы 7, делится перед чашей испарителя 8 на две части. Первая часть попадает в чашу испарителя 8 в зону «А» 21 через регулировочное отверстие 19 и обеспечивает первый контур подачи кислорода. Вторая часть попадает через многочисленные отверстия смесителя 22 в зону «Б» и обеспечивает второй контур подачи кислорода. Воздух, вышедший из зоны «А» 21, смешивается с воздухом в зоне «Б» 22 и попадает в камеру сгорания - зона «В» 23. Далее воздух, благодаря наличию тяги, удаляется в дымоход через дымосборник 2.
Дымосборник 2 предназначен для упорядочивания продуктов сгорания и отвода к дымовой трубе, гашения непрогоревших частиц топлива в виде искр, использования в качестве дополнительного теплообменника на этапе отвода рабочих газов. На фиг.21 показан дымосборник 2 в разрезе без крышек, где стрелками указано направление движения дымовых газов. Отработанные газы из камеры сгорания не могут напрямую попасть в дымоход. Проходя по дымосборнику 2, газы несколько раз меняют свое направление и скорость, благодаря чему резко теряют заряд своей тепловой энергии, отдавая его через корпус 1 в окружающее пространство и гася непрогоревшие частицы топлива, появляющиеся в виде искр.
После розжига поверхности топлива в зоне «А» 21 температура и степень испарения топлива растет, и по достижении определенной величины количество паров, попавших в смеситель 22 (зона «Б»), становится избыточным. Поворотом чаши испарителя 8 за штуцер 9 частично перекрывают регулировочное отверстие 19, что приводит в норму соотношение паров топлива и кислорода в смесителе 22 (зона «Б»), и, как результат, в зоне «В» 23 происходит полноценное горение. После разогрева и выхода на рабочий режим для поддержания полноценного сгорания рабочей смеси дальнейшая регулировка производится таким же образом - поворотом чаши испарителя 8, которая изменяет сечение регулировочного отверстия 19. Качество горения проверяется по цвету пламени, через смотровой люк 5 в камере сгорания.
Остановка работы горелки 6 производится окончательным поворотом чаши испарителя 8 до полного перекрытия регулировочного отверстия 19.
На твердом топливе (фиг. 3-4).
Горелку 6 удаляют из камеры печи и на ее место устанавливают пластину-заглушку 10. Регулятор 12 подачи воздуха полностью открывают, обеспечивая доступ кислорода в пространство под поршнем 3. При отсутствии пластины-заглушки 10 топливо выпадет или будет подсос воздуха в камеру сгорания, минуя регулятор 12 подачи воздуха.
По мере выгорания топлива поршень 3 постепенно опускается на самое дно камеры печи (фиг. 4). Для последующего запуска достаточно вынуть поршень 3, предварительно сняв крышки и произвести новую закладку топлива. Розжиг осуществляют через люк 4 (фиг. 1).
Воздух, благодаря разряжению в камере сгорания от дымохода, всасывается через регулятор 12 подачи воздуха и далее по воздухозаборной трубе 11 попадает в распределительные каналы 14, которые дробят воздух на несколько направлений, в результате чего резко увеличивается площадь теплообмена, сильно снижается скорость прохождения кислорода и балластных газов от входного отверстия до зоны горения. В результате увеличения длины пути входящего воздуха и увеличения площади теплового обмена резко увеличивается степень разогрева воздуха, прежде чем он попадает в зону горения.
Таким образом из фокусирующих каналов 15 выходит уже разогретый воздух, что максимально благоприятно сказывается на повышении энергонагруженности зоны горения при том же топливе и при тех же внешних условиях. Данная процедура позволяет увеличить коэффициент использования теплоты топлива, особенно на пределах низшей теплоты сгорания.
3
3
H
Теплота сгорания является наиболее важной основной технической характеристикой топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Высшей теплотой сгорания Qв называют количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг твердого (жидкого) или 1 м газообразного топлива. Низшая теплота сгорания Qн отличается от высшей на теплоту испарения влаги топлива и влаги, образующейся при горении водорода. Чем больше влажность топлива, тем меньше будет величина Q. Низшая теплота сгорания рабочей массы определяется как результат разности высшей теплоты сгорания горючих элементов топлива и теплоты, затраченной на испарение всей влаги. Размерность теплоты сгорания Q выражается в кДж/кг или кДж/м. Иными словами, если топливо обводненное, то количество теплоты, суммарно выделяемое печью, будет меньше, т.к. часть энергии топлива уйдет на испарение влаги из топлива. Именно поэтому усиление тепловой плотности в зоне горения за счет каналов 14-15 позволяет избежать понижения температур в зоне горения. Таким образом, использование каналов позволяет увеличить коэффициент использования теплоты топлива, особенно при обводнении топлива, которое изменяет точку низшей теплоты сгорания.
На газообразном топливе.
Работа печи на газообразном топливе аналогично работе на жидком топливе. Газообразное топливо подводят через сопло 20 подачи газа в зону горения. Розжиг и регулировку проводят также аналогично. Остановку печи производят перекрытием подачи газа.
Приведенные примеры являются частными случаями и не исчерпывают всех возможных реализаций заявляемого изобретения.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации заявляемого устройства не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения.