УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПЕЧЬ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ
UNIVERSAL AIR HEATING FURNACE

Изобретение относится к отопительным устройствам, в частности к металлическим пламенным печам на твердом, жидком и газообразном топливе, предназначенных для воздушного отопления жилых и нежилых помещений, например гаражей, мастерских, ангаров, сараев и т.п., для приготовления пищи и сушки пищевых и непищевых продуктов, содержащих малогабаритные, преимущественно металлические печи различной конструкции.
Универсальная печь воздушного отопления представляет собой компактную, малогабаритную модульную конструкцию с высокой теплоотдачей, включающую к ней два и более малогабаритных цилиндрических металлических нагревателей, один из которых выполнен пустотелым с впускным воздушным патрубком, а второй заполняется жидким или газообразным топливом, причем последние соединены между собой посредством перфорируемого дымового патрубка с отверстиями в его боковой стенке, верхний дымовой изогнутый металлический патрубок соединен в верхней части корпуса боковой стенки короткого дымового патрубка над топливником. Все это в целом, позволяет интенсифицировать конвективный поток воздуха вдоль наружной поверхности дымовых патрубком и малогабаритных нагревателей. Все два осевых дымовых патрубков, соединяющих малогабаритные нагреватели, выполнены эксцентриситетом при сборке печи, и быстро нагреваюпечь в помещение.
Из уровня техники известна система отопления, содержащая источник тепла с камерой сгорания и газоходом, соединенным с дымовой трубой, снабженным теплообменником в виде трубчатого кожуха, установленного коаксиально на газоходе с образованием воздушных каналов с входным и выходным окнами, с патрубком забора наружного воздуха, соединенным с входным окном, расположенным в нижней части теплообменника, при этом патрубок забора наружного воздуха соединен с неотапливаемым помещением, преимущественно с подвалом, выходное окно снабжено заслонкой, расположено в верхней части темплообменника и сообщено с установленным помещением (Патент RU №2097661, F24B 7/02 от 27.11.1997).
Однако к недостаткам печи относится недостаточная скорость разогрева печи, а значит, ограниченные функциональные возможности печи, т.е. необходимость вывода вне отапливаемого помещения патрубка для поступления холодного «уличного» воздуха, забираемой из подпола. Кроме того, система отопления работает только на одном твердом топливе с большим расходом топлива, и как следствие -неудовлетворительность потребителя.
Известна печь - каменка, которая представляет собой топочную камеру, на торец которой для увеличения поточного пространства посажен замкнутый пустотелый бак квадратной, круглой или иной формы, при этом во внутреннюю полость бака вставляется реторта - каменка в виде пустотелого многозаходного шнека, торец которого посажен верхней крышкой на бак, замыкая тем самым топочное пространство, при этом огонь и горячий дым поднимаются по малому шнеку, образуя с внутренней поверхностью бака -экрана (при заполнении водой) длинный полнооборотный многозаходный огнедымооборот (Патент RU, №2490553, F24B 7/00 от 20.08.2013).
Известная печь-каменка имеет ряд недостатков, главный из которых заключается в зависимости от режима топки получать влажный пар для русской бани или сухой для сауны, а значит, недостаточные потребительские свойства описанного устройства обусловлены тем, что часть вырабатываемой тепловой энергии затрачивается на подогрев поступающего в топку воздуха, что снижает КПД известного устройства, в результате чего используется большое количество одного твердого топлива, и как следствие - неудовлетворительность потребителя. Кроме того, не использует достаточно удаляемых топочных газов, содержащих большое количество теплоты, чем удаляемый теплый воздух и вследствие этого также имеет низкий к.п.д.
Из уровня техники известна металлическая печь, которая состоит из топливника, ось которого направлена горизонтально в продольном направлении, колосниковой решетки, размещенной между топливником и зольником, топливной дверцы, через которую поступает первичный воздух для сгорания топлива, зольника с поворотной герметичной дверцей для удаления золы, дымовой трубы, внешнего дымоходного канала в виде большого количества горизонтальных теплоотводящих труб для последовательного отвода горячих дымовых газов из топливника к коллектору и затем к дымовой трубе, причем указанные трубы для обеспечения конвективной теплоотдачи расположены полностью вне топливника параллельно его продольной оси на достаточном расстоянии от внешней поверхности топливника и друг от друга. Данные трубы имеют круглое поперечное сечение, их впускные концы присоединены к топливнику рядом с топливной дверцей, а их выпускные концы присоединены к дымовому коллектору как можно далее от впускных концов этих труб. Дымовой коллектор расположен сразу за тыльной стенкой топливника и конструктивно соединен с ним и зольником в горизонтальном направлении (Патент US №4,827,900, А, от 09.05.1989).
К недостаткам печи относятся: расположение эпицентра горения топлива рядом с топливной дверцей, обусловлено поступлением в топливник практически всего потока первичного воздуха через топливную дверцу, который после нагрева сразу же поднимается вверх и кратчайшим путем направляется к впускным концам дымоходных (теплоотдающих) труб, расположенных непосредственно перед топливной дверцей. При этом в устье этих труб благодаря дымоходной тяге значение атмосферного давление всегда является наименьшим, вследствие чего происходит перегрев и коробление дверцы и стенок топливника, а также существует повышенная вероятность выброса пламени и дымовых газов в отапливаемое помещение через заслонку впуска воздуха в топливной дверце. Кроме того, сложность конструкции и эксплуатационного надзора за устройством, особенно наличие трудностей, связанных с предотвращением зарастания дымоходов, обусловленных их большим количеством, сложным профилем и малым диаметром, а также значительные габариты печи, связанные с наличием большого количества внешних теплоотдающих дымоходных труб.
Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков является печь, состоящая из топливника с топливной дверцей, колосниковой решетки, размещенной между топливником и зольником, зольника, дымовой трубы, внешнего дымоходного канала для отвода горячих дымовых газов из топливника к дымовой трубе, который расположен сверху над топливником, при этом зольник оборудован подвижной регулирующей заслонкой, дымоходный канал соединен с топливником с помощью патрубка, расположенного с тыльной части топливника, и выполнен многооборотным, при этом его сечение имеет форму четырехугольника, высота сечения дымоходного канала в 2-20 раз превышает его ширину, а объем составляет 0,1-1,5 объема топливника, при этом дымоходный канал образовывает трехстенное, открытое сверху и с одной стороны, коробчатое вместилище, вход дымоходного канала размещен на противоположной стороне от топливника, а между топливником и дымоходным каналом с трех сторон выполнены прорези для поступления воздуха (Патент RU, №2319077, F24B 7/00 от 10.03.2008).
К главным недостаткам прототипа следует отнести:
- сложность монтажа печи и использование только одного вида твердого топлива, а значит ограниченные функциональные возможности печи (невозможность использования жидкого или газообразного топлива одновременно с твердым топливом при протапливании из-за его конструктивного решения);
- для повышения теплоотдачи печи способствует определенная избранная форма сечения дымоходного канала непосредственно в самом топливнике с заданным соотношением между высотой и шириной, а также соотношением между объемом дымоходного канала и топливника, когда габариты и объем его значительны; требует дополнительно технологических отверстий с горизонтальными лючками в процессе эксплуатации печи;
- требует дополнительных наличие внутренних искривленных перегородок в дымоходном канале для усиления теплоотдачи от дымовых газов к стенкам дымоходного канала для того, чтобы уменьшить неравномерность температурного поля в нем за счет многоразового изменения направления движения потока дымовых газов, но существенно не влияет на эффективность использования конвективной составляющей теплового потока при использовании в случае нескольких одновременно видов топлива для обогрева помещения.
Задачей предложенного изобретения является создание печи конструктивного видоизменения в целом и усовершенствования других ее узлов, лишенной указанных недостатков прототипа для отапливаемого помещения, где имеется возможность для заданного отапливаемого помещения оптимально расположить топливник и дополнительно два малогабаритных, соединенных между собой и с топливником, при малом расходе твердого топлива и малых цилиндрических нагревателей, одного пустотелого не менее двух, а другого на жидком или газообразном топливе в условиях естественной конвекции нагреваемого воздуха с помощью дополнительных малогабаритных нагревателей печи, преимущественно металлических разной конструкции и быстро нагреть печь. Кроме того, с высокой и гибкорегулируемой теплоотдачей при использовании одновременно различного топлива при горении топлива, удобство и простой эксплуатации, т.е. к.п.д. и экономия топлива повышается по времени в разы.
В целом это улучшает удобство монтажа и эксплуатации, доступной по цене для отопления гаражей, мастерских, ангаров, сараев и т.п.
Поставленная задача решается путем создания универсальной печи воздушного отопления, которая состоит из топливника с топливной дверцей, колосниковой решетки, размещенной между топливником и зольником, дымовой трубы, которая расположена сверху над топливником, зольник оборудован подвижной регулирующей заслонкой, дымоходный канал, соединен с помощью патрубка и прорези для поступления воздуха, согласно изобретения, к крышке топливника сверху приварен короткий дымовой патрубок который позволяет эксплуатировать дополнительно топочное модульное устройство через отводящий дымовой изогнутый вниз патрубок, к которому присоединены два малых связанных между собой цилиндрических металлических нагревателей, которые позволяют эксплуатировать в режиме дополнительно теплоагрегатора как газогенератор в активном режиме горения жидкого или газообразного топлива (топливо может сгорать с замедленной теплоотдачей, длительным периодом), так и в активном режиме горения (топливо сгорает с высокой теплоотдачей), горизонтальная трубка проходит снизу под крышкой через среднюю часть пустотелого цилиндрического нагревателя, создавая в пустотелом нагревателе дымовой канал, стенки пустотелого канала и трубки, которых получают теплоотдачу с выходом нагретого воздуха в отапливаемое помещение, кроме того, к наружным стенкам горизонтальной трубки внутри пустотелого нагревателя приварены радиальные ответвления разной длины в виде прямолинейных (ступенчатых) перпендикулярно установленных трубок малого размера под прямым углом в направлении боковых внутренних стенок пустотелого нагревателя, причем концы горизонтальной трубки приварены к боковым стенкам пустотелого нагревателя с целью устранения выхода дымового газа из дымового канала в полости пустотелого нагревателя снабженного по диаметру его с горизонтальной трубки с радиальными ответвлениями малых размеров трубок, при этом выходные отверстия концов прямолинейной трубки с двух сторон снаружи снабжают поворотными заслонками, ось вращения которых прикреплена к стенкам отверстия трубки, при этом пустотелый цилиндрический нагреватель соединен с помощью перфорированного с отверстиями дымового патрубка с малым цилиндрическим нагревателем, заполняемым жидким или газообразным топливом и, крышка которого сверху имеет входное отверстие с регулирующей плоской заслонкой для безопасности эксплуатации и поступления регулируемого воздуха из отапливаемого помещения.
Кроме того, выходной конец дымового изогнутого патрубка над верхней крышкой пустотелого нагревателя размещен со смещением ближе к одной из сторон боковой стенке нагревателя, а входной конец дымового перфорированного с отверстиями патрубка, под крышкой пустотелого нагревателя, соответственно, смещен к противоположной боковой стенке его, относительно центральной вертикальной оси нагревателя.
Предпочтительно выполнение дополнительного теплообменника в виде воздушной горизонтальной трубки, к которой приварены радиальные ответвления разной длины в виде ступенчатых перпендикулярно установленных трубок малого диаметра внутри пустотелого цилиндрического нагревателя и сами элементы меньше высоты внутри пустотелого нагревателя, выполняют роль теплообменника внутри дымохода (газохода), охватывающего весь пустотелый нагреватель. Кроме того, эти элементы внутри устройства смонтированы так, что могут иметь воздушные каналы, а стенки их полностью нагреваются то, что отсутствует в известных решений. В результате этого увеличивается интенсивность использования конвективной составляющей теплового потока печи. А, значит, повышается эффективность теплоотдачи от горячей поверхности самой горизонтальной поверхности трубки внутри и снаружи пустотелого нагревателя и поверхности проточного пространства в самой горизонтальной трубке к нагреваемому воздуху, поступающему в отапливаемое помещение. Кроме того, выходя из пустотелого нагревателя вверх, горячий дым поступает в приваренный короткий патрубок в крышке топливника, что повышает тягу в самом топочном модульном устройстве как газогенератор в активном режиме горения.
Кроме того, на концах горизонтальной трубки имеются поворотные заслонки, закрепленные на осях вращения, которые позволяют регулировать выход горячего воздуха в ту или иную сторону помещения или, наоборот, уменьшит выход горячего воздуха (смягчить) и снизить интенсивность нагретого воздуха на прямую в отапливаемое помещение (что-то в виде духовки с дверцей). Кроме того, дымовой газ, выходя вверх через дымовой перфорированный с отверстиями, дополнительно подсасывает воздух из отапливаемого помещения, что позволяет дополнительно обеспечить активное горение продукта из жидкого или газообразного топлива в эксплуатационном режиме с заполняемым нижним малым нагревателем, крышка которого сверху снабжена входным отверстием с регулирующей плоской заслонкой для безопасности эксплуатации и поступления регулируемого воздуха для горения. Например, жидкого топлива, в виде мазута или отработанного масла из двигателя внутреннего сгорания автотранспорта или тракторной техники.
В отличие, от прототипа предлагаемое устройство позволяет раздельно или вместе работу топливника и подключенных к нему через короткий сверху над крышкой дымовой патрубок. В результате этого использование дополнительного устройства для обогрева помещения расширяет дополнительно возможность использовать их для широкого круга нужд, в т.ч. для приготовления пищи, сушки пищевых и непищевых продуктов воздушного отопления помещения и т.п. Кроме того, регулирующая горизонтальная крышка на заполняемом малом нагревателе позволяет увеличить или уменьшить поступление воздуха из отапливаемого помещения для горения топлива.
Следует важно отметить то, что необходимым условием для интенсивного использования конвективной составляющей теплового потока пустотелого малого нагревателя, является необходимость смещения входного отверстия дымового перфорированного с отверстиями патрубка по отношению выходного отверстия отводящего дымового в сторону изогнутого патрубка относительно центральной вертикальной оси цилиндрического малого пустотелого нагревателя. В результате этого удлиняется проход дымового канала и эффективность теплоотдачи от горячих поверхностей горизонтальной трубки с прикрепленными к ее боковым стенкам радиальных ответвлений разной длины, установленных малого размера трубок под прямым углом в направлении боковых внутренних стенок пустотелого нагревателя внутри его полости.
На фиг. 1 представлена схема универсальной печи воздушного отопления с разрезом малых металлических и цилиндрических нагревателей, общий вид сбоку; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1 (вид сверху без крышки).
Универсальная печь воздушного отопления, представленная на фиг. 1, содержит стойки 1 на опорной плите пола и работающей одновременно или раздельно на любом из известных видов топлива. Корпус топливника 2 выполнен цилиндрическим металлической формы, к крышке которой сверху приварен короткий металлический дымовой патрубок 3 меньшего диаметра, соединенного с отводящей дымовой трубой 4 и с меньшим диаметром по отношению к короткому дымовому патрубку 3 в сторону выхода вне отапливаемого помещения на улицу, и верхняя часть короткого дымового патрубка 3 соединена с приваренным к нему изогнутым вниз отводящим дымовым патрубком 5, который через фланец вертикально вниз соединен через дымовой патрубок 6 с пустотелым цилиндрическим малым нагревателем 7 размещенным на некотором расстоянии от топливника 2, т.е. вертикально его оси.
Внутренняя полость пустотелого нагревателя 7 образует дымовой газовый канал, с расположенной внутри горизонтальной трубкой 8, свободные концы с отверстиями которой выведены в направлении отапливаемого помещения. Оба конца горизонтальной трубки 8 приварены к боковым торцевым стенкам пустотелого нагревателя 7 и перекрыты регулирующими заслонками 9 с осью вращения 10 с помощью ручки (не показано). Расположенная во внутренней полости пустотелого нагревателя 7 горизонтальная трубка 8 соединена жестко с приваренными к ней радиальными ответвлениями разной длины в виде прямолинейных (ступенчатых) перпендикулярно установленных трубок 11 малого размера под прямым углом в направлении боковых внутренних стенок пустотелого нагревателя 7 (фиг. 2).
При этом цилиндрический малый пустотелый нагреватель 7 соединен через дымовой патрубок 12 перфорированный с отверстиями 13 с малогабаритным цилиндрическим нагревателем 14 наполняемого жидким или газообразным топливом, с образованием на его крышке впускного отверстия 15 с горизонтальной заслонкой 16 на оси вращения, которая позволяет регулировать поступление воздуха на горение, т.е. увеличить или уменьшить его поступления для сгорания топлива, а также для безопасности эксплуатации во время окончания и закрытия отопления нагревателя 14. Высота малых нагревателей 7 и 14 меньше в 2-2,5 раза меньше чем высота сечения топливника 2, а объем их составляет каждый 2-3 объема меньше объема топливника 2.
Таким образом, в случае использования в качестве жидкого или газообразного топлива внутренняя полость пустотелого нагревателя 7 с прямолинейной трубкой 8 малого размера, снабженной с прямолинейными ступенчатыми ответвлениями в виде малых трубок 11, используется горячий дымовой газ для большого теплообмена самого пустотелого нагревателя 7 в целом. Кроме того, для сжигания твердого топлива: дерево, древесные отходы, уголь, торфяные брикеты, работает топливник 2, а для сжигания жидкого топлива достаточно иметь мазут, отработанное масло и т.п., или как вариант - подвод газообразного топлива (конструктивная схема его с элементами не показана для упрощения), причем количество пустотелых нагревателей с его элементами может быть не менее двух. После сгорания твердого топлива в топливнике 2, образовавшаяся зола через отверстие в колосниковой решетке попадает в зольник (не показано), через которую также подается первичный воздух для обеспечения тяги и сгорания топлива, как и через дымовой перфорированный патрубок 12 с отверстиями 13 для поступления воздуха из отапливаемого помещения, а также регулируемый воздух подается через отверстие 15 с регулирующей заслонкой 16 с помощью ручки (не показано).
При этом во всех случаях, воздух забирается из отапливаемого помещения и, в тоже время отапливаемая печь за счет конвективного теплообмена отапливает помещение.
Универсальная печь воздушного отопления работает следующим образом.
Твердое топливо через топливную дверцу загружают в рабочее пространство топливника 2. Во время сжигания твердого топлива в топливнике 2 при открытой дверцы (не показано), нагревают корпус металлического топливника 2, а продукты горения в виде дымовых газов вертикально поступают в короткий дымовой патрубок 3, далее выходят в отводящую дымовую трубу 4 для поступления в атмосферу вне отапливаемого помещения. За счет естественной тяги дымовые газы уходят наружу, не охлаждая при этом дымовую трубу 4.
С наружной стороны корпуса топливника 2 размещают дополнительно топочное модульное устройство в виде малогабаритных, связанных между собой верхний пустотелый цилиндрический нагреватель 7 и нижний цилиндрический нагреватель 14, последний заполняют жидким топливом, например, мазут, отработанное масло и т.п. В нижнем нагревателе 14 сжигается жидкое топливо, на горение которого воздух поступает через впускное отверстие 15 с регулирующей поворотной заслонкой 16 и воздух поступает из отапливаемого помещения, а дымовые газы по дымовому перфорированному с отверстиями 13 патрубка 12 поступают в цилиндрический малый пустотелый нагреватель 7, нагревая при этом за счет конвекции стенки горизонтальной трубки 8 внутри его с закрепленными к трубке 8 радиальных ответвлений разной длины в виде прямолинейных (ступенчатых) перпендикулярно установленных трубок 11 малого размера под прямым углом в направлении боковых внутренних стенок пустотелого нагревателя 7, нагревая также металлический корпус его. Через внутреннее пространство горизонтальной трубки 8 (воздушный канал), горячий воздух, интенсивно нагретый воздух поступает, с помощью регулируемых заслонок 9 с осью вращения 10, в отапливаемое помещение, т.е. выходит при открытых заслонках 9. При этом также интенсивно нагревается корпус и пустотелого нагревателя 7, который дополнительно передает тепло за счет конвекции омываемого его снаружи воздуху отапливаемого помещения, повышая тем самым эффективность работы в целом системы отопления. Кроме того, одновременно воздух поступает и в перфорированный дымовой патрубок 12 с отверстиями 13 для поддержания сгорания отводящих продуктов сгорания в дымовом газе, который поступает в пустотелый нагреватель 7, далее дымовой газ поступает в патрубки 6 и 5, подсоединенных к короткому дымовому патрубку 3 в сторону выхода дымового газа дымовой трубы 4. Кроме того, крышку пустотелого нагревателя 7, которая имеет большую тепловую его отдачу нагрева можно использовать для широкого круга нужд, в т.ч. для приготовления пищи, сушки продуктов и т.п., а это связано также с горением жидкого или газообразного топлива в нижнем цилиндрическом малом нагревателе 14, заполняемого, например, для сжигания отработанного масло, после его использования в двигателях внутреннего сгорания и т.п.(экономия энергоресурсов). Продукты сгорания твердого и жидкого топлива смешиваются в коротком дымовом патрубке 3, размещенным на крышке сверху топливника 2, а это дополнительно осуществляет заметный и интенсивный нагрев всех элементов печи в целом за счет конвективного теплообмена их стенок с наружной стороны помещения. Тепло передается наружному воздуху отапливаемого помещения. Для обеспечения эффективной тепловой отдачи необходимо, чтобы было сделано смещение входного конца дымового перфорированного с отверстиями 13 патрубка 12 и выходной конец дымового патрубка 6 с изогнутым патрубком 5. Следует также изготавливать печь в соотношениях линейных размерах, предложенным новым конструктивным решением универсальной печи воздушного отопления. С помощью заслонок можно регулировать горение твердого и жидкого топлива (или газообразного с учетом для подвода газа - вариант), а значит степень обогрева помещения.
Все модули устройства могут монтироваться с поворотом по вертикальной оси относительно друг друга, что дает возможность удобство их располагать в отапливаемом помещении, оптимально расположить дверцы топочной камеры, дымоход и патрубки для соединения их друг с другом.
Такая конструкция создает возможность быстрого монтажа печи и удобство для ее эксплуатации.
Предложенная печь изготавливается из толстолистового жаропрочной стали, а также возможно изготовление элементов из чугуна; использовать в топливном балансе, как совместного, так и раздельного топлива: твердого, жидкого и газообразного топлива и, следовательно, интенсивность работы универсальной печи воздушного отопления и степень обогрева помещения, что способствует выполнению задач энергосбережения и, изобретение может быть реализовано промышленным способом.