ПЕЧЬ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING STOVE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания твердотопливных печей длительного горения.
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 дожигом 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 дожита образующихся горючих газов подается ограниченный объем воздуха (определяемого заданной тепловой мощностью), то часть горючих газов из-за отсутствия достаточного объема кислорода не окисляется и выходит в дымоход, снижая эффективность (КПД) сжигания топлива. Этот фактор ограничивает возможность увеличения продолжительности горения указанных печей за счет увеличения камеры сгорания и объема загружаемого в нее топлива. Кроме того, указанные печи, из-за отсутствия регулировки температуры дымовых газов на мощностях больше минимальной, как правило, имеют высокую температуру дымовых газов и, как следствие, корпуса и дымохода. С одной стороны, это снижает КПД печи на мощностях больше минимальной, а с другой стороны, увеличивает пожароопасность таких печей.
Известна отопительная печь (патент РФ №2459145 от 25.11.2011 г.), выбранная в качестве прототипа, в которой длительность горения топлива увеличена до нескольких десятков часов за счет реализации способа сжигания топлива сверху вниз. В этой печи воздух в камеру сгорания подается в зону горения через воздухозаборное отверстие, выполненное в верхней поверхности корпуса, воздуховод и распределитель воздуха. А дымовые газы после дожига образующихся горючих газов выводятся через вторичную теплообменную камеру и отверстие, расположенное в нижней части корпуса. Недостатками известной конструкции являются зависимость эффективности сжигания топлива от производимой тепловой мощности. Это обусловлено избыточным образованием горючих газов при средних и больших мощностях и зависимостью температуры дымовых газов от производимой тепловой мощности. Для того чтобы обеспечить нормальную работу дымохода (без образования конденсата) температура дымовых газов должна быть не ниже требуемой во всем диапазоне генерируемых мощностей. Поэтому приходится обеспечивать требуемую температуру дымовых газов уже при минимальной тепловой мощности. При этом на больших мощностях температура дымовых газов возрастает, а КПД печи уменьшается. Кроме того, к недостатку рассматриваемой печи нужно отнести необходимость организации дополнительной тяги в дымоходе при ее розжиге. В указанной печи в качестве саморегулирующегося по высоте воздуховода использован гофрированный воздуховод, например из силиконового армированного шланга. Недостатками такого технического решения являются сравнительно высокая сложность распределителя воздуха, большая стоимость воздуховода, ограниченный срок его эксплуатации в условиях высоких температур и сравнительно высокая уязвимость от повреждений при нарушении правил эксплуатации.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно упрощение и удешевление конструкции, увеличение эффективности печи за счет стабилизации температуры дымовых газов во всем диапазоне генерируемых тепловых мощностей, а также повышение ее пожарной безопасности.
Указанная цель достигается тем, что печь содержит корпус с отверстиями для отвода дымовых газов, загрузочной и зольной дверцами, а также теплоизолирующий кожух, распределитель воздуха включает два неподвижных вертикальных воздуховода с продольными щелями, каждый из которых имеет подвижное окно, входящее в зацепление с водителем окна, и дополнительное подвижное окно, расположенное выше основного, а между собой воздуховоды соединены поперечным воздуховодом, при этом на одном открытом конце вертикального воздуховода размещена заслонка, управляемая терморегулятором, а остальные концы воздуховодов заглушены, водители окон соединены между собой гибкой сцепкой, а концы их кронштейнов внутри воздуховодов подсоединены к подъемному механизму, воздуховоды закрепляются на корпусе, при этом вертикальные щели воздуховодов сопрягаются с щелями, выполненными в корпусе, в патрубке верхнего отверстия для отвода дымовых газов установлена заслонка, управляемая через привод вторым терморегулятором, размещаемым на этом патрубке.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-2, где показаны вид печи сверху и в разрезе и обозначено: 1 - корпус печи, 2 - загрузочная дверца, 3 - зольная дверца, 4 - вертикальная щель в корпусе 1, 5 - вертикальные воздуховоды, 6 - поперечный воздуховод, 7 - теплоизолирующая прокладка, 8 - лента, 9 - обводные ролики, 10 - основное окно в ленте 8, 11 - дополнительное окно в ленте, 12 - водитель окна, 13 - кронштейн водителя окна, 14 - трос, 15 - трос провод, 16 - заслонка, 17 - терморегулятор, 18 - верхний патрубок для отвода дымовых газов, 19 - нижний патрубок для отвода дымовых газов, 20 - дымовая труба, 21 - заслонка дымохода, 22 - привод заслонки, 23 - второй терморегулятор, 24 - боковая часть теплоизолирующего кожуха, 25 - верхняя часть теплоизолирующего кожуха.
Корпус печи 1 выполняется из стали с необходимой толщиной стенки и жаропрочностью, обеспечивающими требуемый срок службы печи. Обычно для повышения срока службы печи увеличивают толщину стенки или выбирают сталь с более высокой жаропрочностью. Для увеличения тепловой мощности печи при ограниченных габаритах, на боковой поверхности корпуса может быть выполнено вертикальное оребрение и тем самым увеличена теплообменная поверхность. На верхней части корпуса также может быть выполнено оребрение, в том числе радиальное. В верхней части корпуса выполнена загрузочная 2, а в нижней части зольная 3 дверцы. Дверцы должны быть выполнены газоплотными в закрытом положении, а для уменьшения нагрева иметь теплоизолирующее покрытие (внутри и/или снаружи). На фронтальной поверхности корпуса по его бокам выполнены вертикальные щели 4. Для предотвращения тепловой деформации металла вдоль щели (при использовании сравнительно тонкого металла), по ее бокам могут выполняться (устанавливаться) ребра жесткости. Воздуховоды 5 и 6 предназначены для канализации воздуха в зону горения печи. Два вертикальных воздуховода 5 соединены между собой поперечным воздуховодом 6. Концы одного из вертикальных воздуховодов 5 заглушены, а на другом заглушен только один конец. При этом в качестве воздухозаборного отверстия может служить как верхний конец этого воздуховода (данный вариант показан на фиг.1-2), так и нижний конец. Площадь сечения воздухозаборного отверстия выбирается исходя из максимальной тепловой мощности печи. При этом площадь сечения воздуховода с воздухозаборным отверстием вдвое превышает площадь поперечного сечения второго воздуховода, а также поперечного воздуховода. На сторонах вертикальных воздуховодов 5, обращенных к корпусу, выполнены щели, сопрягающиеся по размерам со щелями 4 в корпусе 1. Между воздуховодами 5 и 6 и корпусом устанавливается теплоизолирующая прокладка 7, уменьшающая влияние нагрева корпуса на работу распределителя воздуха. В вертикальных воздуховодах 5 вплотную к щели на обводных роликах 9 устанавливается замкнутый отрезок ленты 8. Лента 8 выполняется из тонкой нержавеющей стати с достаточно высокой жаропрочностью или высокотемпературной газоплотной ткани. Толщина ленты выбирается исходя из упругих свойств материала, с тем, чтобы исключить необратимую деформацию и старение материала при многократном его перемещении вокруг роликов. В ленте 8 выполнено основное окно 10 и дополнительное окно 11. Через основное окно 10 воздух подается под водитель окна 12 и используется в реакции окисления топлива при его сжигании, а через дополнительное окно воздух подается над водителем окна и используется для дожига образующихся в процессе частичной газификации топлива горючих газов. Площадь основного окна 10 составляет 65-75% от половины площади воздухозаборного отверстия, а дополнительного окна 5-25 - 35%. Расстояние между отверстиями приблизительно выбирается из соотношения r=а·в - 0,5в, где а - размер узкой стороны окна 10, в - размер широкой (вертикально расположенной) стороны окна 10. При недостаточных прочностных характеристиках материала ленты окно 10 по периметру дополнительно упрочняется, поскольку через него осуществляется привод всего кольца ленты 8. По этим же причинам окно 10 может выполняться в виде нескольких секций, общая площадь которых должна быть равна требуемой площади для окна 10. Дополнительное окно 11 также может выполняться из нескольких секций, расположенных одна над другой, для более равномерного распределения дополнительного воздуха в камере сгорания печи. Лента 8 на роликах 9 устанавливается в воздуховодах 5 вплотную к щели так, чтобы практически исключить поступление воздуха в камеру сгорания между лентой 8 и стенкой воздуховода. При необходимости лента дополнительно прижимается к стенке воздуховода пружинящими пластинками или другими элементами. Лента 8 в каждом воздуховоде 5 приводится в движение водителем окна 12, который входит в зацепление с окном 10 с помощью кронштейна 13. Водитель окна 12 изготавливается из жаропрочного материала, например из чугуна. Размер основания водителя окна 12 (поперек укладки дров в отопительном приборе) выбирается около половины поперечного размера печи, чтобы исключить значительные провалы водителя окна 12 при сжигании неоднородного (по влажности или укладке) топлива и, как следствие, неприемлемое повышение тепловой мощности. По этой же причине размер основания водителя окна в другой плоскости должен составлять также около половины продольного размера печи. Масса каждого водителя окна может не превышать несколько килограммов. Оба водителя окна связываются между собой гибкой сцепкой, чтобы исключить значительные провалы одного из водителей окон. К водителю окна 12 крепится кронштейн 13, который при монтаже устанавливается в окно 10 ленты 8. Кронштейн 13 крепится к водителю окна 12 не жестко, а с возможностью поворота в двух плоскостях на угол 10-20°. Противоположный конец кронштейна 13 упирается в заднюю стенку воздуховода 5. На этом же конце к кронштейну 13 крепится трос 14 подъемного механизма. Тросы 14 из каждого воздуховода 5 проходят через трос проводы 15, объединяются в один и заканчиваются петлей, за которую осуществляется подъем водителей окон 12. В верхнем положении водителей окон 12 поднимающий их трос фиксируется петлей за соответствующий крючок (не показан на рисунке) на кожухе 24. Для управления объемом входящего в печь воздуха используется заслонка 16 в виде пластинки, которая управляется от терморегулятора 17. Терморегулятор 17 может быть выполнен на основе биметаллической пластины или регулятора, использующего различие коэффициентов расширения корпуса печи и теплоизолирующего экрана. В корпусе 1 с тыльной стороны выполнены два отверстия для вывода дымовых газов, к которым крепятся верхний 18 и нижний 19 патрубки. Другие концы этих патрубков в свою очередь крепятся к дымовой трубе 20, которая подсоединяется к дымоходу. В верхнем патрубке 18 установлена заслонка 21, которая через привод 22 приводится в действие от терморегулятора 23, Верхний 18 и нижний 19 патрубки, дымовая труба 20 и заслонка 21 изготавливаются из металла с необходимой для подобного рода изделий прочностью. К жаропрочности указанных элементов высоких требований не предъявляется за исключение верхнего патрубка и заслонки, жаропрочность которых должна выбираться несколько выше, чем у остальных элементов. Привод 22 выполняется в виде шарнирного соединения, соединяющего заслонку 21 и терморегулятор 23. Привод 22 выполняется регулируемым по длине и начальному углу поворота заслонки для обеспечения возможности настройки устройства регулировки на требуемую температуру дымовых газов и диапазон ее изменения, в зависимости от теплотехнических свойств используемого дымохода и диапазона изменения тепловой мощности отопительного прибора. Терморегулятор 23 может быть выполнен, например, из биметаллической пластины, огибающей патрубок 18 и закрепляемой другим концом на нем. Теплоизолирующий кожух 24, 25 предназначен для повышения пожарной безопасности печи, за счет снижения температуры наружной поверхности кожуха до безопасного уровня (30-40°C). Кроме того, кожух служит для формирования воздушного канала, повышающего эффективность конвективного теплосъема с корпуса печи. Кожух 24, 25 состоит из каркаса, изготовленного из тонкого металла, и теплоизолирующего покрытия с внутренней стороны каркаса. В качестве теплоизолирующего покрытия может быть использован, например, стекловойлок толщиной несколько миллиметров, покрытый со стороны, обращенной к печи, фольгой, имеющей высокий коэффициент отражения в инфракрасном диапазоне. Для повышения пожарной безопасности печи патрубки 18 и 19 и дымовая труба 20 до теплоизолированного дымохода также могут быть закрыты дополнительным кожухом аналогичной конструкции или покрыты теплоизолирующим материалом (кроме места крепления терморегулятора 23). На части канала между корпусом и кожухом (сверху печи) может быть установлен колпак с воздуховодом, по которому нагретый воздух может канализироваться в другое помещение, например второй этаж отапливаемого жилища. Для регулировки объема канализируемого воздуха воздуховод может быть оснащен управляемой заслонкой. Если требуется подавать нагретый воздух в удаленное помещение, находящееся на уровне отопительной печи, то в воздуховод может быть установлен вентилятор, обеспечивающий принудительную канализацию нагретого воздуха. Для расширения функциональных возможностей печи она может быть оснащена навешиваемым на корпус баком для подключения к контуру горячего водоснабжения, а также теплоизолированным с внешней стороны духовым шкафом с варочной панелью.
Работает печь следующим образом. С помощью троса 14 водители окон 12 поднимаются в верхнее положение и фиксируются в этом положении. Если в печи имеется избыточное количество золы, то она удаляется через зольную дверцу 3. Через загрузочную дверку 2 осуществляется загрузка топлива 26, в частном случае дров. Если печь находится в холодном состоянии, то заслонки 16 и 21 находятся в открытом положении. Затем топливо поджигается, водители окон 12 опускаются на топливо, а загрузочная дверца 6 закрывается. Терморегулятор 17 устанавливается на заданную тепловую мощность, а терморегулятор 23 на заданную температуру дымовых газов. После закрытия дверцы 2 воздух в камеру сгорания будет поступать через воздуховоды 5 и 6, основные окна 10. Образующиеся в процессе горения топлива дымовые газы поступают в верхний патрубок 18 для отвода дымовых газов и через непродолжительное время прогревают его. После нагрева патрубка 18 терморегулятор 23 дымовых газов прикрывает заслонку 21, тем самым уменьшая поток горячих дымовых газов через верхний патрубок 18. При этом за счет тяги дымохода на столько же увеличивается поток дымовых газов через нижний патрубок 19. Но через этот патрубок будут выводиться уже остывшие дымовые газы, отдавшие свое тепло корпусу печи. В процессе горения терморегулятор 23 дымовых газов будет поддерживать температуру дымовых газов близкой к минимально необходимой (обеспечивающей нормальную работу дымохода), автоматически изменяя соотношение горячих и остывших дымовых газов, выходящих в дымоход через верхнее и нижнее отверстия.
Поскольку источник тепловой энергии находится в верхней части печи, то нагревается именно эта часть корпуса. При этом происходит интенсивный нагрев воздуха в канале между корпусом и термоизолирующим кожухом 24, 25. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой холодный воздух, поступающий в канал снизу. Поскольку тяга в таком канале пропорциональна высоте канала и градиенту температур на входе и выходе, то в предлагаемой конструкции этот показатель будет существенно выше, чем в известных аналогах. Это обеспечивается большей высотой печи (1,5-2 м) и высокой температурой верхней части корпуса печи. Дополнительное повышение температуры верхней части корпуса происходит за счет отражения радиационного излучения от внутренней поверхности кожуха обратно на корпус. При этом одновременно уменьшается (более чем на порядок) тепловой поток через теплоизолирующее покрытие кожуха, тем самым обеспечивается приемлемая температура наружной поверхности кожуха. За счет достаточно интенсивного потока воздуха, проходящего в канале между корпусом печи и кожухом, нижняя часть корпуса не нагревается до высоких температур. Это обусловлено тем, что через материал корпуса тепловой поток оказывается сравнительно не большим (небольшое теплопроводящее сечение), нижняя часть корпуса контактирует с наиболее холодным воздухом и интенсивно охлаждается им, а дымовые газы внутри корпуса сравнительно быстро остывают, опускаясь в нижнюю часть корпуса печи. При этом в зоне горячих газов оказывается сравнительно небольшой объем топлива ниже зоны горения, за счет этого оно хорошо прогревается, и тем самым улучшаются условия его сгорания и частичного пиролиза. При увеличении производимой мощности зона горячих газов в небольших пределах будет смещаться вниз, а при уменьшении подниматься вверх. По мере выгорания топлива зона горения опускается вниз, и также вниз смещается наиболее нагретая часть корпуса, но при этом верхняя часть корпуса остается горячей за счет поднимающихся вверх горячих дымовых газов, тем самым обеспечивается высокий теплосъем на всех этапах работы печи и при различной производимой тепловой мощности.
Если топливо равномерное (по плотности, влажности, укладке), то выгорание топлива будет происходить равномерно до основания камеры сгорания. При этом водители окон 12 будут опускаться под действием силы тяжести, в выгоревшую часть топлива, увлекая за собой окна 10 и 11. Если в процессе горения топлива внутри него будут встречаться места с повышенной влажностью или плотностью, то в этом месте замедляется выгорание топлива, водители окон 12, опираясь на эту не сгоревшую часть топлива, наклоняются больше в сторону лучше выгорающей части топлива. За счет этого создаются условия для выгорания вышерасположенной части более влажного или плотного участка топлива. И после его сгорания водители окон 12 опять выравниваются, и без их провалов топливо продолжает гореть в прежнем режиме. Тем самым обеспечивается сравнительно равномерное горения топлива, имеющего различные неоднородности.
Таким образом, введение в конструкцию печи системы поддержания минимально допустимой температуры дымовых газов и эффективной системы теплосъема позволяет обеспечить максимально возможный КПД при различных тепловых мощностях, а также при сжигании топлива с повышенной и неоднородной влажностью. Кроме того, наличие системы регулировки и стабилизации температуры дымовых газов позволяет адаптировать печь к дымоходам различного качества (с различной теплоизоляцией), обеспечив при этом высокую пожарную безопасность системы отопления. Пожарная безопасность повышается также за счет эффективной системы экранировки и теплоизоляции печи, исключающей пожароопасное воздействие интенсивного радиационного излучения корпуса печи и контактной теплопередачи от теплоизолирующего кожуха на окружающие предметы. Наличие в предлагаемой конструкции энергозависимых систем автоматического поддержания тепловой мощности и температуры дымовых газов, существенно повышающих безопасность печи, позволяет увеличить размеры печи и объем загружаемого топлива и за счет этого повысить продолжительность горения до нескольких сот часов на минимальной мощности и до нескольких десятков часов на максимальной. Упрощение и удешевление конструкции по сравнению с прототипом и другими техническими решениями достигается за счет отказа от достаточно дорогих, сложных и громоздких телескопического или гофрированного воздуховода и распределителя воздуха, совмещения функций воздуховода и распределителя воздуха в одном устройстве и выполнение его из менее дорогих материалов.
Уровень разработки находится в стадии разработки рабочих чертежей печи с целью организации серийного производства печей длительного горения.