ГАЗОВАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ
GAS HEATING OVEN

Изобретение относится к строительной климатотехнике и может быть использовано при печном газовом отоплении жилых домов, общественных зданий и других объектов.
При газификации жилищного фонда городов и сельских поселков с печным отоплением отопительные печи, как правило, переводят с твердого топлива (уголь, дрова) на газообразное (природный газ). Применение в отопительных печах, предназначенных для топки дровами, такого совершенного топлива, как газ, дает возможность создавать более удобные в эксплуатации конструкции печей, а также позволяет автоматизировать их работу.
Печное газовое отопление имеет следующие достоинства:
- меньшая стоимость устройства по сравнению с другими видами отопления;
- простота обслуживания;
- применение для строительства местных материалов;
- независимость отопления отдельных помещений с одновременной вентиляцией;
- относительно высокий коэффициент полезного действия (КПД);
- оптимальное сохранение и использование тепла, выделяемого топливом;
- печь можно герметично закрыть;
- малая металлоемкость (только на дверцы, задвижки, иногда на каркас).
Известна газовая печь полного сгорания, включающая корпус с камерой сгорания, горелочный узел, выполненный в виде горелки с механизмом зажигания газовой смеси, при этом теплообменник выполнен с трубами, расположенными перпендикулярно камере сгорания и сообщен с ней через подводящую трубу (патент РФ №2095695, МПК: F24C 3/00, опубликован 10.11.1997 г.).
Недостатком известной газовой печи является то обстоятельство, что она относится к нагревательным системам с принудительной подачей воздуха, что удорожает конструкцию. Еще одним недостатком известной газовой печи является длительное время, затрачиваемое на обогрев и обслуживание при эксплуатации из-за сложного конструктивного исполнения.
Известна печь, содержащая внешний и внутренний печные массивы с дымоходами и воздушным отверстием, при этом внутренний печной массив имеет топку с колосниковой решеткой, зольник, продольную и поперечные перегородки, образующие вертикальные и горизонтальный каналы для дымовых газов, сообщенные с дымоходом. Продольная перегородка расположена по всей длине внутреннего печного массива с зазором относительно верхней стенки, первая поперечная перегородка расположена по всей высоте внутреннего печного массива между продольной перегородкой и одной боковой стенкой, причем указанные продольная и поперечная перегородки установлены с образованием опускного и подъемного каналов, а вторая поперечная перегородка установлена под зольником с возможностью опирания на нее продольной перегородки и расположена с зазором относительно другой боковой стенки, при этом наружный печной массив расположен с зазором относительно внутреннего печного массива по всем своим поверхностям, в продольной перегородке и в первой поперечной перегородке выполнены отверстия, соединяющие соответственно топку с опускным каналом и опускной и подъемный каналы между собой, а зазор между продольной перегородкой и верхней стенкой внутреннего печного массива выполнен в зоне опускного канала (патент РФ №2350845, МПК: F24B 1/00, опубликован 27.03.2009 г.).
Недостатком известного изобретения является тот факт, что печь может использоваться только для топки твердым топливом. Также недостатком известной печи является низкая тепловая эффективность использования топлива, что приводит к низкому КПД, медленному прогреву помещения, повышенному расходу топлива, большим затратам времени на обслуживание. Еще одним недостатком известной печи является то, что печь имеет двойную конструкцию (внешний и внутренний печные массивы) и внешний массив печи состоит из цельных мраморных или гранитных плит, что значительно удорожает стоимость печи.
Известна печь, содержащая внешний и внутренний печные массивы с дымоходом и отверстием для притока воздуха, при этом внутренний печной массив имеет топку с колосниковой решеткой, зольник и перегородки, образующие вертикальные и горизонтальный каналы для топочных газов, сообщенные с дымоходом, а поперечные перегородки образуют с днищем корпуса зазор и ограждающий кожух выполнен из жести или слоистого материала, образованного наружными жестяными слоями с прослойкой между ними из керамовермикулита, и установлен на расстоянии 4-5 см от корпуса (Патент РФ №21306, МПК: F24B 1/00, опубликовано 10.01.2002 г.
Недостатком данной печи является использование зазора между внутренним и внешним массивом печи для теплообмена, а именно для нагрева вторичного воздуха, и поэтому при такой конструкции печи невозможно использовать нагретый вторичный воздух для регулировки тяги, что не позволяет в свою очередь повысить КПД.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство газовой отопительной печи АКХ-14 (Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Бытовые печи, камины и водонагреватели. - М.: Стройиздат, 1985. - с.124). Печь выкладывают из кирпича. Газовая отопительная печь состоит из топливника печи, газовой горелки, регулятора вторичного воздуха, рассекателя продуктов сгорания, дымовых каналов, сигнализатора тяги, шибера, герметичной дверки и дымовой трубы.
Недостатком данной газовой отопительной печи является то обстоятельство, что она используется в основном при работе в режиме периодической топки, однако при работе печи в режиме непрерывного горения вследствие уменьшения часового расхода газа уменьшается часовое количество продуктов сгорания. В то же время протяженность и поверхность каналов печи периодического действия развита из расчета поглощения суточного запаса тепла за 1-3 часа топки (одноразовый натоп) или полусуточного запаса тепла (двухразовый натоп). Еще одним недостатком известной газовой отопительной печи является тот факт, что вентиляция топочного объема печи происходит через дымовые каналы, а это приводит к охлаждению поверхности печи и снижению КПД. Вынужденная продувка дымовых каналов в период между топками приводит к потере не менее 15% теплоты, аккумулированной кладкой печи за время натопа.
Опыт эксплуатации печей на газе показывает, что при периодической топке печей в топливниках печи возникают локальные перегревы. Во время топки при открытом шибере в дымовых каналах печи возникает подпор продуктов сгорания, в результате чего продукты сгорания через неплотности в кладке печи могут проникать в отапливаемое помещение. Для предупреждения скопления горючего газа за время между топками в шибере сверлят отверстия диаметром 12-15 мм. Однако, при таком устройстве шибера печь вентилируется и теряет тепло с воздухом, уходящим через просверленные отверстия в шибере в дымовую трубу.
Задача настоящего изобретения заключается в улучшении эксплуатационных возможностей газовых отопительных печей путем повышения надежности и удобства в эксплуатации за счет повышения уровня безопасности для окружающих, простоты в изготовлении и увеличении КПД устройства.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение КПД, экономия топлива, более быстрый нагрев помещений, снижение затрат времени обслуживания, расширение функциональных возможностей печи, а также разработка устройства для вентиляции топочного объема газовой отопительной печи в виде специальных воздушного канала и шибера в целях уменьшения потерь теплоты с вентиляционным воздухом.
Поставленная задача достигается тем, что газовая отопительная печь, состоящая из топливника печи, газовой горелки, регулятора вторичного воздуха, рассекателя продуктов сгорания, дымовых каналов, сигнализатора тяги, шибера, герметичной дверки, дымовой трубы, согласно предлагаемому техническому решению, дополнительно содержит приемную камеру дымовой трубы, которая является продолжением дымовой трубы, воздушный канал, соединяющий топливник печи и приемную камеру дымовой трубы, при этом приемная камера дымовой трубы соединена с дымовой трубой через отверстие для выхода вентиляционного воздуха, а с воздушным каналом через отверстие для входа вентиляционного воздуха, при этом шибер расположен в дымовой трубе и приемной камере дымовой трубы между отверстиями для входа и выхода вентиляционного воздуха и выполнен в виде двух частей сплошной и с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха, форма сплошной части шибера совпадает с поперечным сечением дымовой трубы, а форма части шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха совпадает с поперечным сечением приемной камеры дымовой трубы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 и Фиг.2 представлены разрезы печи, на Фиг.3 представлено устройство шибера, где позициями обозначены: 1 - газовая отопительная печь; 2 - топливник печи; 3 - решетка; 4 - дымовые каналы; 5 - рассекатели продуктов сгорания; 6 - газовая горелка; 7 - газопровод природного газа; 8, 9 - кран; 10 - регулятор вторичного воздуха; 11 - воздушный канал; 12 - приемная камера дымовой трубы; 13 - дымовая труба; 14 - отверстие для входа вентиляционного воздуха; 15 - отверстие для выхода вентиляционного воздуха; 16 - шибер; 17 - сплошная часть шибера; 18 - часть шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха; 19 - сигнализатор тяги; 20 - герметичная дверца.
1
4
Газовая отопительная печь 1 расположена в отапливаемом помещении. Газовая отопительная печь 1 выполнена из кирпича. Внутри массива газовой отопительной печи 1 расположен топливник печи 2, который представляет собой камеру, в которой сгорает топливо. Стенки топливника печи 2 выложены из огнеупорного кирпича. Объем топливника печи 2 должен соответствовать общей теплоотдаче газовой отопительной печи 1. Топливник печи 2 перекрыт кладкой из кирпича, образуя решетку 3. Внутри массива газовой отопительной печи 1 над топливником печи 2 выложены дымовые каналы 4, которые представляют собой ряд прямоточных каналов, образующихся между кирпичами. Дымовые каналы 4 должны иметь сечение, обеспечивающее свободное пропускание всего объема дымовых газов. Обычно сечение дымовых каналов бывает: кирпич на кирпич (260×260 мм), кирпич на половину кирпича (260×130 мм), половина кирпича на половину (130×130 мм). Внутри дымовых каналов 4 расположены рассекатели продуктов сгорания 5, которые представляют собой кирпичи, расположенные в центре восходящего потока дымовых газов. Рассекатели продуктов сгорания 5 выложены, по крайней мере, в три ряда - один над другим. На передней стенке газовой отопительной печи 1 в топливнике печи 2 установлена газовая горелка 6, например, газовая инжекционная горелка пониженной мощности УГОП-II-4. Газовая горелка 6, используемая в газовой отопительной печи 1, создает устойчивый фронт горения, обеспечивая полное, без химических недожогов, сгорание топлива, а также обеспечивая интенсивный и одновременно равномерный нагрев стенок топливника печи 2. Газовая отопительная печь 1 может эксплуатироваться и с горелками периодического действия, и с горелками, предназначенными для непрерывной топки. Газовая горелка 6 присоединена к газопроводу природного газа 7. На газопроводе природного газа 7 в удобном для отключения месте расположен кран 8, а непосредственно перед газовой горелкой 6 установлен кран 9, которые служат для регулирования подачи газа в газовую горелку 6. На передней стенке газовой отопительной печи 1, под газовой горелкой 6, расположен регулятор вторичного воздуха 10. Для крепления регулятора вторичного воздуха 10 в кладке газовой отопительной печи 1, к ее рамке должны быть привязаны отрезки проволоки или приклепаны (приварены) полосы из кровельной стали. На передней стенке газовой отопительной печи 1 над газовой горелкой 6 расположен воздушный канал 11, который соединяет топливник печи 2 через отверстие для входа вентиляционного воздуха 14 с приемной камерой дымовой трубы 12. Воздушный канал 11 плотно и прочно вмонтирован в кирпичную кладку проема топливника печи 2 и приемной камеры дымовой трубы 12. Воздушный канал 11 может быть выполнен, например, из металлической гофротрубы. Приемная камера дымовой трубы 12 является продолжением дымовой трубы 13 в поперечном направлении потока дымовых газов, с которой имеет общую стенку, либо выполняется при условии прочного закрепления с дымовой трубой 13. В общей стенке выполнено отверстие для выхода вентиляционного воздуха 15, причем отверстие для выхода вентиляционного воздуха 15 расположено выше отверстия для входа вентиляционного воздуха 14. В зависимости от конструктивного исполнения печи поперечное сечение приемной камеры дымовой трубы 12 может быть разным. Длина и ширина приемной камеры дымовой трубы 12 должны быть кратны размерам кирпича или полукирпича, например, размером 130×130 мм. Высоту приемной камеры дымовой трубы 12 выбирают в зависимости от следующих факторов: места расположения печи, высоты чердака, объема отапливаемого помещения, теплоотдачи (мощности) газовой отопительной печи 1. Минимальную толщину наружных стенок приемной камеры дымовой трубы 12 следует принимать не менее / кирпича, что обусловлено сложностью изготовления (расколы кирпича и т.п.). Размеры дымовой трубы 13 должны соответствовать количеству отводимых дымовых газов. В приемной камере дымовой трубы 12 и дымовой трубе 13 установлен шибер 16, который выполнен в виде двух частей: сплошной части шибера 17 и части шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха 18, например, выполненной в виде сетки. Форма и размеры сплошной части шибера 17 и части шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха 18 повторяют поперечные сечения в направлении потока дымовых газов дымовой трубы 13 и приемной камеры дымовой трубы 12 соответственно.
1
2
К газопроводу природного газа 7 ниже крана 8 присоединен сигнализатор тяги 19, установленный в удобном для монтажа и эксплуатации месте. К газовой отопительной печи 1 сигнализатор тяги 19 присоединен следующим образом: в кладке газовой отопительной печи пробивают отверстие и вставляют в него трубу диаметром 1/”, в которую вводят стержень сигнализатора тяги 19. На один или два ряда кирпичей выше сигнализатора тяги 19 установлена герметичная дверца 20, которая служит для чистки и прогрева дымовой трубы 13 при отсутствии тяги. При монтаже газопровода природного газа 7, сигнализатора тяги 19, крана 8 должна быть обеспечена герметичность газопровода природного газа 7 и соединительных элементов между сигнализатором тяги 19 и топочным пространством газовой отопительной печи 1.
Газовая отопительная печь работает следующим образом.
При печном отоплении получение, перенос и передача тепла происходят в одном и том же обогреваемом помещении. Тепло, вырабатываемое при сгорании топлива в топливнике газовой отопительной печи, поступает через стенки каналов в отапливаемое помещение. Охладившиеся дымовые газы удаляются через дымовую трубу в атмосферу. Движение дымовых газов в газовой отопительной печи 1 происходит за счет разницы значений температуры выходящих из дымовой трубы 13 дымовых газов и наружного воздуха. Горячие дымовые газы с температурой выше 100°C устремляются вверх, создавая тягу (разряжение), под действием которой их место в дымовой трубе 13 заполняют дымовые газы из дымовых каналов.
Перед зажиганием газа следует убедиться в том, что кран 8 на газопроводе природного газа 7 и кран 9 у газовой горелки 6 закрыты, а сплошная часть шибера 17 выдвинута из дымовой трубы 13 в приемную камеру дымовой трубы 12, затем вентилируют в течение 5-10 мин топливник печи 2, дымовые каналы 4 и отапливаемое помещение. После подготовительных работ в соответствии с «Руководством по эксплуатации газовой отопительной печи» возможна работа печи по сжиганию газового топлива.
Подачу газа по газопроводу природного газа 7 к газовой горелке 6 регулируют кранами 8 и 9. Вначале открывают кран 8, затем кран 9 и заранее приготовленную газовоздушную смесь, находящуюся под давлением выше атмосферного, подают к газовой горелке 6 по газопроводу природного газа 7. Газовую горелку 6 приводят в действие посредством подачи и воспламенения поступающей с высокой скоростью и под давлением приготовленной газовоздушной смеси, с минимальной потерей давления проходящей через горелочный механизм газовой горелки 6. Во время работы газовая горелка 6 обеспечивает устойчивость пламени, при этом в топливнике печи 2 поддерживается необходимая для протекания процесса горения высокая температура. Для регулирования подачи вторичного воздуха для горения газовоздушной смеси используют регулятор вторичного воздуха 10, с помощью которого оптимизируют процесс горения. Если в топливник печи 2 поступает слишком много воздуха, то температура в зоне горения снижается, и процесс сжигания ухудшается. То же наблюдают и при недостаточном притоке воздуха: горение протекает неравномерно, появляются продукты неполного сгорания. Механизм интенсивной конвективной теплопередачи обеспечивает передачу тепловой энергии от обладающих высокой скоростью продуктов сгорания к стенкам топливника печи 2 и в верхнюю часть отапливаемого помещения. За период топки стенки топливника печи 2 и дымовых каналов 4 должны поглотить определенное количество тепла, передать его массиву газовой отопительной печи 1 и ее наружным поверхностям. За период между топками теплоотдача печи происходит за счет тепла, аккумулированного массивом газовой отопительной печи 1 во время топки. Кирпичи решетки 3, омываемые раскаленными дымовыми газами, накаляются и также отдают значительное количество тепла излучением и теплопроводностью стенкам топливника печи 2 и содействуют равномерному распределению потока горячих газов по всему сечению топливника печи 2 и равномерному нагреванию помещения по высоте. Рассекатели продуктов сгорания 5 направляют продукты сгорания непосредственно к теплопередающим боковым стенкам газовой отопительной печи 1 и создают непрерывное изменение направления движения продуктов сгорания снизу-вверх. Затем продукты сгорания удаляют наружу через дымовые каналы 4 в дымовую трубу 13. Дымовая труба 13 создает в топливнике печи 2 разряжение, которое обеспечивает поступление воздуха, необходимого для сжигания топлива и тягу, достаточную для удаления образующихся в топливнике печи 2 дымовых газов. Дымовые каналы 4 позволяют получить развитую площадь тепловоспринимающей поверхности. Высокая скорость и высокая интенсивность конвективного теплообмена продуктов сгорания, вытекающих из топливника печи 2, обеспечивает возможность создания весьма эффективной теплообменной системы.
Для регулирования тяги в газовой отопительной печи 1 используют шибер 16, который перераспределяет поток дымовых газов по дымовым каналам 4.
В приемную камеру дымовой трубы 12 вентиляционный воздух поступает через отверстие для входа вентиляционного воздуха 14 и выходит через отверстие для выхода вентиляционного воздуха 15.
Движение дымовых газов и режим работы газовой отопительной печи 1 зависят от положения шибера 16.
Перед топкой газовой отопительной печи 1 сплошную часть шибера 17 выдвигают из дымовой трубы 13, освобождая проход для продуктов сгорания из дымовых каналов 4 в дымовую трубу 13. В то же время, сплошная часть шибера 17 перекрывает приемную камеру дымовой трубы 12, исключая, тем самым, движение продуктов сгорания из топливника печи 2 в дымовую трубу 13 по воздушному каналу 11, минуя дымовые каналы 4. Тягу в дымовых каналах 4 и дымовой трубе 13 регулируют выдвигая/задвигая сплошную часть шибера 17 из дымовой трубы 13.
В конце топки сплошную часть шибера 17 задвигают в дымовую трубу 13, при этом сплошная часть шибера 17 перекрывает сечение дымовой трубы 13 для выхода продуктов сгорания из дымовых каналов 4, в то время как часть шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха 18 открывает проход для поступления вентиляционного воздуха через отверстие для входа вентиляционного воздуха 14 из топливника печи 2 через воздушный канал 11. Таким образом, при закрытом шибере 16 дымовые каналы 4 не сообщаются с наружным воздухом, что способствует сохранению теплоты, аккумулированной кладкой газовой отопительной печи 1 за время натопа. Вместе с тем, открытый воздушный канал 11 обеспечивает вентиляцию только топочного объема газовой отопительной печи 1, предупреждая тем самым, образование взрывоопасной смеси газа с воздухом.
Сигнализатор тяги 19 прекращает подачу газа при отсутствии тяги в газовой отопительной печи 1, что важно для устойчивой работы газовой горелки 6. В этом случае можно прочистить и прогреть дымовые каналы 4 через герметичную дверцу 20. После использования газовой отопительной печи 1 перекрывают краны 8 и 9.
При установке газовой отопительной печи важно соблюдать международные, отечественные и местные нормы в области строительного законодательства, а также противопожарные нормативы. Дымовая труба 13 должна всегда превышать гребень крыши не менее чем на 1 м, обеспечивая надежный дымоотвод даже при наличии ветра. Для того, чтобы газовая отопительная печь 1 правильно работала, не вызывала перерасхода топлива и не ухудшала санитарных условий отапливаемого помещения, необходим тщательный уход за ней не только во время топки, но и в течение всего периода эксплуатации.
Преимущества предлагаемого изобретения:
- указанная газовая отопительная печь сберегает до 15% газового топлива. При этом дополнительные капитальные вложения в реконструкцию окупаются за 2,7 года;
- расширение функциональных возможностей печи;
- при правильной конструкции и надлежащей эксплуатации газовая отопительная печь может быть надежным и эффективным источником тепла;
- особенностью предлагаемой конструкции газовой отопительной печи является наличие специального воздушного канала;
- КПД печи не менее 85-90%;
- конструкция газовой отопительной печи создает нормальную тягу, которая гарантирует надежное проветривание дымоходов при случайном попадании в них горючего газа;
- конструкция газовой отопительной печи и режимы работы обеспечивают необходимый тепловой режим и безопасность эксплуатации;
- конструкторское решение предлагаемой газовой отопительной печи обеспечивает достаточно высокую эффективность использования газового топлива и практического применения;
- снижение затрат времени на обслуживание газовой отопительной печи.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них аналогичные признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая газовая отопительная печь отличается тем, что она дополнительно содержит приемную камеру дымовой трубы с отверстием для выхода вентиляционного воздуха и с отверстием для входа вентиляционного воздуха, воздушный канал, соединяющий топливник печи и приемную камеру дымовой трубы, при этом шибер расположен между отверстием для выхода вентиляционного воздуха и воздушным каналом и выполнен в виде двух частей сплошной и с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха, форма сплошной части шибера совпадает с сечением дымовой трубы, а форма части шибера с отверстиями для прохода вентиляционного воздуха совпадает с сечением приемной камеры дымовой трубы. Таким образом, заявляемая газовая отопительная печь соответствует критерию новизна.
Совокупность перечисленных условий, предусмотренных конструкцией газовой отопительной печи, обеспечивает более высокий коэффициент использования печи и, следовательно, экономию топлива, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
Заявляемая газовая отопительная печь является промышленно применимой, поскольку она может быть использована при печном газовом отоплении жилых домов, общественных зданий и других объектов.