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, патенты 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 дожига 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. При увеличении камеры сгорания возрастает вероятность перехода печи в неуправляемый режим. 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, телескопический 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 (и, как следствие, КПД) 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. В прототипе вывод уже охлажденных дымовых газов осуществляется через отверстие в нижней части корпуса. В этом случае теплообменную поверхность печи приходится выбирать такой, чтобы при минимальной тепловой мощности температура дымовых газов была не ниже требуемой. При этом на больших и средних 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 большая стоимость воздуховода, ограниченный срок его эксплуатации в условиях высоких температур и сравнительно высокая уязвимость от повреждений при нарушении правил эксплуатации. В конструкции также использован сравнительно громоздкий и тяжелый распределитель воздуха.
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 верхним и нижним отверстиями для отвода дымовых газов, загрузочной и зольной газоплотными дверцами, а также теплоизолирующий экран, распределитель воздуха включает два неподвижных вертикальных воздуховода с продольными щелями, каждый из которых имеет подвижную ленту с приводным окном, через которое лента входит в зацепление кронштейном с водителем окон, а между собой воздуховоды соединены поперечным воздуховодом, размещенным под днищем корпуса, механизм перемещения расположен над центром тяжести водителя окон в режиме подъема и гибким элементом из жаропрочной проволоки крепится к нему, причем в патрубке верхнего отверстия для отвода дымовых газов установлена заслонка, управляемая вторым терморегулятором, размещаемым на этом патрубке, а в корпусе выполнены вертикальные щели, сопрягающиеся со щелями в воздуховодах, закрепляемых на корпусе, в каждой ленте выполнены основное и дополнительное окна, основное окно расположено ниже приводного окна, а дополнительное выше, при этом площадь основного окна составляет 65-75% от площади поперечного сечения вертикального воздуховода, а дополнительного окна - 25-35%, воздухозаборное отверстие выполнено в поперечном воздуховоде, а установленная на нем заслонка связана через тягу, проходящую вдоль корпуса, и коромысло с верхней поверхностью корпуса, при этом ось коромысла закреплена на теплоизолирующем экране, который содержит каркас с внутренним теплоизолирующим покрытием, имеющим зеркальный в инфракрасном диапазоне наружный слой.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-2, где показаны вид печи сверху и в разрезе и обозначено: 1 - корпус печи, 2 - загрузочная дверца (зольная дверца расположена в нижней части корпуса на рисунках не показана), 3 - патрубок верхнего отверстия для отвода дымовых газов, 4 - патрубок нижнего отверстия для отвода дымовых газов, 5 - вертикальные щели в корпусе 1, 6 - вертикальные воздуховоды, 7 - продольные щели в вертикальных воздуховодах, 8 - замкнутые в кольцо отрезки гибкой ленты, 9 - обводные ролики, 10 - приводное окно, 11 - основное окно, 12 - дополнительное окно, 13 - поперечный воздуховод, 14 - заслонка воздухозаборного отверстия, 15 - тяга заслонки, 16 - коромысло, 17 - осевой кронштейн, 18 - опорный кронштейн, 19 - регулировочный винт с приводным диском, 20 - водитель окон, 21 - кронштейн приводного окна, 22 - гибкий элемент механизма перемещения водителя окон, 23 - направляющая трубка, 24 - приводная петля, 25 - терморегулятор дымовых газов, 26 - заслонка выходного патрубка, 27 - привод заслонки, 28 - соединительная дымовая труба, 29 - боковой элемент теплоизолирующего экрана, 30 - верхний элемент теплоизолирующего экрана.
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 относительно центра печи. В верхней части корпуса выполнена загрузочная 2, а в нижней части зольная дверцы. Дверцы должны быть выполнены газоплотными в закрытом положении для исключения подсоса воздуха при работе печи. На задней поверхности корпуса 1 выполнены два отверстия для вывода дымовых газов, к которым подсоединены верхний патрубок 3 и нижний 4. На фронтальной поверхности корпуса по его бокам выполнены вертикальные щели 5. Для предотвращения тепловой деформации металла вдоль щели (при использовании сравнительно тонкого металла) по ее бокам могут выполняться (устанавливаться) ребра жесткости. Воздуховоды 6 и 13 предназначены для канализации воздуха от воздухозаборного отверстия в зону горения печи. Два вертикальных воздуховода 6 соединены между собой поперечным воздуховодом 13. Площадь сечения поперечного воздуховода 13 с воздухозаборным отверстием вдвое превышает площадь эффективного (в плоскости обводного ролика) поперечного сечения вертикального воздуховода 6. При этом площадь сечения воздухозаборного отверстия выбирается исходя из максимальной тепловой мощности печи, с учетом высоты подъема заслонки 14. Верхние концы вертикальных воздуховодов 6 заглушены, а нижние входят в поперечный воздуховод 13. На сторонах вертикальных воздуховодов 6, обращенных к корпусу, выполнены щели, сопрягающиеся по размерам со щелями 5 в корпусе 1. Между воздуховодами 6 и 13 и корпусом устанавливаются герметизирующие прокладки, предотвращающие подсос воздуха в камеру сгорания при работе печи. Воздуховоды 6 и 13 изготавливаются из обычного металла, поскольку не подвергаются воздействию высоких температур. В каждом вертикальном воздуховоде 6 вплотную к щели на обводных роликах 9 устанавливается замкнутый отрезок ленты 8. Лента 8 выполняется из тонкой нержавеющей стали 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 ею перемещении вокруг роликов. В ленте 8 выполнены несколько окон - приводное окно 10, основное окно 11 и дополнительное окно 12. Площадь основного окна 11 составляет 65-75% от площади эффективного (в плоскости ролика) поперечного сечения вертикального воздуховода, а дополнительного окна 5 - 25-35%. Расстояние r между основным и дополнительным отверстиями приблизительно выбирается из соотношения r=a·в-0.5в, где a - размер узкой стороны окна 11, в - размер широкой (вертикально расположенной) стороны окна 11. При недостаточных прочностных характеристиках материала ленты приводное окно 10 по периметру дополнительно упрочняется, поскольку через него осуществляется привод всего кольца ленты 8. Основное окно 11 может выполняться в виде нескольких секций, общая площадь которых должна быть равна требуемой площади для окна 11. Дополнительное окно 12 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 6 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 6 приводится в движение водителем окон 20, который входит в зацепление с приводным окном 10 с помощью кронштейнов 21, закрепляемых на водителе окон 20 при монтаже. Водитель окон 20 изготавливается из жаропрочного материала, например из чугуна или жаропрочной стали. Масса водителя окон может не превышать несколько килограммов. Механизм перемещения водителя окон 20 включает гибкий элемент 22 и направляющую трубку 23. В качестве гибкого элемента 22 может быть использована тонкая гибкая проволока из жаропрочного металла. Гибкий элемент 22 крепится к водителю окон в центре его тяжести в режиме подъема. То есть с учетом силы сопротивления подвижных лент 8 в воздуховодах 6. Однако, поскольку сила сопротивления лент 8 не превышает нескольких сот грамм, а масса водителя окон несколько килограмм, центр тяжести водителя окон 20 в режиме подъема практически будет совпадать с центром тяжести водителя окон 20. Противоположный конец гибкого элемента 22 заканчивается петлей 24, которая при поднятом водителе окон зацепляется за соответствующий крючок на теплоизолирующем экране (не показан на рисунке). Направляющая трубка 23 снаружи корпуса огибает его до теплоизолирующего экрана 29, направляя проволоку с наружной стороны экрана. В выступающей за корпус 1 верхней части воздуховода 13 выполнено воздухозаборное отверстие. Для управления объемом входящего в печь воздуха используется заслонка 14 в виде пластинки, которая управляется от терморегулятора. Терморегулятор включает тягу 15, равноплечное коромысло 16, осевой кронштейн 17, опорный кронштейн 18, регулятор тепловой мощности 19. Опорный кронштейн 18, опирающийся на корпус 1, выполнен с возможностью регулировки длины с помощью регулятора тепловой мощности 19 (например, в виде винта с приводным диском). Тяга 15 проходит вплотную к стенке корпуса 1 (с возможностью свободного смещения относительно него) и не жестко крепится к заслонке 14. Осевой кронштейн 17 с коромыслом 16, имеющим одинаковые по длине плечи, устанавливается на экране 29. В патрубке 3 установлена заслонка 26, управляемая терморегулятором 25 через привод 27. Верхний 3 и нижний 4 патрубки, дымовая труба 28 и заслонка 26 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 27 выполняется в виде шарнирного соединения, соединяющего заслонку 26 и терморегулятор 25. Привод 27 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 печи. Терморегулятор 25 может быть выполнен, например, из биметаллической пластины, огибающей патрубок 3 и закрепляемой другим концом на нем. Теплоизолирующий экран 29, 30 предназначен для повышения пожарной безопасности печи за счет снижения температуры наружной поверхности экрана до безопасного уровня (30-40°C). Кроме того, экран служит для формирования воздушного канала, повышающего эффективность конвективного теплосъема с корпуса 1 печи. Экран 29, 30 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. В зависимости от конфигурации оребрения на верхней поверхности корпуса в верхнем элементе экрана 30 выполняются одно или несколько отверстий, улучшающие циркуляцию воздуха. А в боковом элементе 29 напротив дверок корпуса в экране выполняются дверки. Для повышения пожарной безопасности печи патрубки 3 и 4 и дымовая труба 28 до теплоизолированного дымохода также могут быть закрыты дополнительным экраном аналогичной конструкции или покрыты теплоизолирующим материалом (кроме места крепления терморегулятора 25). На части канала между корпусом и экраном (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. К этому баку для повышения безопасности параллельно ему может подсоединяться (через термостат) радиатор.
Работает печь следующим образом. С помощью гибкого элемента 22 водитель окон 20 поднимается в верхнее положение и фиксируется в этом положении петлей 24 за соответствующий крючок на экране 29 или в нижней части корпуса. Если в печи имеется избыточное количество золы, то она удаляется через зольную дверцу. Через загрузочную дверку 2 осуществляется загрузка топлива 31, в частном случае дров. Если печь находится в холодном состоянии, то заслонки 14 и 26 находятся в открытом положении. Затем топливо поджигается и после появления тяги водитель окон 20 опускается на топливо, а загрузочная дверца 2 закрывается. Управляющий винт 19 терморегулятора заслонки 14 устанавливается на заданную тепловую мощность, а при необходимости привод 27 терморегулятора 25 дымовых газов на заданную температуру этих газов. После закрытия дверцы 2 воздух в камеру сгорания будет поступать через воздуховоды 13 и 6, основные окна 11. Образующиеся в процессе горения топлива дымовые газы поступают в верхний патрубок 3 для отвода дымовых газов и через непродолжительное время прогревают его. После нагрева патрубка 3 терморегулятор 25 дымовых газов начинает прикрывать заслонку 26, тем самым уменьшая поток горячих дымовых газов через верхний патрубок 3. При этом за счет тяги дымохода настолько же увеличивается поток дымовых газов через нижний патрубок 4. Но через этот патрубок будут выводиться уже остывшие дымовые газы, отдавшие свое тепло корпусу печи. В процессе горения терморегулятор 25 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 на различных тепловых мощностях печи. Вывод дымовых газов преимущественно через нижнее отверстие приводит к тому, что горячие газы, образующиеся в процессе сжигания топлива, будут находиться больше времени в верхней части корпуса, отдавая тепло стенкам печи. При этом создаются условия для более полного сжигания горючих газов. Этим обеспечивается практически максимально возможный отбор тепла от дымовых газов к корпусу печи (за счет увеличения времени и площади теплообмена). По мере сгорания топлива водитель окон 20 опускается, перемещая при этом ленту 8. Через основное отверстие 11 воздух постоянно поступает под водитель окон 20 непосредственно к топливу, обеспечивая устойчивость процесса его горения. При этом одновременно в камеру сгорания через дополнительное отверстие 12 поступает часть воздуха, которая используется для дожига горячих горючих газов, образующихся в процессе реакции окисления топлива. Тем самым обеспечивается наиболее полное использование его теплотворного потенциала.
Если в процессе горения топлива внутри него будут встречаться места с повышенной влажностью или плотностью, то в этом месте замедляется выгорание топлива, водитель окон 20, опираясь на эту несгоревшую часть топлива, наклоняется больше в сторону лучше выгорающей части топлива. При этом поступающий под водитель окон 20 воздух будет подниматься преимущественно в сторону поднятой части водителя окон 20. Конструкция водителя окон 20 позволяет наклоняться ему в двух плоскостях на угол 20-30°. За счет этого создаются условия для выгорания вышерасположенной части более влажного или плотного участка топлива. И после его сгорания водитель окон 20 опять выравнивается, а топливо продолжает гореть в прежнем режиме. Тем самым обеспечивается сравнительно равномерное горение топлива, имеющего различные неоднородности. При этом производимая тепловая мощность будет колебаться в небольших пределах (по сравнению с аналогами). Пропорционально производимой тепловой мощности будет прогреваться корпус печи (температура поверхности может достигать значений 200-300°C и более). Соответственно пропорционально температуре корпуса 1 вследствие температурного расширения будет изменяться его длина и длина тяги 15, проходящей вдоль корпуса. Если температура корпуса превысила заданную температуру (задается длиной опорного кронштейна 18), то длина корпуса и длина тяги увеличатся пропорционально этой разности температур и заслонка 14 опустится на удвоенную величину изменения длины корпуса. Это обусловлено тем, что коромысло 16 осевым кронштейном 17 опирается на экран 29, который практически не нагревается и, следовательно, его длина в процессе нагрева печи существенно не меняется. При опускании заслонки 14 она прикрывает воздухозаборное отверстие, тем самым уменьшая поступление воздуха в зону горения. Как следствие, уменьшается выделяемая тепловая мощность и постепенно снижается температура корпуса печи. Размещение воздухозаборного отверстия в нижней части котла позволяет практически вдвое повысить чувствительность терморегулятора и, соответственно, точность его работы (по сравнению с известными терморегуляторами, принцип действия которых основан на использовании удлинения корпуса отопительного прибора). Как известно, при работе печи ее корпус нагревает находящийся вокруг него воздух путем конвективного теплообмена, эффективность которого возрастает с ростом температуры. Однако из-за требований пожарной безопасности температура печи не должна быть слишком высокой, в том числе из-за роста доли радиационного излучения. В предлагаемой конструкции печи для повышения эффективности процесса теплосъема снаружи печи размещен теплоизолирующий экран 29, 30 с зеркальным (в инфракрасном диапазоне) внутренним покрытием. Радиационное излучение печи, отражаясь от этого покрытия, дополнительно нагревает корпус печи. При этом тепловой поток через зеркальное покрытие ослабляется 10-13 раз (через весь экран еще больше), вследствие чего наружный каркас экрана не будет нагреваться выше безопасных температур 30-40°C. В образованном между корпусом 1 печи и экраном 29 воздушном канале нагретый воздух поднимается вверх, засасывая снизу холодный воздух. Тяга в этом воздушном канале пропорциональна температуре нагретого воздуха (зависящего от температуры корпуса печи) и высоты канала. Наличие экрана с отражающими и теплоизолирующими свойствами позволяет повысить допустимую температуру корпуса печи (по сравнению с аналогами) и за счет этого (наряду с оребрением корпуса) увеличить теплосъем с корпуса печи при обеспечении высокой ее пожарной безопасности.
Таким образом, введение в конструкцию печи системы поддержания минимально допустимой температуры дымовых газов и повышение эффективности теплосъема позволяют обеспечить максимально возможный КПД при различных тепловых мощностях, а также при сжигании топлива с повышенной и неоднородной влажностью. Тем самым достигается существенное повышение экономичности печи в широком диапазоне условий ее эксплуатации. 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 печи.
Предлагаемое техническое решение системы подачи воздуха в зону горения в печах верхнего горения позволяет существенно упростить и удешевить их конструкцию, уменьшить объем и массу. За счет этого увеличивается полезный объем в печи относительно ее габаритных размеров и, как следствие, возрастает тепловая производительность единицы объема корпуса. Это позволяет при равных с прототипом (и другими аналогами) габаритах печи увеличить продолжительность ее горения, одну из основных эксплуатационных характеристик.
Уровень разработки находится в стадии разработки рабочих чертежей печи с целью организации серийного производства печей длительного горения с различной тепловой мощностью.