Парогенерирующий модуль

Полезная модель относится к области тепловой техники, а именно к устройствам перманентной генерации сухого перегретого водяного пара с целью создания комфортной для потребителя банной атмосферы.
Современные банные печи преимущественно получают водяной пар посредством испарения воды с разогретой массивной каменной закладки. Такой способ получения пара имеет существенные недостатки. Пар генерируется порциями с определенной периодичностью. Это приводит к неравномерности распределения пара внутри помещения. Кроме того, способ генерации пара с открытой или закрытой каменки характеризуется тем, что пар покидает область контакта с нагретыми поверхностями, не получив достаточной тепловой обработки. Степень диспергирования воды в таком паре имеет невысокие показатели, пар получается условно «сырой». Капли воды в паровоздушной смеси «сырого пара» имеют относительно большие геометрические размеры. В обиходе такое пар называют влажным, сырым, тяжелым паром, туманом. Чтобы получить прозрачный сухой перегретый, так называемый «легкий пар», в котором вода максимально растворена и пар имеет максимально благоприятные кондиции для дыхания и слизистых поверхностей, требуется подвергнуть влажный пар дополнительной тепловой обработке.
Кроме того, следует учесть, что традиционные банные печи являются печами с форсированным горением и характеризуются большим расходом топлива. При этом много тепловой энергии выбрасывается в дымоход. Это не только снижает КПД печи, приводит к повышенному расходу топлива, но и ведет к перегреву дымового тракта, что приводит к пожароопасным ситуациям в местах прохождения дымохода через потолок и строительные конструкции здания. Парогенерация, на которую затрачивается тепло, отнимаемое у дымовых газов, снижает перегрев дымохода и понижает степень пожарной опасности.
Устройства для образования пара внутри бани известны и широко применяются. Например, известно устройство для образования пара (патент РФ № 2520111, опубл. 2014 г.), устанавливаемое преимущественно в печь для бани, содержащее емкость для парообразующей жидкости с входным и выходным патрубками, имеющую верхнее и нижнее основания и боковую стенку, и выполненную преимущественно в виде полого цилиндра, причем выходная часть входного патрубка для подачи парообразующей жидкости внутрь указанной емкости размещена в нижней части упомянутой емкости, предпочтительно на нижнем основании, а входная часть входного патрубка расположена выше верхнего основания, при этом входная часть выходного патрубка расположена на верхнем основании, а выходной патрубок выполнен в форме спирали, преимущественно спирали Архимеда, причем диаметр витков указанной спирали выполнен таким образом, что обеспечивается установка упомянутой спирали на нагревательный элемент печи, преимущественно дымовую трубу печи.
Недостатком данной конструкции является то, что тепловой поток для прогрева влажного пара внутри витков спирали теплообменника поступает через две стенки. Сначала он должен преодолеть термическое сопротивление стенок дымохода, поверх которого надевается спираль теплообменника, а затем он должен преодолеть вторую стенку уже непосредственно витков спирали теплообменника-пароперегревателя. Но так как любой материал и металл имеет термическое сопротивление, то часть тепловой энергии на пути от горячих дымовых газов внутри дымохода до влажного пара внутри теплообменника будет дважды частично утеряна. Площадь теплообменника контактирует с дымоходом только частично на ограниченной площади боковой стенки спирали.
Известна печь для бани с пароперегревателем (патент РФ №1 48660, опубл. 2014 г.), содержащая корпус, выполненный в виде топливника с отверстием для подачи топлива, закрывающийся крышкой, устройство дозирования воздуха, дымоход, при этом она содержит полость с водой, образованную стенками корпуса и/или дымохода, и соединенный с ней каналом пароперегреватель. При этом пароперегреватель контактирует со стенками корпуса топки.
Недостатком данного технического решения является то, что поверхность пароперегревателя контактирует с горячим корпусом топки частично только с одной стороны. Другая поверхность пароперегревателя контактирует с внешней атмосферой, что отнимает у теплообменника часть тепла, и влажный пар получает менее интенсивную тепловую обработку.
Наиболее близким из известных технических решений (прототипом) является печь для бани (патент РФ на полезную модель № 154892, опубл. 2015 г.), содержащая топку, отверстие для подачи топлива, дымоход, пароперегреватель и соединенную с ним полость для испарения воды, образованную стенками, частью которых являются нагреваемые до температуры кипения воды поверхности печи. Пароперегреватель и полость для испарения воды соединены между собой каналом.
Недостатком прототипа является однозначная интеграция элементов конструкции парогенератора с другими элементами конструкции печи. В частности, с корпусом топки и дымоходом. Данный парогенератор приспособлен функционировать только в составе данной конкретной печи, в которую он встроен в процессе ее изготовления. Блок элементов, отвечающих за парогенерацию, конструктивно невозможно изъять для обслуживания или ремонта. Для каждого типоразмера печи изготавливается свой специальный парогенератор. Для того чтобы потребитель получил возможность создать внутри своей парилки микроклимат влажной бани при помощи парогенерации, он будет вынужден заменить старую печь, не приспособленную к перманентной парогенерации, на новую парогенерирующую. При этом при демонтаже старой печи потребуется разрушить или заменить часть стены, в которую был встроен топливный портал старой печи.
Задачей полезной модели является создание парогенерирующего модуля в виде унифицированного единого блока, функционально взаимосвязанных элементов для установки в корпус печи либо в корпус навесного теплового прибора, монтируемого на дымоход. Такой конструктивный блок представляет собой функциональный парогенерирующий модуль, который можно использовать как при изготовлении вновь создаваемых парогенерирующих печей, так и при изготовлении навесного контейнера, который можно встраивать в дымоход ранее произведенных простых печей.
Технический результат достигается тем, что парогенерирующий модуль содержит емкость для воды, соединенный с ней каналом-паропроводом пароперегреватель, сопло пароперегревателя, выполненное с возможностью выхода пара сквозь внешний корпус устройства наружу, при этом пароперегреватель выполнен в виде пустотелой емкости с возможностью размещения внутри него направляющих перегородок, а дымоход образован стенками емкости для воды. Газопламенный поток омывает пароперегреватель со всех сторон. Корпусом для парогенерирующего модуля может служить корпус печи или корпус контейнера, встраиваемого в дымоход.
Предлагаемый парогенерирующий модуль представляет собой унифицированный функциональный блок, который можно встроить как в топку новой печи в процессе ее производства, так и в отдельный корпус навесного парогенератора, который предназначен для монтирования на дымоход.
Данная полезная модель решает задачу по эффективной передаче тепловой энергии через как можно меньшее количество разделяющих стенок, используя максимально возможную площадь теплопередачи, чтобы обеспечить надежный переход воды из фазы жидкого состояния в фазу насыщенного влажного пара, а затем обеспечить дальнейший переход влажного пара в состояние мелкодисперсного сухого перегретого пара. При этом пар генерируется равномерно длительный промежуток времени. А при дополнении его автоматическим устройством пополнения воды в емкости парогенератора, парогенерация становится постоянной, автоматической, перманентной.
Сущность заявленного технического решения поясняется рисунками, где на фиг. 1 представлена общая схема парогенерирующего модуля, где 1 - емкость для воды, 2 - канал-паропровод, 3 - пароперегреватель, 4 - сопло пароперегревателя, 5 - патрубок дымохода.
На фиг. 2 представлен пример выполнения печи со встроенным парогенерирующим модулем, где 6 - корпус топки печи.
На фиг. 3 представлен пример, где корпусом для парогенерирующего модуля является корпус навесного контейнера 7, который при помощи стандартных посадочных диаметров посредством входного патрубка дымохода 8 и выходного патрубка дымохода 5, встраивается в дымоход любой подходящей по производительности печи (показана пунктиром).
На фиг. 4 представлен частный пример выполнения парогенерирующего модуля, встроенного в корпус навесного натрубного контейнера с пароперегревателем в виде пустотелого цилиндра.
Например, работа парогенерирующего модуля, когда он встроен в корпус топки печи (фиг. 2), происходит следующим образом.
Когда печь растоплена, газопламенный поток устремляется вверх к выходному патрубку дымохода 5 в область более низкого давления, по пути омывая пламенем погруженный в топку пароперегреватель 3. Его стенки раскаляются. Перед тем, как газопламенный поток устремится сквозь патрубок дымохода 5, образованный стенками емкости для воды 1, он омывает и передает днищу емкости для воды 1 мощный поток тепла. И далее часть тепла через стенки дымохода поступает к воде. Вода внутри емкости для воды 1 быстро нагревается и закипает. Над зеркалом воды создается избыточное давление паровоздушной смеси, которое выдавливает сырой пар через канал-паропровод 2 вниз, в полость пароперегревателя 3, который может быть выполнен, например, в виде полого цилиндра, внутри которого установлены направляющие перегородки (на фигурах не показаны), формирующие плоский лабиринт, удлиняющий путь паровоздушной смеси с целью увеличить время тепловой обработки пара. Раскаленные пламенем стенки и внутренние перегородки пароперегревателя 3 активно передают тепловую энергию влажному пару, придавая ему кондиции сухого перегретого пара. Далее через сопло пароперегревателя 4 пар под некоторым избыточным давлением выходит в атмосферу парилки. Для защиты потребителя от ожогов, сопло пароперегревателя 4 может оснащаться либо отбойником, который рассеивает струю, либо струя пара выводится под защитное ограждение топки (на фиг. не показано). Струя перегретого пара активно перемешивается с воздухом парилки, передает ему тепловую энергию и влагу. Водяной пар в качестве теплоносителя передает тепловую энергию стенам помещения. Парилка быстро нагревается и достигает банных кондиций.
Фиг. 3 иллюстрирует вариант, когда корпусом для парогенерирующего модуля является корпус навесного контейнера 7.
В данном случае эксплуатация парогенерирующего модуля осуществляется следующим образом. Корпус навесного контейнера 7, в который интегрирован парогенерирующий модуль, при помощи входного патрубка 8 и выходного патрубка дымохода 5 подключается к какой-либо обычной печи и ее дымоходу. Это выглядит - как встраивание парогенерирующего контейнера в уже существующий дымоход в участок после печи. Для этого удаляется некоторый участок старого дымохода, и вместо него на это место встраивается контейнер с парогенерирующим модулем. Газопламенный поток, образованный горением топлива в топке печи, двигается по дымоходу и попадает внутрь корпуса навесного контейнера 7. Далее он рассекается корпусом пароперегревателя 3 на несколько потоков, которые огибают его корпус и омывают его пламенем со всех сторон. Корпус пароперегревателя 3 разогревается до высокой температуры. Потоки пламени, огибая пароперегреватель 3 сверху, одновременно разогревают днище емкости для воды 1, которая установлена выше, и удаляются через выходной патрубок дымохода 5, образованный внутренними стенками емкости для воды 1. Газопламенный поток быстро разогревает стенки и запас воды. Вода закипает, и над ее зеркалом создается избыточное давление паровоздушной смеси. Благодаря чему влажный пар выдавливается из емкости для воды 1 через канал-паропровод 2 в корпус пароперегревателя 3. Далее принцип работы устройства аналогичен описанию к фиг. 2. Влажный пар досушивается в пароперегревателе 3 и через сопло пароперегревателя 4, проходящее сквозь стенку корпуса навесного контейнера 7, выбрасывается наружу в атмосферу парилки. Таким образом, печь, которая ранее не имела функции парогенерации, при помощи навесного контейнера с интегрированным в него стандартным парогенерирующим модулем приобретает новое потребительское свойство. Значительно быстрее обогревает парилку при помощи теплоносителя в виде пара, а кондиции воздуха становятся при этом более комфортными, так как воздух несколько увлажняется. Относительная влажность воздуха увеличивается до 45-50% вместо прежнего показателя 10-15%.
Парогенерирующий модуль представляет собой стандартную сборку, которую легко производить методами серийного производства, добиваясь высокого качества при низкой себестоимости. При этом парогенерирующий модуль может быть использован как при создании новых печей, так и для производства навесных контейнеров для уже существующих ранее произведенных печей. Это достигается тем, что данная технологическая сборка легко интегрируется как единое целое как в корпус новой печи при ее изготовлении, так и в корпус навесного контейнера, который потом будет использоваться для модернизации старых печей.
При этом следует заметить, что КПД системы значительно возрастает, так как для своей работы парогенерирующий модуль забирает тепло у дымовых газов. Эндотермический процесс испарения забирает и утилизирует для полезной работы тепло, которое ранее бесполезно выбрасывалось через дымоход в атмосферу вместе с дымом. Данное тепло отбирается у дымовых газов и возвращается в помещение посредством теплоносителя в виде водяного пара, совершая полезную работу по прогреву пользователей и стен парильного помещения.
На практике при строительстве бань существует проблема обеспечения пожарной безопасности из-за того, что перегретые дымоходы требуют тщательной теплоизоляции от строительных конструкций. По статистике большинство пожаров в банных сооружениях происходят именно по причине возгорания в области стропильных конструкций на чердаке. Внедрение в конструкцию банные печей парогенерирующего модуля не только повышает КПД печи, ведет к снижению расхода топлива, повышает комфорт воздуха парилки, благодаря увлажнению воздуха, но и значительно снижает риск пожарной опасности при эксплуатации бани, так как температура дымохода снижается и требуется меньше усилий для его термоизоляции при строительстве.
Предлагаемое устройство парогенерирующего модуля успешно решает поставленные задачи.