ПЕЧЬ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе.
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 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. Кроме того, указанные печи, как правило, имеют высокую температуру корпуса, что увеличивает их пожароопасность.
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.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно повышение стабильности КПД печи во всем диапазоне генерируемых тепловых мощностей, а также ее пожарной безопасности.
Указанная цель достигается тем, что печь содержит корпус, состоящий из нескольких панелей, в котором выполнены нижнее и верхнее отверстия для отвода дымовых газов, отверстия с газоплотными загрузочной и зольной дверцами, воздухозаборное отверстие, соединенное через воздуховод с распределителем воздуха, который содержит пластину-основание с отверстием в центре, с закрепленным над ним патрубком, имеющим отверстия в боковой поверхности и внешнее подвижное кольцо с фиксатором относительно патрубка и ответными отверстиями, а также дополнительную пластину с отверстием в центре, закрепляемую под основной пластиной, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25%, площадь отверстия в дополнительной пластине около 45%, а площадь сечения между пластинами в проекции образующей патрубка около 55% от площади отверстия в патрубке, при этом в патрубке верхнего отверстия для отвода дымовых газов установлена заслонка, имеющая ручной и автоматический привод от терморегулятора, установленного на дымовой трубе, второй терморегулятор установлен на корпусе и соединен с заслонкой над воздухозаборным отверстием, а снаружи корпуса в нескольких сантиметрах от него установлен теплоизолирующий экран, внутренняя поверхность которого выполнена с высоким коэффициентом отражения в ИК-области спектра.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где печь показана в разрезе, и обозначено: корпус, содержащий верхнюю панель 1 с воздухозаборным патрубком 5, переднюю панель 2 с загрузочной 6 и зольной 7 дверцами, заднюю панель 3 с верхним 9 и нижним 10 отверстиями для вывода дымовых газов, основание 4 и боковые панели (не показаны на чертеже), соединяемые друг с другом замковыми соединениями 12 через уплотнитель 13, распределитель воздуха, содержащий воздуховод 14, пластину-основание 15, патрубок 16, подвижное кольцо 17, дополнительную пластину 18, транспортирующий трос 19, терморегулятор 20, заслонка 21, теплоизолирующий экран, содержащий каркас 22, теплоизолирующее покрытие 23.
Все панели корпуса изготавливаются из стали с необходимой для обеспечения требуемой конструкционной прочности толщиной и соответствующей жаростойкостью. В центре верхней панели 1 выполнено воздухозаборное отверстие, над которым установлен патрубок 5. К верхней части патрубка крепится воздуховод 14, который убирается в патрубок при подъеме распределителя воздуха. В передней панели 2 выполнены два отверстия, которые закрываются загрузочной 6 и зольной 7 дверцами, в которых размещена теплоизоляция 8, уменьшающая нагрев дверок в процессе работы печи. Для исключения подсоса воздуха в процессе ее работы дверцы выполняются с газоплотными уплотнениями (не показаны на чертеже). В задней панели 3 выполнены верхнее 9 и нижнее 10 отверстия для вывода дымовых газов. В патрубке верхнего отверстия 9 размещена заслонка 11, имеющая ручной и автоматический привод, который подсоединен к терморегулятору, размещенному на трубе выше печи. Указанный терморегулятор может быть выполнен, например, на основе биметаллической пластины и особенностей не имеет. Терморегулятор 20 также может быть выполнен на основе биметаллической пластины или регулятора, использующего различие коэффициентов расширения корпуса печи и теплоизолирующего экрана. Терморегулятор 20 механически связан с заслонкой 21, которая также имеет ручной привод. Панели корпуса и основание 4 соединяются между собой однотипными замковыми соединениями 12 через уплотнитель 13. Для этого на планках 12 и панелях выполняются выступы, которые взаимно зацепляются при соединении соответствующих элементов. Для увеличения тепловой мощности печи наружная поверхность панелей может быть оснащена вертикальным оребрением. Воздуховод 14 может быть выполнен из гофрированной трубы, например, из термостойкой кремнеземной ткани, пропитанной силиконом и армированной жаростойкой стальной спиралью. Пластина 15 распределителя воздуха в зависимости от конфигурации и размеров отопительного прибора может быть выполнена круглой, квадратной или прямоугольной формы с отверстием в центре. К ней крепится патрубок 16. Патрубок 16 с боковыми отверстиями в нижней части, расположенными на противоположных сторонах, предназначен для канализации воздуха от воздуховода 14 под дополнительную пластину 18, над пластиной 15 и между пластинами 15 и 18. Для регулировки соотношения объемов воздуха, поступающего под пластину 15 и над ней, используется подвижное кольцо 17, имеющее боковые отверстия, совпадающие с такими же отверстиями в патрубке 16, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25% от площади отверстия в пластине 15. В зависимости от вида топлива и его влажности положением кольца 17 осуществляется регулировка коэффициента избытка воздуха. Например, для угля или торфяных брикетов этот коэффициент устанавливается больше. Для этого отверстия в патрубке 16 и кольце 17 (в зависимости от положения кольца) могут быть полностью перекрыты глухой частью стенок патрубка и подвижного кольца, частично или полностью открыты. Отверстия в патрубке и кольце могут выполняться, например, прямоугольными на четверть окружности каждое на противоположных сторонах соответствующего элемента. Площадь указанных отверстий выбирается такой, чтобы обеспечить прохождение через них объема воздуха, необходимого для дожига горючих газов, образующихся в процессе горения топлива и его пиролиза. Для фиксации подвижного кольца 17 в нижней его части выполняются небольшие углубления, а на пластине 15 - соответствующий им выступ. Дополнительная пластина 18 предназначена для нагрева проходящего между пластинами воздуха, снижения тепловой нагрузки на остальные элементы распределителя воздуха и выполняется из более жаропрочного материала, чем остальные его элементы. Расстояние между пластинами 15 и 18 выбирается таким, чтобы обеспечить прохождение между пластинами около 55% воздуха, прошедшего через патрубок 16. Площадь отверстия в пластине 18 составляет около 45% от площади отверстия в патрубке 16. Распределитель воздуха в исходное состояние приводится с помощью троса 19, конец которого закрепляется за соответствующий крючок на теплоизолирующем экране. Теплоизолирующий экран 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 печи. Экран состоит из каркаса 22, изготовленного из тонкого металла, и теплоизолирующего покрытия 23. В качестве теплоизолирующего покрытия может быть использован, например, стекловойлок толщиной несколько миллиметров, покрытый со стороны, обращенной к печи, фольгой, имеющей высокий коэффициент отражения в ИК-диапазоне. К верхней части канала между корпусом и экраном может быть подсоединен воздуховод, по которому нагретый воздух канализируется в другое помещение, например второй этаж. Для расширения функциональных возможностей печи она может быть оснащена навешиваемым на корпус баком для подключения к контуру горячего водоснабжения, а также теплоизолированным духовым шкафом с варочной панелью.
Работает печь следующим образом. С помощью троса 19 распределитель воздуха поднимается в верхнее положение и фиксируется в этом положении. Если в печи имеется избыточное количество золы, то она удаляется через зольную дверцу 7. Через загрузочную дверку 6 осуществляется загрузка топлива 24, в частном случае дров. Заслонка 21 переводится в открытое положение. Затем топливо поджигается, распределитель воздуха опускается на топливо, заслонка 11 открывается, привод терморегулятора 20 устанавливается на заданную тепловую мощность, а загрузочная дверца 6 закрывается. Далее заслонка дымовых газов 11 переводится в режим автоматического управления от терморегулятора температуры дымовых газов. После закрытия дверцы 6 воздух в камеру сгорания будет поступать через патрубок 5, воздуховод 14, патрубок 16, отверстия в пластинах 15, 18. При этом часть воздуха, проходящая между пластинами 15 и 18, нагревается, одновременно охлаждая эти пластины. Другая часть воздуха (около 25-35%) через патрубок 16 и отверстия в пластинах 15 и 18 поступает под пластину 18. Между пластинами 15 и 18 проходит около 35-45% воздуха. Еще одна часть воздуха (от 20 до 40%, в зависимости от положения подвижного кольца 17 относительно патрубка 16) поступает над распределителем воздуха и используется для дожига горючих газов, образующихся в процессе горения топлива и его пиролиза. Далее дымовые газы поступают в верхнее отверстие для отвода дымовых газов 9 и через непродолжительное время прогревают дымоход. После нагрева трубы дымохода до требуемой температуры и стабилизации в нем тяги терморегулятор дымовых газов прикрывает заслонку 11, тем самым уменьшая поток горячих дымовых газов через верхнее отверстие 9. При этом за счет тяги дымохода на столько же увеличивается поток дымовых газов через нижнее дымовое отверстие 10. Но через нижнее отверстие будут выводиться уже остывшие дымовые газы, отдавшие свое тепло корпусу печи. В процессе горения терморегулятор 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 экраном. 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 экрана обратно на корпус. При этом одновременно уменьшается (более чем на порядок) тепловой поток через теплоизолирующее покрытие 23, тем самым обеспечивается приемлемая температура наружной поверхности экрана. За счет достаточно интенсивного потока воздуха, проходящего в канале между корпусом и экраном, нижняя часть корпуса не нагревается до высоких температур. Это обусловлено тем, что через материал корпуса тепловой поток оказывается сравнительно небольшим (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. 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.
Из-за специфики газодинамики потоков воздуха и дымовых газов в отопительных приборах верхнего горения выгорание топлива происходит преимущественно с одной стороны распределителя воздуха. И при жесткой конструкции воздуховода происходит зависание распределителя воздуха. А затем либо его провал в выгоревшую часть топлива, либо угасание топлива и остановка отопительного котла. В описываемой конструкции за счет гибкости воздуховода 14 пластина 15 (и все остальные прикрепленные к ней элементы) наклоняется в сторону выгоревшей части топлива, и распределение воздуха в камере сгорания изменяется. Поскольку нагретый воздух стремится к верху, то под верхнюю часть наклоненного диска начинает поступать больше воздуха, а под нижерасположенную часть меньше. За счет этого ускоряется выгорание вышерасположенной части топлива и происходит почти полное выравнивание пластины 15. Если топливо равномерное (по плотности, влажности, укладке), то выгорание топлива будет происходить с небольшим уступом до основания камеры сгорания. Если в процессе горения топлива внутри него будут встречаться места с повышенной влажностью или плотностью, то в этом месте замедляется выгорание топлива, пластина 15, опираясь на эту несгоревшую часть топлива, наклоняется больше в сторону лучше выгорающей части топлива. За счет этого создаются условия для выгорания более влажного или плотного участка топлива. И после его сгорания пластина 15 опять выравнивается, и без провалов распределителя воздуха 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 на всех этапах работы печи и 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 разной теплоизоляцией), обеспечив при этом высокую пожарную безопасность системы отопления.
В описанной печи также достигаются упрощение конструкции за счет упрощения распределителя воздуха, уменьшения его массы, а также выполнение корпуса в виде панелей, соединяемых при сборке между собой. Кроме того, выполнение корпуса из отдельных панелей позволяет частично или полностью автоматизировать изготовление элементов конструкции, повысить качество их изготовления и удешевить производство. При этом обеспечивается высокая ремонтопригодность печи, в том числе за счет возможности замены вышедших из строя элементов и возможности профилактического обслуживания, для увеличения сроков ее эксплуатации.
В целом в предлагаемой конструкции печи за счет стабилизации параметров горения на всех этапах сжигания топлива независимо от его состава, влажности и плотности достигается повышение ее эффективности и надежности и появляется возможность увеличить объем печи, объем загружаемого топлива и, как следствие, продолжительность горения до нескольких сотен часов.