СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА
METHOD OF HEAT TRANSFER

Изобретение относится к области передачи тепла, в частности к способам передачи тепла нагревательными приборами для обогрева бытовых, производственных и иных помещений.
Известен нагревательный аппарат, осуществляющий передачу тепла, содержащий корпус, на котором размещены топливный бачок, накопительный блок, соединенный трубопроводом, в котором установлен питающий узел с регулировочным элементом с фитильной горелкой с установленным в ней фитилем, выполненной в виде полой кольцевой чашки, на которой размещен предохранительный колпак, причем на днище топливного бака установлен клапан, сообщающий его с накопительным блоком. См. патент на полезную модель №20110 от 04.11.2000 года. Топливный бачок размещен внутри корпуса, в верхней части которого напротив бачка выполнено окно, закрытое крышкой, в которой выполнены сквозные отверстия, при этом на боковых стенках топливного бачка со стороны передней и задней стенок корпуса закреплены вертикальные ребра, размещенные в зазоре между соответствующими направляющими, закрепленными на внутренних сторонах передней и задней стенок корпуса, а на верхнем днище бачка закреплена ручка для подъема и опускания бачка. Основным достоинством предложенной полезной модели, по мнению авторов, является возможность вертикального подъема бачка и безопасной заливки топлива, предотвращение повреждений бачка за счет его установки на место при помощи ручек, выполненных в виде прорезей в верхних частях боковых стенок.
К недостаткам известного способа передачи тепла при помощи известного нагревательного аппарата можно отнести низкую эффективность теплоотдачи, невозможность использования большей части выделяемого при сгорании топлива тепла.
Известно более совершенное устройство, осуществляющее передачу тепла обогреваемому помещению - «Воздухонагреватель» - прототип - см. патент на полезную модель №38906, заявка №2004107629/22, публ. 18.03.2004 года. Воздухонагреватель содержит вертикальный цилиндрический корпус с патрубком отвода продуктов сгорания, цилиндрический теплообменник с центральным концентричным воздушным каналом, подключенный к нагнетателю воздуха, а также кольцевую камеру сгорания с горелочным устройством. Теплообменник выполнен в виде двух концентричных трубных обечаек с верхним кольцевым днищем и турбулизатором, размещенным в пространстве между обечайками, причем нижняя часть наружной трубной обечайки выполнена с цилиндрическим расширением, сопряженным с остальной частью этой обечайки посредством переходного конусного участка в виде конфузора, при этом в цилиндрическом расширении выполнена кольцевая в плане спиральная вихревая камера сгорания, образованная стенками концентричных трубных обечаек и спиральной полосой, закрепленной между ними, причем по кольцевой оси упомянутой спиральной камеры сгорания закреплена плавно изогнутая вертикальная пластина в виде газовоздушной горелки, ориентированной тангенциально к окружностям стенок камеры сгорания, при этом патрубок отвода продуктов сгорания соединен пространством теплообменника и расположен в его верхней части. Турбулизатор выполнен в виде спиральной полосы, закрепленной по высоте трубных обечаек. Нагнетатель выполнен в виде вентилятора со средством регулирования производительности.
К недостаткам известного способа передачи тепла при помощи известного воздухонагревателя - прототипа - можно отнести сложность конструкции и низкую эффективность использования тепла сгоревшего топлива.
Технической задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности упрощение конструкции печи и повышение эффективности теплоотдачи.
Поставленная изобретением техническая задача в способе передачи тепла, включающем нагрев воздуха при помощи горелки, смонтированной в полости печи, достигается тем, что первоначально передачу тепла от сгоревшего топлива осуществляют при помощи последовательного прохождения нагреваемого воздуха, по крайней мере, по одному ряду змеевидных, преимущественно горизонтально расположенных каналов воздуховода рекуператорного контура печи, затем скорость нагреваемого воздуха увеличивают путем его прохождения по спиралеобразному, поднимающемуся вверх каналу воздуховода, при этом нагреваемый воздух дополнительно разгоняют при помощи контрастной температуры кольцевой воздушной прослойки, контактирующей с наружной стенкой аккумулятора-теплообменника.
Новизной предложенного технического решения является первоначальная передача тепла от сгоревшего топлива при помощи последовательного прохождения нагреваемого воздуха, по крайней мере, по одному ряду змеевидных, преимущественно горизонтально расположенных каналов воздуховода рекуператорного контура печи, затем скорость нагреваемого воздуха увеличивают путем его прохождения по спиралеобразному поднимающемуся вверх каналу воздуховода, при этом нагреваемый воздух дополнительно разгоняют при помощи контрастной температуры кольцевой воздушной прослойки с продуктами сгорания топлива, контактирующей с наружной стенкой аккумулятора-теплообменника.
Указанные признаки являются новыми, неочевидными, промышленно выполнимыми и направлены на достижение поставленной изобретением технической задачи.
Так, последовательное прохождение нагреваемого воздуха по нескольким рядам змеевидных каналов воздуховода, смонтированных друг над другом в нижней рекуператорного контура печи, позволяет эффективно с максимальной теплоотдачей передать тепло от продуктов сгорания топлива проходящему по воздуховоду воздуху. Наличие аккумулятора-теплообменника с меньшей температурой наружной стенки с заполненной в нем воды обеспечивает лучшую конвекцию и теплопередачу тепла от сгоревшего топлива нагреваемому в спиралеобразном воздуховоде воздуху. При этом нагреваемый в воздуховоде воздух в максимально разогретой нижней конвекторной зоне печи сначала движется медленно, принимая тепло, а в верхней части печи за счет спиралеобразного поднимающегося вверх воздуховода, выполненного вокруг аккумулятора тепла-теплообменника, набирает дополнительную скорость, затем разгоняется за счет контрастных температур наружных стенок воздуховода и аккумулятора-теплообменника, между которыми проходят продукты сгорания топлива, и далее с необходимой скоростью и заданной температурой нагретый воздух выходит из выходного патрубка печи и направляется на обогрев помещения.
На фиг.1 схематично представлена предлагаемая низкотемпературная конвекторная печь, при помощи которой осуществляется предлагаемый способ.
На фиг.2 показано прохождение нагреваемого воздуха по змеевидным каналам в каждом ряду нижней конвекторной части печи.
Предлагаемая низкотемпературная конвекторная печь, осуществляющая предлагаемый способ, состоит из корпуса, выполненного из тонкостенной стали толщиной от 0,5 до 3 мм в виде двух контуров - нижнего 1 конвекторного и верхнего 2 спиралеобразного. Воздуховод 3 в нижней 1 конвекторной части корпуса выполнен в виде трех змеевидных рядов 4, расположенных друг над другом с четырьмя последовательно связанными каналами в нечетных рядах и тремя каналами в четных. Между воздуховодами в каждом ряду выполнены чередующиеся каналы 5 для прохода продуктов сгорания топлива. Спиралеобразный воздуховод 6 верхнего 2 контура печи выполнен вокруг аккумулятора-теплообменника 7 с подводящим 8 и отводящим 9 воду патрубками. Емкость 10 с топливом смонтирована в нижнем 1 конвекторном контуре печи. Емкость 10 снабжена фитильной горелкой 11, снабженной механизмом подъема фитилей для регулировки интенсивности горения фитилей (механизм подъема фитилей на чертеже не показан). Вместо фитильной горелки может быть использована газовая горелка или твердое топливо, сгораемое на колосниковой решетке с ворошителем.
С наружной стороны корпуса печи смонтирован кожух 12, в пространстве между которым и корпусом находится воздух. Для придания заданной скорости теплообмена печь снабжена вентилятором 13. Клапан 14 выполнен на канале отвода продуктов сгорания. Один из воздуховодов 4, например крайний 15 справа в нижнем ряду, обеспечивает подачу холодного воздуха, а верхний канал 16 воздуховода вверху слева в спиралеобразном воздуховоде (см. фиг.1) обеспечивает отвод нагретого воздуха.
Предлагаемый способ передачи тепла при помощи низкотемпературной конвекторной печи работает и передает тепло одинаково как в случае сгорания жидкого топлива в фитильной горелке 11, так и от сгорания газа на газовой горелке и при сжигании твердого топлива угля, опилок и т.п. вида топлива.
Предлагаемый способ передачи тепла осуществляется следующим образом.
При начале загорания фитилей, установленных в фитильной горелке 11, поворотом механизма регулирования устанавливается необходимая интенсивность горения фитилей. Нагретый воздух, находящийся над фитильной горелкой 11, вместе с продуктами сгорания топлива начинает нагреваться и контактировать с наружной поверхностью смонтированных рядами змеевидных тонкостенных каналов воздуховода 3, воздух в котором начинает тоже нагреваться и под действием конвекторных сил последовательно перемещается по каждому змеевидно изгибающемуся горизонтальному ряду каналов, постепенно поднимаясь вверх и переходя из первого ряда воздуховодов во второй и третий. Проходя рекуперативную часть печи (змеевидно расположенные в горизонтальных рядах нижней конвекторной части в поперечном сечении выполненные в шахматном порядке и чередующимися), нагреваемый воздух из змеевидного воздуховода 3 поступает в спиралеобразный воздуховод 6 верхнего контура 2 печи, где нагретый воздух через тонкостенный материал воздуховода соприкасается с продуктами сгорания топлива, проходящими по кольцевой воздушной прослойке, которые соприкасаются с менее нагретыми стенками аккумулятора-теплообменника 7, в котором циркулирует нагреваемая вода.
При этом в воздуховоде 6 со стороны аккумулятора-теплообменника 7 тепла идет интенсивная отдача тепла, а со стороны обратной от аккумулятора-теплообменника 7 тепла достигнутая при нагреве температура сохраняется. Из-за разности температур в воздуховоде 6 начинается интенсивное перемешивание и ускорение воздушного потока, который на выходе имеет скорость, достаточную для подачи нагретого воздуха к распределителям (не показаны), смонтированным в обогреваемом помещении. При необходимости скорость подачи нагретого воздуха в помещении поддерживается включением вентилятора 13. Продукты сгорания вместе с нагретым воздухом, находящимся в каналах 5 (промежутках) между каналами змеевидного воздуховода 3, отдавая тепло, постепенно по рядам каналов перемещаются вверх, нагреваются и поднимаются из нижнего 1 конвекторного контура в спиралеобразный воздуховод 6 верхнего 2 контура печи. При этом в верхнем 2 спиралеобразном контуре продукты сгорания топлива передают тепло воде, залитой при помощи патрубков 8 и 9 в аккумулятор-теплообменник 7 тепла. Продукты сгорания, отдав тепло воде аккумулятора тепла, удаляется из печи. Для регулирования отдачи тепла в верхней части канала для выхода продуктов сгорания топлива смонтирован клапан 14, регулирующий скорость прохождения выходящих газов. Во время работы в печи достигается температура 300-400 градусов, после чего на необходимую величину открывается клапан 14, включается вентилятор 15 и осуществляется продувка печи. При этом при прохождении потоков воздуха в змеевидных каналах воздуховода 3 и каналах 5 для прохождения продуктов сгорания создается статическое электричество, которое способствует перемещению горячих потоков воздуха.
Далее горячие потоки воздуха, попадая в спиралеобразный канал воздуховода верхней части печи, раскручиваются, образуя вихревой поток с более высокой скоростью. В замкнутой системе воздухотока предложенная схема обогрева начинает работать непрерывно. При отсутствии необходимости в ускорении потоков нагретого воздуха вентилятор 13 отключается, а нагретый воздух по каналу 16 воздуховода 6 подается на обогрев помещения.
Наличие поплавкового механизма поддержания уровня топлива в емкости с топливом при помощи клапана (не показан) обеспечивает стабильный режим сгорания топлива. Смонтированный снаружи печи короб 12 способствует сохранению тепла внутри печи и более эффективной его отдачи нагреваемому воздуху. Выполнение воздуховода 3 прямоугольного сечения и при изменении направления под прямым углом обеспечивают лучшую теплоотдачу, а в вариантном исполнении воздуховод может быть выполнен круглого поперечного сечения, а в местах изменения направления воздуховода закругленными. Разборная конструкция печи позволяет осуществлять более удобную ее транспортировку и монтаж, а ее выполнение из тонкостенного материала стали толщиной 0,5-3 мм обеспечивает быструю передачу тепла нагреваемому воздуху.
Конкретный пример осуществления предлагаемого способа передачи тепла.
При загорания фитилей, установленных в фитильной горелке 11, поворотом механизма регулирования установили необходимую интенсивность горения фитилей. Нагретый воздух, находящийся над фитильной горелкой 11, вместе с продуктами сгорания топлива начал нагреваться, подниматься вверх и контактировать с наружной поверхностью смонтированных рядами змеевидных тонкостенных каналов воздуховода 3. Воздух в воздуховоде тоже начал нагреваться и под действием конвекторных сил последовательно перемещаться по каждому змеевидно изгибающемуся горизонтальному ряду каналов, постепенно подниматься вверх и переходить из первого ряда воздуховодов во второй, а затем в третий. Пройдя рекуперативную часть печи (змеевидно расположенные в горизонтальных рядах нижней конвекторной части в поперечном сечении выполненные в шахматном порядке и чередующимися), нагреваемый воздух из змеевидного воздуховода 3 поступил в спиралеобразный воздуховод 6 верхнего контура 2 печи, где через тонкостенный материал воздуховода соприкасался с продуктами сгорания топлива, проходящими по кольцевой воздушной прослойке, которые одновременно соприкасались с менее нагретыми стенками аккумулятора-теплообменника 7, в котором находилась поданная по патрубку 8 нагреваемая вода.
В воздуховоде 6 со стороны аккумулятора-теплообменника 7 тепла шла интенсивная отдача тепла, а со стороны обратной от аккумулятора-теплообменника 7 тепла достигнутая при нагреве температура сохранялась. Из-за разности температур в воздуховоде 6 начиналось интенсивное перемешивание и ускорение воздушного потока, который на выходе имел скорость, достаточную для подачи нагретого воздуха к распределителям (не показаны), смонтированным в обогреваемом помещении. При розжиге печи по достижении в рекуператорной части температуры в 350 градусов на 1/3 открыли клапан 14 и включением вентилятора 13 осуществили продувку воздуховода печи. После продувки при установившемся режиме вытяжки вентилятор 13 выключили. Продукты сгорания, находящиеся в каналах 5 (промежутках) между каналами змеевидного воздуховода 3, отдавали тепло постепенно по рядам каналов и перемещались вверх из нижнего 1 конвекторного контура в верхний 2 контур. При этом в верхнем 2 контуре продукты сгорания топлива передавали часть тепла воде, залитой при помощи патрубков 8 и 9 в аккумулятор-теплообменник 7. Продукты сгорания, отдав тепло воде аккумулятора-теплообменника 7, удалялись из печи через открытый клапан 14. Регулирование отдачи тепла осуществлялось при помощи клапана 14, который регулировал скорость прохождения выходящих продуктов сгорания (газов). Во время работы в печи была достигнута температура 380 градусов С, после чего на необходимую величину открыли клапан 14, установили на 1/5 часть сечения выходного для продуктов сгорания канала.
При прохождении потоков воздуха в змеевидных каналах воздуховода 3 и каналах 5 для прохождения продуктов сгорания создавалось статическое электричество, которое способствовало перемещению горячих потоков воздуха. О наличии статического электричества свидетельствовали закрепленные на наружной стенке воздуховода и внутренней стенке нижнего контура печи проводники, на выходе которых из полости печи при контакте возникала искра.
Горячие потоки воздуха попадали в спиралеобразный канал воздуховода верхней части печи, раскручивались, образовывали вихревой поток с более высокой скоростью.
В замкнутой системе воздухотока предложенная схема обогрева начинала работать непрерывно.
Наличие дополнительных механизмов и деталей печи, в частности поплавкового механизма поддержания уровня топлива в емкости с топливом, смонтированный снаружи печи короб 12, выполнение воздуховода 3 прямоугольного сечения и при изменении направления под прямым углом обеспечивали лучшую теплоотдачу, а в вариантном исполнении при выполнении воздуховода круглого поперечного сечения и в местах изменений направления воздуховода закругленными обеспечивали стабильный режим сгорания топлива, способствовали сохранению тепла внутри печи и более эффективной его передачи нагреваемому воздуху.
Предложенный способ передачи тепла может осуществляться практически на всех видах топлива (керосин, газ, уголь, древесные опилки и т.д. и их смеси) автономно для обогрева любых помещений, не требующих создания особых условий и площадей для их размещения. Так, при работе печи с твердым топливом последнее сгорает на колосниковой решетке с ворошителем топлива (не показаны) и отдает тепло нагреваемому воздуху и воде аккумулятора-теплообменника 7. При нагреве воздуха при помощи газовой горелки процесс передачи тепла точно такой же, как и при передаче тепла при сжигании жидкого или твердого топлива.
Дополнительным преимуществом предложенной печи является возможность ее использования без схем централизованной передачи тепла от ТЭЦ, при которых потери тепла составляют до 40 процентов. В конструкции предлагаемой печи использованы тонкостенные материалы, например стальной лист толщиной от 0,5 до 3,0 мм, которые способствовали быстрой передаче тепла от теплоносителя к нагреваемому воздуху. Температуру потоков воздуха регулировали путем уменьшения величины пламени горения фитилей фитильной или газовой горелок, а при сжигании твердого топлива путем изменения количества подаваемого в камеру сгорания воздуха за счет открывания на заданную величину пропускающей воздух к топливу дверцы, выполненной в нижней части нижнего контура печи.
В настоящее время автором изготовлена опытная низкотемпературная конвекторная печь, при помощи которой были успешно проведены испытания на обогреве отдельно стоящего жилого дома с обогреваемой площадью 186 м.кв. в течение зимнего 2006 года сезона. Обогрев производился сжиганием жидкого топлива - керосина в смеси с отработанным моторным маслом. Расход жидкого топлива в месяц составил около 7 литров. В стоимостном отношении, если считать, что обогрев производился только за счет керосина с розничной ценой 14 руб./литр, затраты составляют - сумму 7 л × 8 месяцев × 14 руб.=784 руб., что значительно меньше, чем коммунальная оплата за тепло за такое же по площади помещение.
Автором принято решение об организации производства предложенных низкотемпературных печей, осуществляющих предлагаемый способ передачи тепла.