Каталитическая отопительно-варочная твердотопливная печь длительного горения
CATALYTIC HEATING AND COOKING SOLID FUEL FURNACE OF LONG BURNING

Изобретение относится к тепловой технике, а именно к устройствам для обогрева помещений и приготовления пищи.
Известны отопительные твердотопливные печи длительного горения [1-3], в которых сжигание загруженного топлива осуществляется способом снизу вверх с выделением горючих газов из нагретой до высокой температуры части топливной загрузки, расположенной выше зоны горения. В данных печах для увеличения продолжительности горения загрузки топлива необходимо понижать генерируемую тепловую мощность. При этом смешение выделяющихся горючих газов с подаваемым воздухом затруднено, и это приводит к значительному недожогу сжигаемого топлива, что снижает КПД печи и приводит к несоответствию эксплуатационных показателей печи экологическим нормам.
Известна отопительная печь [4], в которой осуществляется сжигание загрузки топлива способом сверху вниз. В данной печи увеличение продолжительности горения загрузки топлива реализуется путем подачи воздуха в зону горения сверху через гофрированный воздуховод и распределитель, который имеет возможность перемещаться вниз по мере выгорания загрузки топлива. Конструктивное решение данной печи является сложным, уязвимым от повреждений при эксплуатации. Недостатком является и наличие недожога топлива при работе печи, увеличивающегося с ростом генерируемой тепловой мощности.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является печь длительного горения, содержащая металлические корпус с окружающим его кожухом, зольную дверцу, герметично закрывающуюся загрузочную дверцу, вертикальную камеру горения топлива и расположенную над ней камеру дожигания выделяющихся при работе печи горючих газов, варочную панель, духовой шкаф, вытяжную дымовую трубу с верхним и нижним патрубками для подвода дымовых газов, регулируемую заслонку в верхнем патрубке [5] - прототип. Наличие кожуха, экранирующего корпус печи, повышает ее пожарную безопасность и защищает обслуживающий персонал от возможных ожогов. Наличие верхнего патрубка с регулируемой заслонкой для подвода дымовых газов к вытяжной дымовой трубе облегчает запуск холодной печи в работу. К недостаткам известной печи длительного горения относится конструктивная сложность механического устройства для подачи воздуха сверху на горящее топливо в его загрузке. Наличие движущихся элементов в механическом устройстве в условиях повышенных температур при работе печи делает его малонадежным. Недостатком является и то, что нижний патрубок для подвода дымовых газов в вытяжную дымовую трубу соединен непосредственно с камерой горения топлива. Данное техническое решение приводит к большим потерям выделяющихся в загрузке нагретого твердого топлива горючих газов, которые вместе с дымовыми газами через вытяжную трубу будут выбрасываться в атмосферу, что снижает эффективность использования топлива и наносит экологический ущерб. Поступление выделяющихся из топлива горючих газов в камеру дожигания минимальное, и она не выполняет в полной мере свои функции. Поэтому использованный в известной печи длительного горения способ сжигания загрузки топлива сверху вниз с нижним выводом образующихся продуктов сгорания после их фильтрации через слой топлива может приводить к недопустимо большим потерям не только из-за химического недожога, но и значительного механического недожога, которые особенно велики при малых генерируемых мощностях, когда температура в зоне горения понижена.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в упрощении конструкции, увеличении эффективности работы печи.
Поставленная проблема решается тем, что каталитическая отопительно-варочная твердотопливная печь длительного горения, содержащая металлические корпус с окружающим его кожухом, зольную дверцу, герметично закрывающуюся загрузочную дверцу, вертикальную камеру горения топлива и расположенную над ней камеру дожигания выделяющихся при работе печи горючих газов, варочную панель, духовой шкаф, вытяжную дымовую трубу с верхним и нижним патрубками для подвода дымовых газов, регулируемую заслонку в верхнем патрубке, дополнительно содержит опускную камеру, в которой размещены один или несколько духовых шкафов, последовательно расположенные и соединенные друг с другом камера горения топлива, камера дожигания выделяющихся горючих газов и опускная камера образуют П-образный газовый тракт, верхний и нижний патрубки для дымовых газов соединены с опускной камерой, к внутренней поверхности корпуса примыкает теплоаккумулирующий слой, выполненный из огнеупорного материала. Кроме того, зольная дверца имеет отверстие с регулируемой заслонкой для прохода воздуха, в поперечном сечении камеры дожигания выделяющихся горючих газов расположена составленная из отдельных блоков и проницаемая для газов каталитическая перегородка, кожух и корпус на камере горения топлива и части камеры дожигания выделяющихся горючих газов образуют рубашку, имеющую в нижней части отверстие с регулируемой заслонкой для входа воздуха и щелевое отверстие для выхода воздуха в камеру дожигания, расположенное под герметично закрывающейся загрузочной дверцей, которая шарнирно закреплена на угловом срезе верхней части корпуса, варочная панель выполнена в виде горизонтальной плиты из жаростойкого металла, которая образует верхнюю стенку камеры дожигания, имеет одну или несколько конфорок и ребра на поверхности, обращенной в сторону камеры дожигания, торец нижнего патрубка со стороны противоположной опускной камере имеет газонепроницаемую в закрытом положении крышку, в дымовой трубе, непосредственно над нижним патрубком, размещена поворотная заслонка с противоугарным отверстием, в пространстве между верхним и нижним патрубками для подвода дымовых газов размещено теплоутилизационное устройство, опускная камера и камера горения топлива с частью камеры дожигания выделяющихся горючих газов имеют (как вариант) цилиндрическую форму и теплоаккумулирующий слой из клинового кирпича, уложенного всухую, камера горения топлива, опускная камера и дымовая труба с теплоутилизационным устройством размещены на общей опорной раме.
В отличие от известного устройства [5], наличие дополнительной опускной камеры, в которой размещены один или несколько духовых шкафов, последовательно расположенные и соединенные друг с другом камера горения топлива, камера дожигания выделяющихся горючих газов и опускная камера образуют П-образный газовый тракт, верхний и нижний патрубки для дымовых газов соединены с опускной камерой, к внутренней поверхности корпуса примыкает теплоаккумулирующий слой, выполненный из огнеупорного материала, приближает предлагаемое устройство по принципу действия к колпаковым печам и обеспечивает обогрев помещения в течение продолжительного времени и после завершения горения загрузки топлива. Нагретые в процессе горения топлива примыкающий к корпусу теплоаккумулирующий слой и газ, заполняющий П-образный газовый тракт, за счет содержащейся в них теплоты могут в несколько раз увеличить время выполнения печью отопительной функции по отношению к времени сгорания загрузки топлива. Устраняется прямой выход в дымовую трубу высокотемпературных, содержащих в своем составе продукты недожога, дымовых газов непосредственно из камеры горения и тем самым повышается эффективность работы печи и ее экологичность.
Наличие на зольной дверце отверстия с регулируемой заслонкой позволяет подавать в камеру горения первичный воздух с регулированием расхода потока, фильтрующегося через загрузку топлива снизу вверх. Поток холодного первичного воздуха является своего рода «затвором» для горячих продуктов сгорания, которые, имея меньшую плотность, устремляются вверх. Фильтрация холодного первичного воздуха сверху вниз через загрузку топлива предотвращает ранний нагрев топлива, его пиролиз и раннее зажигание. Все это способствует увеличению длительности процесса горения загрузки топлива.
Наличие в поперечном сечении камеры дожигания выделяющихся горючих газов составленной из отдельных блоков и проницаемой для газов каталитической перегородки создает условия для устранения в выбрасываемых дымовых газах сажи, горючих и токсичных компонентов за счет конверсии газообразных продуктов недожога в процессе гетерогенного катализа. Блоки каталитической перегородки при необходимости могут быть извлечены для регенерации или замены через конфорочные отверстия в плите и загрузочную дверцу. Блоки выполнены из огнеупорного материала, например шамота, в порах которого содержится каталитическое вещество - оксид никеля в количестве 0,5÷2,5% и оксид меди в количестве 1÷3% от всей массы катализатора [6].
То, что кожух и корпус на камере горения и части камеры дожигания выделяющихся горючих газов образуют рубашку, имеющую в нижней части отверстие с регулируемой заслонкой для входа воздуха и щелевое отверстие для выхода воздуха в камеру дожигания, расположенное под герметично закрывающейся загрузочной дверцей, которая шарнирно закреплена на угловом срезе верхней части корпуса, дает возможность обособить подачу и регулирование расхода вторичного воздуха от подачи потока первичного воздуха, что делает печь более управляемой. Поступающий через рубашку вторичный воздух является теплоизолирующей прослойкой, что способствует снижению температуры кожуха до безопасной для персонала нормативной величины. Угловое расположение загрузочной дверцы в верхней части корпуса облегчает процедуру загрузки топлива в камеру горения и создает удобства при проведении ревизий и ремонтных работ.
Выполнение варочной панели в виде горизонтальной плиты из жаростойкого металла, например чугуна, которая образует верхнюю стенку камеры дожигания, имеет одну или несколько конфорок и ребра на поверхности, обращенной в сторону камеры дожигания, отвечает функциональному назначению печи. Ребра на поверхности плиты расположены во взаимоперпендикулярных направлениях и образуют отдельные полости (соты), открытые со стороны потока дымовых газов в камере дожигания. За счет ребер увеличивается поток подводимой к плите теплоты для процесса варки и повышается механическая прочность плиты. Заполняющий межреберные полости газ во время работы печи имеет относительно однородную температуру и является своего рода «демпфером», защищающим плиту от жесткого теплового воздействия потока дымовых газов с неравномерной температурой в камере дожигания. При этом температурное поле в объеме плиты становится более равномерным, уменьшается опасность возникновения трещин из-за термических напряжений в плите, увеличивается срок ее службы.
Наличие газонепроницаемой в закрытом положении крышки на торце нижнего патрубка со стороны противоположной опускной камере и размещение в дымовой трубе поворотной заслонки с противоугарным отверстием, непосредственно над нижним патрубком, обеспечивает возможность периодического извлечения из опускной камеры и патрубка оседающих твердых частиц возможного уноса с дымовыми газами. Через крышку на торце нижнего патрубка удаляются и отложения на поверхностях теплоаккумулирующего слоя и духовых шкафов при их механической очистке через конфорочные отверстия плиты. Противоугарное отверстие в поворотной заслонке обеспечивает безопасную эксплуатацию печи, исключая выход угарных газов в отапливаемое помещение при закрытой заслонке, которые за счет самотяги через отверстие поступают в вытяжную дымовую трубу.
Размещение теплоутилизационного устройства в пространстве между верхним и нижним патрубком для подвода дымовых газов повышает эффективность использования топлива в печи. В теплоутилизационном устройстве осуществляется нагрев, например воды и/или воздуха, или высушивание материалов и продуктов за счет теплоты отходящих дымовых газов.
Выполнение опускной камеры и камеры горения топлива с частью камеры дожигания выделяющихся горючих газов цилиндрической формы, а теплоаккумулирующего слоя - из клинового кирпича, уложенного всухую, позволяет достичь большей прочности конструкции, технологичности изготовления, устойчивости при воздействии динамических нагрузок, возникающих во время транспортирования печи. Отпадает необходимость в устройстве температурных швов в теплоаккумулирующем слое, который одновременно является защитным футеровочным слоем для металлического корпуса. Равномерное распределение температур по круговому периметру сечений элементов, свойственное цилиндрической форме опускной камеры и камеры горения топлива, будет способствовать минимизации термических напряжений в элементах конструкции.
Наличие общей опорной рамы, на которой размещены камера горения топлива, опускная камера и дымовая труба с теплоутилизатором, обеспечивает блочность конструкции, высокую степень готовности заводского изготовления, удобство транспортирования и легкость установки на месте использования.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
В известных твердотопливных печах длительного горения [1-4] не предусмотрено каталитического дожигания выделяющихся горючих газов и аккумулирования теплоты в процессе горения загрузки топлива.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 показан продольный разрез каталитической отопительно-варочной твердотопливной печи длительного горения; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Каталитическая отопительно-варочная твердотопливная печь длительного горения содержит металлический корпус 1, к внутренней поверхности которого примыкает теплоаккумулирующий слой 2, выполненный из огнеупорного материала. Над вертикальной камерой 3 горения топлива расположена камера 4 дожигания, которые в совокупности с опускной камерой 5 образуют П-образный газовый тракт 6. Корпус 1 окружен кожухом 7 с образованием между ними щелевого пространства, которое перегородкой 8 разделено на левую часть 9 вокруг опускной камеры 5 и правую часть 10, являющуюся рубашкой камеры 3 горения и части камеры 4 дожигания. В нижней части рубашки 10 имеется отверстие 11 с регулируемой заслонкой 12 для входа воздуха и щелевое отверстие 13 для выхода воздуха из рубашки в камеру 4 дожигания, которое расположено под герметично закрывающейся загрузочной дверцей 14, закрепленной с помощью шарнира 15 на угловом срезе верхней части корпуса 1. Загрузочная дверца 14 имеет защитную футеровку 16 и может быть оборудована гляделкой со стеклом (на фиг. 1 не показана) для наблюдения за процессом горения загрузки топлива. Зольная дверца 17 имеет отверстие 18 с регулируемой заслонкой 19 для прохода воздуха. На внутренней стороне зольной дверцы 77 с помощью стержней 20 закреплен воздухопроницаемый ограничитель 21. Каталитическая перегородка 22, расположенная в поперечном сечении камеры 4 дожигания и составленная из отдельных блоков, имеет щелевые каналы 23 для прохода газов. Варочная панель в виде горизонтальной плиты 24 из жаростойкого металла имеет конфорки 25 и размещенные на внутренней поверхности ребра 26, образующие сотовые углубления. Духовые шкафы 27 с помощью опор 28 установлены в опускной камере 5. Верхний 29 и нижний 30 патрубки для отвода дымовых газов соединяют опускную камеру 5 с вытяжной дымовой трубой 31 и теплоутилизационным устройством 32. Регулируемые заслонки 33, 34, 35 и 36 обеспечивают управление отводом дымовых газов из опускной камеры 5. Расположенная в основании вытяжной дымовой трубы 31, непосредственно над нижним патрубком 30, регулируемая заслонка 36 имеет противоугарное отверстие 37. Торец нижнего патрубка 30 оборудован газонепроницаемой в закрытом положении крышкой 38. Нижние стенки камеры 3 горения и опускной камеры 5 покрыты слоями теплоизоляции 39. Камера 3 горения, опускная камера 5, вытяжная дымовая труба 31 и теплоутилизационное устройство 32 с опорной проставкой 40 размещены на общей опорной раме 41.
На фиг. 1 и 2 камера 3 горения и опускная камера 5 имеют цилиндрическую форму, которая является предпочтительной. Но в ряде случаев камеры 3 и 5 могут выполняться другой формы, например прямоугольной.
Каталитическая отопительно-варочная твердотопливная печь длительного горения работает следующим образом. При пуске печи в работу регулируемые заслонки 18 на отверстии 19 в зольной дверце 17 и 12 на отверстии 11 в кожухе 7, а также 33 в верхнем патрубке 29 открыты. Регулируемые заслонки 34, 35 и 36 закрыты. Через открытую загрузочную дверцу 14 в камеру 3 горения загружается твердое топливо. Это могут быть дрова, пеллеты, уголь, другие виды топлива. С помощью небольшого количества легковоспламеняющегося материала при открытой загрузочной дверце 14 производится розжиг загруженного топлива сверху загрузки. После розжига загрузочная дверца герметично закрывается. Первичный воздух в зону горения сверху загрузки топлива поступает из окружающей печь атмосферы помещения через отверстие 18 в зольной дверце 17, воздухопроницаемый ограничитель 21 и фильтруется через слой топлива снизу вверх благодаря самотяге вытяжной дымовой трубы 31. Вторичный воздух в камеру 4 дожигания поступает из окружающей печь атмосферы через отверстие 11 в нижней части рубашки 10, саму рубашку 10 и щелевое отверстие 13, расположенное под герметично закрытой загрузочной дверцей 14. Движущей силой движения потока вторичного воздуха снизу вверх является самотяга рубашки 10 из-за нагрева воздуха в ней и разрежения в камере 4 дожига, создаваемого вытяжной дымовой трубой 31. Образующиеся при горении твердого топлива дымовые газы из камеры 3 горения поступают в камеру 4 дожигания, проходят через щелевые каналы 23 каталитической перегородки 22, входят в верхний патрубок 29 с открытой заслонкой 33, затем - в вытяжную дымовую трубу 31, откуда выбрасываются в окружающую атмосферу вне помещения.
После того, как печь прогреется и самотяга дымовой трубы увеличится, осуществляется вывод печи на рабочий режим. При этом закрывается регулируемая заслонка 33 в верхнем патрубке 29 и открываются регулируемые заслонки 35 и 34 на пути движения дымовых газов до и после теплоутилизационной установки 32. Необходимая скорость горения загрузки топлива в камере 3 горения устанавливается путем изменения подачи первичного воздуха в зону горения с помощью регулируемой заслонки 19 на отверстии 18 зольной дверцы 17. Требуемая по условиям дожигания продуктов недожога, содержащихся в дымовых газах, подача вторичного воздуха в камеру 4 дожигания через щелевое отверстие 13 устанавливается с помощью регулируемой заслонки 12 на отверстии 11 кожуха 7. Дожигание продуктов недожога протекает в основном в щелевых каналах 23 каталитической перегородки 22, где дымовые газы приобретают наибольшую температуру. Высокая температура дымовых газов, а также наличие теплопроводящих ребер 26 способствует ускорению процесса варки на горизонтальной плите 24 с конфорками 25. Отдав часть своей теплоты на процесс варки, дымовые газы перемещаются вниз в опускной камере 5, обтекая духовые шкафы 27 и нагревая при этом в процессе теплопередачи через стенки шкафов находящийся в них продукт. Далее дымовые газы из опускной камеры 5 через нижний патрубок 30 поступают в теплоутилизационное устройство 32, где нагревают воду или/и воздух, которые могут использоваться для различных целей, в том числе и для отопления помещения. Охладившись в теплоутилизационном устройстве 32 до температуры, обеспечивающей необходимую самотягу, дымовые газы через верхний патрубок 29 поступают в вытяжную дымовую трубу 31, из которой выбрасываются в окружающую среду. При необходимости отключения теплоутилизационного устройства 32, например, для ревизии и ремонта, регулирующие заслонки 34 и 35 закрываются и открывается регулирующая заслонка 36 с противоугарным отверстием 37. Дымовые газы в этом случае из нижнего патрубка 30 поступают непосредственно в основание вытяжной дымовой трубы 31, по которой перемещаются вверх, минуя теплоутилизационное устройство 32.
На пути движения по П-образному тракту 6 дымовой газ нагревает теплоаккумулирующий слой 2, выполненный из огнеупорного материала и примыкающий к внутренней поверхности металлического корпуса 1. Щелевое пространство между корпусом 1 и кожухом 7, включающее в себя рубашку 10 и открытую сверху и снизу проточную левую часть 9, служит теплоизолятором, обеспечивающим требуемую по условиям безопасной эксплуатации печи температуру кожуха 7. Нагревающийся за время пребывания в проточной левой части 9 щелевого пространства воздух совершает циркуляционное свободно-конвективное движение в объеме помещения и таким образом обогревает его. Кроме того, обогрев помещения осуществляется за счет конвективной и лучистой теплоотдачи от нагретой наружной поверхности печи.
Время горения загрузки топлива в камеру 3 составляет первую стадию рабочего цикла печи. По завершению горения закрываются регулируемые заслонки 35 и 36. Закрытой должна быть и регулируемая заслонка 33. При этом выход дымовых газов из П-образного газового тракта 6 в вытяжную дымовую трубу 31 прекращается, кроме небольшого их количества, проходящего через противоугарное отверстие 37, что необходимо в соответствии с требованиями безопасной эксплуатации печи. Далее протекает вторая стадия рабочего цикла печи, в течение которой идет передача теплоты через стенки корпуса 1 и кожуха 7 от горячих теплоаккумулирующего слоя 2 и дымовых газов, замкнутых в объеме П-образного газового тракта 6, воздуху обогреваемого помещения. Во второй стадии печь выполняет преимущественно только функцию отопления помещения. После охлаждения печи и последующего удаления золы из камеры 3 горения через зольную дверцу 21, печь готова к загрузке новой порции топлива и следующему рабочему циклу.
Пример исполнения. Камера горения и опускная камера имеют внутренний диаметр 0,516 м и диаметр корпуса вокруг них - 0,744 м.
Цилиндрический теплоаккумулирующий слой в камерах выполнен из клинового шамотного кирпича со стандартными размерами 230×114×65×45 мм. По окружности камер всухую уложено по 36 кирпичей в каждом ряду, совокупность которых образует теплоаккумулирующий слой высотой 0,69 м. Дрова в количестве 50 кг загружаются в камеру горения слоем высотой 0,53 м. При низшей теплоте сгорания дров 12600 кДж/кг и рабочем цикле печи продолжительностью 24 часа ее средняя за цикл полезная тепловая мощность составляет 8,1 кВт, а тепловой КПД равен 0,9. Полезная тепловая мощность практически полностью затрачивается на обогрев помещения, в котором расположена печь. Стадии горения топлива и охлаждения печи имеют одинаковую продолжительность по 12 часов. Среднемассовая температура теплоаккумулирующего слоя в конце стадии горения топлива равна 400°С.
Высота расположения плиты с конфорками над уровнем пола составляет 0,8 м, что обеспечивает требуемые условия по обслуживанию печи и выполнению работ по варке пищи.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- проста конструкции, технологичность в изготовлении и обслуживании;
- раздельная и регулируемая подача потоков первичного и вторичного воздуха на горение исходного топлива и дожигание выделяющихся горючих продуктов, что улучшает управляемость работой печи;
- каталитическое воздействие на поток дымовых газов способствует завершенности реакций окисления горючих компонентов;
- высокий тепловой КПД;
- повышенная надежность и долговечность работы;
- возможность использовать различные виды и сорта твердого топлива, в том числе и низкокачественного;
- устойчивость процесса горения и полнота сжигания топлива в широких диапазонах изменения тепловой мощности печи и длительности горения загрузки топлива.
Использованные источники
1. Патент РФ №2001352. Лызо Б.Г., Николаев А.Н., Шипилов А.Е., Королев В.Б. Устройство для обогрева помещений. Опубл. 10.02.1995.
2. Патент РФ №2001353. Королев В.Б., Николаев А.Н., Олефир А.В., Полянский А.А. Воздухонагреватель. Опубл. 15.10.1993.
3. Патент РФ №2097660. Бумагин Е.К., Антошкин В.И., Старченков М.В. Печь конвекционная. Опубл. 27.11.1997.
4. Патент РФ №2459145. Илиодоров В.А. Способ сжигания твердого топлива и отопительный прибор для его осуществления. Опубл. 20.08.2012.
5. Патент РФ №2541971 С1. Илиодоров В.А. Устройство подачи воздуха в отопительных приборах верхнего горения. Опубл. 20.02.2015.
6. Патент РФ №2394643. Кузьмина Р.И., Панина Т.Г. Катализатор для сжигания топлив. Опубл. 20.07.2010.