ПЕЧЬ ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА Российский патент 1995 года по МПК F24B7/02 

Изобретение относится к области энергетики к печам и системам отопления.

Известна печь для нагрева воздуха, содержащая камеру сгорания, состоящую по крайней мере из двух отсеков, совмещенную с теплообменником, выполненным в виде перекрестно-разведенных чередующихся, идентичных, дугообразных каналов, расположенных на внешней поверхности камеры, систем подачи первичного и вторичного потоков воздуха и кожух.

Недостатком известного устройства является относительно высокая температура внешней поверхности (кожуха) теплообменника в виде дугообразных каналов и, как следствие, невысокий КПД печи и ограниченная производительность нагретого воздуха. Кроме того, способ реализации теплообменного устройства в виде массивных стальных полых дуг сильно ограничивает расход теплого воздуха, утяжеляет конструкцию и понижает эффективность преобразования энергии сжигаемого топлива в конвективный поток энергии теплого воздуха.

Цель изобретения достижение высокого КПД печи, т.е. высокого коэффициента преобразования радиационной составляющей в конвективную составляющую теплового потока, что обеспечивает значительно большую производительность нагретого воздуха.

Цель достигается тем, что конструкция печи для нагрева воздуха содержит камеру сгорания, состоящую по крайней мере из двух отсеков, совмещенную с теплообменником, выполненным в виде перекрестно-разведенных чередующихся идентичных дугообразных каналов, распложенных на внешней поверхности камеры, систем подачи первичного и вторичного потоков воздуха и кожух. Кожух выполнен из четырех раздельных секций, две из которых расположены у боковых стенок камеры сгорания и повторяют профили упомянутых каналов, а две другие расположены над верхней и под нижней стенками камеры сгорания и представляют собой вогнутые в сторону камеры поверхности. Верхняя секция кожуха выполнена с возможностью перемещения ее боковых краев. Расстояние d от любой секции кожуха до поверхности дугообразной части теплообменных каналов удовлетворяет соотношению d ≅ 2δ, где δ толщина свободноконвективного пограничного слоя.

Предлагаемое конструктивное выполнение кожуха, во-первых, позволяет формировать дополнительные каналы для свбодноконвективного потока нагретого воздуха, тем самым увеличивая эффективную площадь проходного сечения, во-вторых, он усиливает конвекцию в дугообразных каналах теплообменой поверхности, в-третьих, он играет роль дополнительного экрана для теплового излучения и тем самым увеличивает площадь теплообменной поверхности, а также приводит к понижению температуры наружной поверхности печи, что в совокуности и обусловливает повышение как КПД, так и производительности нагретого воздуха.

Необходимость выполнения кожуха в виде четырех раздельных секций обусловлена тем, что именно четыре указанным образом расположенные секции обеспечивают оптимальные условия для подсоса воздуха в кожух снизу и разветвлений линий тока в кожухе, а также для эффективного ускоренного выхода нагретого воздуха сверху при слиянии всех сформированных кожухом линий тока. Указанный характер формируемого кожухом течения воздуха обеспечивает максимальные КПД и производительность при наименьшем гидравлическом сопротивлении воздушных трактов и максимальной теплоотдаче.

Необходимость выполнения профиля боковых секций кожуха, повторяющего профили дугообразных каналов, продиктована требованием усиления конвекции в дугообразных каналах теплообменной поверхности и требованием усиления подсоса холодного воздуха снизу в пространстве между дугообразными каналами и боковыми секциями кожуха (эффект кожуха).

Необходимость выполнения верхней и нижней секции кожуха в виде вогнутых в сторону камеры сгорания поверхностей связана с естественным требованием формирования каналов с наименьшим гидравлическим сопротивлением для прохождения нагретого воздуха и его ускорения. Вогнутость верхней секции кожуха характеризуется переменным радиусом кривизны. Соотношение максимального и минимального радиусов кривизны для верхней секции кожуха определяется, с одной стороны, радиусом кривизны боковой секции кожуха, а с другой стороны условием оптимизации либо расхода, либо энтальпии потока нагретого воздуха на выходе. Радиус кривизны нижнего кожуха также близок к максимальному радиусу кривизны боковой секции кожуха, а его конкретное значение определяется конструкцией подставки к печи. Верхняя и нижняя секции кожуха должны касаться соответственно верхних и нижних концов дугообразных каналов так, чтобы направление касательной к секции кожуха совпадало с направлением линий тока воздуха.

Таким образом, избранный характер топологии течения обеспечивает максимальную производительность печи, поскольку соответствует естественным направлениям линий тока течения воздуха при естественной конвекции. Двух боковых поверхностей указанного профиля достаточно для проявления эффекта кожуха, одна нижняя поверхность формирует условия для оптимального подсоса воздуха у пола, а верхняя секция кожуха, с одной стороны, способствует снижению потерь при отрывных течениях вблизи верха камеры сгорания, а с другой, обеспечивает оптимальный ускоренный выброс нагретого воздуха в помещение.

Выполнение верхней секции с возможностью перемещения ее боковых краев позволяет регулировать и оптимизировать расход и потоки энтальпии (температуру) нагретого воздуха, обеспечивать маневренность режимов работы печи и достигать необходимых параметров воздуха без вмешательства в процессы горения, в различных климатических и сезонных условиях в зависимости от требований потребителя. Возможность регулирования связана с тем, что максимум расхода воздуха и максимум потока энтальпии в зависимости от положения боковых краев, в общем случае, не совпадают.

Необходимость выполнения условия того, что расстояние d от любой секции кожуха до поверхности дугообразной части теплообменных каналов удовлетворяет соотношению d ≅ 2δ, где δ толщина свободноконвективного пограничного слоя
δ 4,23 ν кинематическая вязкость, а температуропроводность, β коэффициент термического расширения воздуха, g ускорение свободного падения, (Т_с Т_о) разность температур между нагретой поверхностью и окружающей средой, L высота (диаметр) нагретой поверхности, продиктована тем, что только при этом условии достигается максимальный расход воздуха через кожух и наиболее сильно проявляется усиливающий конвекцию эффект кожуха. Несоблюдение указанного соотношения приводит к уменьшению тяги, понижению производительности печи и КПД. Удаление кожуха на большие расстояние, как и сближение его с теплообменной поверхностью дугообразных каналов вплоть до полного контакта эквивалентно возвращению к прототипу.

На фиг. 1 приведена конструкция печи; на фиг.2 линии тока конвективных течений воздуха.

Печь состоит из камеры 1 сгорания, включающей в себя отсеки 2 и 3, теплообменника 4, системы 5 подачи первичного воздуха, системы 6 подачи вторичного воздуха, кожуха 7, состоящего из четырех секций, и механизма 8, обеспечивающего перемещение боковых краев верхней секции кожуха.

Печь для нагрева воздуха работает следующим образом. После зажигания топлива в камере 1 сгорания устанавливаются необходимые для поддержания горения положения регулировочных устройств системы 4 подачи первичного воздуха, поступающего в первый отсек камеры 2 сгорания и системы 5 подачи вторичного воздуха, поступающего в отсек камеры 3 сгорания. Нагретый вблизи камеры сгорания воздух, расширяясь, поднимается вверх, что формирует подъемную силу и тягу, обеспечивающую всос холодного воздуха из окружающей среды через нижние отверстия в кожухе 7, его движение в кожухе и выброс через верхние отверстия кожуха теплого воздуха в обогреваемое помещение. Развитая поверхность теплообменник 4 в виде дугообразных каналов формирует естественноконвективный поток как внутри каналов, так и вблизи их внешней по отношению к камере сгорания поверхности. Одновременно обеспечивается и преобразование потока тепла излучением в поток тепла за счет теплопроводности через стенки поперек упомянутых каналов. Внешняя часть теплообменной поверхности, формируемая дугообразными каналами, передает часть тепла излучением на внутреннюю часть кожуха 7 и часть тепла конвекцией за счет движения воздуха между указанной поверхностью и кожухом. Таким образом осуществляется второй этап преобразования потоков тепловой энергии. Заключительная стадия процесса производства теплового воздуха связана с выбросом энергии нагретого воздуха из кожуха в помещение, а также из конвективного пограничного слоя на внешних поверхностях боковых и верхней секций кожуха 7 в помещение. Боковые края верхней секции кожуха устанавливаются с помощью механизма 8 перемещения в то положение, которое обеспечивает необходимые режимные параметры воздуха расход и температуру.

П р и м е р. Номинальная мощность изготовленной печи, предназначенной для обогрева помещения объемом 100 150 м³, равнялась 1,5 кВт. Номинальная мощность печи зависит от вида топлива. При сжигании березовых дров номинальная мощность равна 1,5 кВт, а при сжигании лучших сортов угля до 4,5 кВт.

Камера сгорания 1, состоящая из двух отсеков 2 и 3, представляла собой круглый горизонтальный цилиндр с внутренним диаметром 300 мм, длиной 600 мм и толщиной стенок 1,5 мм, разделенный внутри плоским листом длиной 300 и шириной 275 мм. Поверх камеры сгорания было одето теплообменное устройство 2, выполненное в виде дугообразных каналов, причем использовались два варианта изготовления каналов перфорированный с внешней стороны и неперфорированный. Дугообразные каналы имели площадь сечения 50 х 50 мм², толщина стенок канала 1 мм. Перфорированный вариант изготовления дугообразных каналов усиливает подсос воздуха в канал за счет эффекта центрифугирования более холодного воздуха в зазор между дугообразными каналами и кожухом. Этот же эффект обеспечивает усиление тяги и перемешивание потока в упомянутом зазоре, что повышает производительность теплого воздуха, теплоотдачу камеры сгорания и понижает температуру ее стенок по сравнению с неперфорированным вариантом. При выполнении кожуха была предусмотрена возможность его перемещения как каждой секции в отдельности, так и изменения периметра и формы, что достигалось с помощью гибкой механической системы, состоящей из спиц и соединяющих их кронштейнов переменной длины, обеспечивающих необходимые вращательно-поступательные перемещения образующих секций кожуха и их фиксацию на торцевых поверхностях печи. Верхняя секция кожуха выполнена с возможностью перемещения ее краев, обеспечиваемой щелевым и болтовым соединением 6 во входном и выходном торцах печи. Торцовые концы секций кожухов плотно прижимались к торцовым стенкам печи с помощью болтовых соединений. В экспериментах ширина зазора изменялась от 0 до 80 мм. Радиус кривизны нижней секции кожуха в центральной части равнялся 500 мм. Для верхней секции радиус кривизны в центральной части зависел от положения краев секции и изменялся от 500 до 1000 мм. Ширина входного отверстия кожуха равнялась 80 мм, а выходного отверстия изменялась от 30 до 80 мм. В дверце камеры сгорания 1 предусмотрена регулируемая система подачи 3 первичного воздуха. Регулируемая система подачи 6 вторичного воздуха размещена в верхней части четырехсекционного кожуха 7 и имеет два боковых разветвляющихся канала для подсоса воздуха в выходной части камеры сгорания и два боковых разветвляющихся канала с регулируемыми сечениями при входе вторичного воздуха в камеру сгорания.

С целью получения эксплуатационных характеристик печи, необходимых для расчета конструктивных параметров, мощностных характеристик и оценки термоупругих напряжений в камере сгорания были проведены измерения ряда параметров. В процессе эксперимента осуществлялся контроль температур на наружной поверхности камеры сгорания в 6 характерных точках, температуры воздуха на входе и на выходе из кожуха в 12 характерных точках, температуры боковых и верхних секций кожуха в 3 характерных точках, температуры вторичного воздуха и уходящих дымовых газов. Измерения температуры осуществлялись медь-константовыми термопарами и контролировались цифровым вольтметром В7-23. В отдельных случаях температура воздуха измерялась ртутными термометрами. Холодные спаи термопар располагались в помещении вблизи входной части кожуха. Температура воздуха в помещении измерялась ртутным термометром. Измерения атмосферного давления проводились барометро-анероидом. Расход воздуха через кожух и системы подачи первичного и вторичного воздуха измерялся термоанемомтерическим датчиком при наличии и в отсутствие плоских и круглых расходомерных сопел. Чувствительным элементом датчика являлся терморезистор СТЗ-14. Контроль за расходом и профилем скорости, а также их в пульсациями осуществлялся во входных сечениях в кожух, в камеру сгорания и в систему подачи вторичного воздуха в режиме стабилизации термоанемометра по току. Тарировка термоанемометра проводилась на стенде ЛПИ, представляющем собой микроманометр МКВ-250 кл. 0,02 и "Honеycomb" с профилированным по рецепту фирмы "DISA" каналов и малорасходным компрессором, расположенным на выходе из узкой части канала.

В качестве топлива в печи использовались березовые и осиновые дрова, уголь, древесные отходы, торф. Для установления зависимости производительности и других параметров работы печи в зависимости от мощности тепловыделения в камере сгорания испытывался электрический вариант печи. При этом тепловыделяющим элементом являлась спираль из нихромовой проволоки диаметром 1 мм длиной до 30 м. Нихромовая проволока наматывалась на асбестоцементную трубу диаметром 114 мм, длиной 580 мм. Нагревательный элемент размещался вдоль оси камеры сгорания с помощью крепежных устройств. Напряжение и ток в нагревательном элементе регулировались и контролировались с помощью стрелочного универсального измерительного прибора Ц-4317 и стрелочного амперметра 0,5 класса точности с трансформатором тока И-515. Для регулировки напряжений и тока использовались реостат и автотрансформатор РНО-250-5. Напряжения подавались от распределительного щита ЩС N 2 380/220. Мощность тепловыделения изменялась от 200 до 7000 Вт. Были проведены различные серии экспериментов, представляющие более 500 режимов работы печи при различных условиях и геометрических параметрах и разных формах кожуха. В отдельных сериях экспериментов использовались латунные теплообменные поверхности дугообразных каналов и кожуха, что позволило выявить вклад теплопроводностной составляющей в перенос тепла в теплообменных каналах. Для выяснения характера и особенностей течения воздуха проводилась визуализация потока с помощью дыма, запускаемого в разных местах воздушных трактов. Качественная картина основных особенностей линий тока представлена на фиг.2, где ввиду симметрии течения приводится лишь половина линий тока. Наблюдения показали, что интенсивность вихревых трубок и трубок тока и их взаимодействие зависят от режимных и геометрических параметров работы печи. В целом, топология течения остается неизменной, что обусловливает устойчивость работы устройства.

Использование: изобретение относится к области энергетики, более конкретно, к печам и системам отопления. Сущность: конструкция печи содержит кожух, выполненный в виде четырех раздельных секций, две из которых расположены у противоположных боковых стенок камеры сгорания и повторяют профиль перекрестно-разведенных чередующихся идентичных дугообразных каналов, расположенных на внешней поверхности камеры сгорания. Две другие расположены над верхней и под нижней стенками камеры и представляют собой вогнутые в сторону камеры поверхности. Верхняя секция кожуха выполнена с возможностью перемещения ее боковых краев. Расстояние d от любой секции кожуха до поверхности дугообразной части теплообменных каналов удовлетворяет соотношению d ≅ 2δ, где δ - толщина свободноконвективного пограничного слоя. 2 ил.

ПЕЧЬ ДЛЯ НАГРЕВА ВОЗДУХА, содержащая камеру сгорания, состоящую по крайней мере из двух отсеков, совмещенную с теплообменником, выполненным в виде перекрестно-разведенных чередующихся, идентичных, дугообразных каналов, расположенных на внешней поверхности камеры, системы подачи первичного и вторичного потоков воздуха, отличающаяся тем, что она снабжена кожухом, выполненным в виде четырех раздельных секций, две из которых расположены у противоположных боковых стенок камеры сгорания и повторяют профиль дугообразных каналов, а две другие расположены над верхней и под нижней стенками камеры сгорания и представляют собой вогнутые в сторону камеры поверхности, причем верхняя секция кожуха выполнена с возможностью перемещения ее боковых краев, а расстояние d от любой секции кожуха до поверхности дугообразной части теплообменных каналов удовлетворяет соотношению d≅2δ, где δ толщина свободноконвективного пограничного слоя.