ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ БАНЬ Российский патент 1996 года по МПК F24H7/00 

Изобретение относится к печам бытового назначения, используемых в парильных помещениях бань для нагрева и увлажнения воздуха, преимущественно в саунах.

Из [1] известна конструкция печи, которая содержит двухсекционный корпус с расположенными внутри электронагревательными элементами, вентилятором, теплоаккумулирующей засыпкой и двумя кожухами, установленными с зазором по отношению к стенкам корпуса печи, которые опираются своими корпусами соответственно на ванну и колосниковую решетку.

Нагнетаемый вентилятором воздух быстро поднимается внутри корпуса печи вверх через каменную засыпку и не позволяет ей аккумулировать тепло высоких температур. При подаче воды на охлажденную засыпку образуется сырой пар. Применение разогрева без вентилятора не позволяют нагревательные элементы из-за их быстрого выхода из строя. Включение вентилятора периодически в заданном режиме теплового калорифера сопряжены с опасностью пользования, так как возникает возможность получения ожогов парильщиками от направленного (от теплоаккумулирующей загрузки с температурой до 400^оС) потока очень горячего воздуха, особенно в момент пуска (включения) вентилятора.

Воздух в зазоре между корпусом и кожухом в нижнем отсеке закрыт, а в верхнем не имеет снизу окон, а поэтому они имеют плохую циркуляцию воздуха по ограниченной ими полостям, а это приводит к значительной отдаче тепла корпусу и перегреву до опасных температур их поверхностей. При этом возникает опасность эксплуатации, а эффективность теплоотдачи снижается.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой конструкции печи является электропечь для бань [2] содержащая корпус, внутри которого размещены топка с горизонтальным передвижными электронагревателями и сообщающуюся с ней камеру с теплоаккумулирующей загрузкой. Днище теплоаккумулирующей камеры выполнено в виде поддона с отверстиями. В отверстиях поддона вертикально установлены патрубки с боковыми окнами и козырьками над ними. Диаметр козырьков превышает наружный диаметр патрубков.

Недостатком известного решения является низкая эксплуатационная надежность электропечи из-за недостаточно проработанного конструктивного исполнения ее элементов и нерационального (аварийного) расположения камней засыпки на решетчатом экране и поддоне со специальными патрубками над нагревательными элементами.

Большой объем загрузки снижает эффективность печи из-за перерасхода электрической энергии. Уязвимость элементов конструкции решеток, выполненных без учета теплового знакопеременного расширения сжатия камней загрузки, делает эксплуатацию не безопасной.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности конструкции печи и эффективности обогрева сухим паром.

Это достигается тем, что электропечь для бань содержит топку с электронагревателями и сообщающуюся с ней камеру с теплоаккумулирующей загрузкой. Корпус электропечи образован основанием, экраном, кожухом и крышкой. Экран и кожух установлены на основание сверху, а зазоры между ними образуют воздушные каналы, открытые снизу. В центральной части крышки укреплена погруженная внутрь топки сетка. Сетка выполнена гибкой, воздухопаропроницаемой и жаростойкой. Сетка образует камеру загрузки, которая открыта сверху. В крышке с обеих сторон от камеры загрузки выполнены окна в форме жалюзи, установленные с возможностью изменения угла их наклона для регулирования восходящими потоками воздуха. Топка выполнена швеллерообразной при рассмотрении в разрезе по фронтальному сечению. Во внутренней полости топки Ш-образно размещены вертикальные стаканы. Во внутренней полости стаканов при помощи изоляторов собраны, помещены внутрь и закреплены электронагреватели. Электронагреватели по топке установлены также Ш-образно. Корпусы стаканов выполнены из теплопроводного материала, например из стали или меди. При установке стаканы пропущены дном вверх в отверстия основания и герметично закреплены в нем, например, сваркой. Снизу к основанию герметично прикреплен съемный коробчатый брызгоотражатель, который полностью охватывает выводы нагревательных элементов и имеет герметичный вход для кабеля питания.

Кроме того, электропечь может быть выполнена со швеллерообразным основанием, полки которого обращены вниз, а отверстия для стаканов расположены в его шейке. По топке отверстия ориентированы вдоль стенок экрана, обращенных к парильному помещению. Стаканы могут быть прикреплены цилиндрической стенкой к корпусу основания выше нижних краев стакана. Электронагреватели могут быть установлены с возможностью перемещения (для регулировки температуры) по высоте и замены (при необходимости изменения мощности электронагревателя. Отражающая поверхность экрана может быть выполнена зеркальной, например применена полированная сталь для создания эффекта термоса.

Электропечь имеет эффективные параметры работы при исполнении ее элементов в следующих соотношениях. Высоты стаканов, установленных под камерой загрузки, относятся к высотам остальных (периферийных) стаканов и имеют отношение в интервале 0,7-0,9. Наилучший результат в этом интервале достигнут при отношении
0.89
При этом отношении диаметра стакана к диаметру спирали находится в интервале 8-4, а наилучший результат
12,4
а отношение диаметра спиpали к диаметру проволоки нихрома в интервале 4,6-14 при наиболее оптимальном значении
5,75
Из патентно-технической литературы известны конструкции печей и электропечей для парильных помещений. Однако в доступных научно-технических источниках не обнаружены печи бань, в которых имелись бы признаки, входные с признаками, отличающими данное устройство и включающими заявленную совокупность взаимосвязанных признаков.

В отличие от известных устройств предлагаемая электропечь выполнена со швеллерообразной топкой. Такая форма топки позволяет максимально охватить камеру загрузки и теплоаккумулирующий материал и равномерно нагреть его.

В известных конструкциях топок площадь охвата материала, нагреваемого равномерной температурой, значительно меньше. Кроме того, значительное удаление электронагревателей от поверхностей аккумуляции тепла снижает эффективность их работы.

В предлагаемой печи экран имеет двойную функцию, он не только препятствует распространению тепла в стороны, но и собирает тепловой поток для вхождения в теплоаккумулирующую камеру конвекционным потоком. Согласно литературным данным (см. книгу Евсеев П.К. Как построить русскую и финскую бани. М. Стройиздат, 1982), конвекционный поток характеризуется равномерным распределением тепла по объему потока. Кроме того, концентрация максимальных температур за двойной защитой (экран и кожух) является наиболее безопасным вариантом исполнения, что говорит об эффективности расположения экрана в конструкции печи.

В печи [1] работающей как тепловой калорифер, вентилятор нарушает равномерное распределение тепла, а парильщики, попавшие под направленный поток горячего воздуха, могут получить ожоги.

Камера загрузки в предложенной конструкции печи выполнена в виде гибкой сетки из жаростойкого материала, что позволяет воздуху и воде распространяться по всему объему засыпки и воспринимать температурные расширения-сжатия без разрушения конструкции.

В известных конструкциях печей камеры загрузки выполнены жесткими, с решетками или поддонами. В отдельных случаях для улучшения теплообмена используют дополнительные устанавливаемые на них конструктивные элементы, например как у прототипа, в виде патрубков с козырьками. Однако на все элементы конструкции в камерах загрузки в процессе эксплуатации оказывают влияние тепловые сжатия-расширения от охлаждения-нагревания теплоаккумулирующей загрузки.

У прототипа размещения камней засыпки между патрубками становится опасным для разрушения конструкции, так как в процессе нагрев-охлаждение материал загрузка при наличии пригруза сверху способен самозаклиниваться. Вероятность образования такого процесса возрастает с увеличением высоты загрузки (массы пригруза).

В процессе теплового расширения аккумулирующая загрузка, размещенная между патрубками, способна самоуплотняться, самозаклиниваться и, неравномерно расклинивая патрубки, вызывает их излом. В результате такого явления возможно разрушение герметизации конструкции поддона с патрубками.

Закливание камней загрузки между элементами поддона у прототипа приводит к его разгерметизации или полному разрушению, так как контроль за состоянием поддона затруднен из-за отсутствия прямого обзора состояния решетки. При образовании течей сквозь образовавшиеся трещины возможно попадание воды на нагревательные элементы, а в критическом состоянии обрушение загрузки на электронагреватели.

Применение большой по массе и объему загрузки требует повышенной мощности на ее нагрев, повышенной прочности решеток, что увеличивает мощность, расход электрической энергии и повышает опасность эксплуатации. Аналогичное разрушение возможно для известных колосниковых решеток и поддонов. Появление разрушений приводит к попаданию воды на нагревательные элементы, что в свою очередь ведет к выходу из строя электронагревателей.

Дополнительный верхний нагреватель известных электропечей при работе разогреет свой корпус, становится податлив на сжатие, и может быть раздавлен загрузкой, что, при орошении водой вызывает пробой на корпус, а, кроме того, многократное орошение водой приводит к разрушению ТЭНов.

При эксплуатации в печах бань у известных трубчатых нагревательных элементов (ТЭН) орошение водой происходит при 650^оС, а срок их службы составляет 12 мес.

В предлагаемой конструкции электропечи герметичный стакан выполнен из жаростойкой стали со стенкой толщиной не менее 3 мм и рассчитан на многократное орошение водой, кроме того, стакан частично защищают жалюзи, а также их конструктивное расположение в топке. В данной электропечи водой может быть орошен лишь сам корпус стакана, температура которого 450^оС, что при увеличенной более, чем в три раза толщиной стенки (по сравнению с ТЭН) и при полном исключении силовых действий загрузки позволяет повысить долговечность конструкции не менее, чем в три раза по сравнению с прототипом.

У прототипа при подаче большой порции воды или подаче нескольких порций воды за короткий промежуток времени (или при засорении канала слива) возможно переливание воды в окна патрубков. Скопление воды на поддоне приводит к образованию сырого пара. Заливание электронагревателей приводит к пробою на корпус и выходу их из строя.

Предлагаемая конструкция электропечи создана с учетом указанных недостатков, а поэтому не содержит их. Нагрев идет сразу после включения электропечи конвекционно и равномерно по всему объему парильного помещения. Нагреватели печи быстро нагреваются сами и нагревают помещение, а также точно выдерживают заданную температуру и не загрязняют атмосферу.

Указанные отношения параметров указаны для эффективного получения сухого пара в парильном помещении 12 м³; известных печей с такими параметрами нами не обнаружено. Выход за пределы указанных интервалов ухудшает эффективность использования, так как приводят к получению сырого пара или чрезмерного роста мощности, нагревателей при одновременном повышении опасности.

В целом признаки предложенной электропечи для бани позволяют устройству повысить ее эксплуатационную надежность и эффективность обогрева сухим паром.

В совокупности отличительные признаки придают электропечи новое свойство, заключающееся в повышении эксплуатационной надежности и эффективности обогрева сухим паром.

На чертеже представлена электропечь для бань, общий вид, разрезы.

Электропечь содержит топку 1 с электронагревателями 2 и камерой 3 с теплоаккумулирующей загрузкой 4. Корпус электропечи выполнен сборным и состоящим из основания 5, на котором соосно установлены экран 6 и кожух 7. Экран 6, кожух 7 и основание 5 имеют между собой открытые сквозные каналы 8 для прохода воздуха и пара снизу вверх. Сверху кожух 7 накрыт крышкой 9. В центральной части корпуса крышки 9 закреплена гибкая вогнутая внутрь и погруженная в топку 1 жаростойкая 10. Сетка 10 является проницаемым корпусом камеры 3. По бокам крышки 9 расположены окна 11 в виде жалюзи, выполненные с возможностью замены на другой угол атаки наклонной плоскости.

Топка 1 выполнена швеллерообразной формы при ее рассмотрении по фронтальному сечению, а также по объему внутренней полости, проекция которой охватывает основание 5 с зазором. Во внутренней полости топки I Ш-образно расположены вертикальные стаканы 13. Во внутренних полостях каждого из стаканов 13 при помощи изоляторов 14,также вертикально и Ш-образно установлены электронагреватели 2.

Корпусы стаканов 13 выполнены из теплопроводного материала, например стали или меди. Стаканы 13 при установке пропущены дном вверх через отверстия 12 в корпусе основания 5 и герметично прикреплены к нему своими корпусами.

Электронагреватели 2 установлены с возможностью перемещения по высоте и при необходимости могут быть заменены. Электронагреватели 2 соединены между собой и в целом по определенной электрической схеме, например в "звезду" и подключены к средствам питания, контроля, управления и защиты.

Снизу к основанию 5 прикреплен съемный коробчатый брызгоотражатель 18, который охватывает все выводы электронагревателей 2 и имеет герметичный ввод кабеля питания.

В предпочтительном варианте исполнения электропечи основание 5 может быть выполнено швеллерообразным, полки 15 которого направлены вниз, а отверстия 12 расположены в плоскости его шейки 16 вдоль прилегающих стенок экрана 6 со стороны правильного помещения. Корпусы стаканов 13 укреплены в основании 5 так, что их края располагаются ниже нижней плоскости шейки 16, но на удалении от поверхности пола бани. Внутренняя поверхность экрана 6 выполнена зеркальной, например из полированной нержавеющей стали. Отношение наружных диаметров стаканов 13 к наружным диаметрам размещенных в них спиралей 17 находится в интервале 8-14. Отношение наружных диаметров спиралей 17 к наружным диаметрам их проволок находится в интервале 4,6-14. Отношение величин высот (от основания 5) корпусов стаканов 13, расположенных под камерой 3 к стаканам, расположенным сбоку от камеры 3 находится в интервале 0,7-0,9.

Электропечь для бань работает следующим образом.

При включении электропечи в наружную электросеть электрический ток проходящий по спиралям 17 электронагревателей 2 накаляет их в замкнутых изоляторами 14 полостях стаканов 13 до высоких температур.

Инфракрасное излучение передается корпусам стаканов 13, а от них распространяется по объему в топке 1. Во внутренней полости топки 1 возникает конвекционный поток воздуха, идущий снизу в канале 8 между корпусами основания 5 и экрана 6, который заполняет топку 1. Инфракрасное излучение от стаканов 13 нагревает воздух в топке 1, частично нагревает экран 6 и отражается от него обратно к центру топки 1, а одновременно суммируясь с другими тепловыми потоками, поднимается. При этом температура поднимающегося воздушного потока в центре топки 1 приобретает максимальное значение. Высокотемпературный воздушный поток, сфокусированный в центральной части, поднимаясь встречает препятствия: камеру 3, которую он обходит со стороны, и по каналам между теплоаккумулирующей загрузкой 4 проникает внутрь камеры 3 и равномерно разогревает ее (теплоаккумулирующую загрузку) до высокой температуры. Частично отдавший тепло воздух, выходя наружу, нагревает парильное помещение. Менее нагретый идущий в топке 1 поток поднимается у стенки экрана 6, которые также частично нагреваются и отдают тепло в канал 8 между экраном 6 и кожухом 7. В результате в каналах 8 возникают тепловые саморегулируемые конвекционные потоки, которые, выходя в окна 11, нагревают парильное помещение бани. Кроме того, воздушный поток, идущий между экраном 6 и кожухом 7, охлаждает их корпуса, и не позволяет кожуху 7 достигнуть значений температуры более 70^оС, при этом выходящий в окна 11 поток также нагревает парильное помещение. Выполнение окон 11 в виде жалюзи позволяет управлять тепловыми потоками. Температура кожуха 7 до указанного значения является безопасной.

В результате форсированного нагрева помещения двумя потоками сухого воздуха и теплоаккумулирующей загрузки 4, баня быстро готова к приему посетителей. При достижении в помещении значения температуры +125^оС электропечь автоматически отключается и остается отключенной до понижения значения температуры до 110^оС, а затем включается вновь и т.д. цикл повторяется.

По достижении теплоаккумулирующей загрузкой 4 требуемой температуры (380^оС), которая контролируется первым отключением, на нее порционно подают воду для получения пара. Процесс парообразования идет кратковременно, что позволяет получать сухой пар. При чрезмерной подаче воды на теплоаккумулирующую загрузку 4 часть ее превращается в пар, а остальная благодаря небольшой толщине загрузки быстро проходит вниз без значительных потерь аккумулированного тепла и через каналы 8 сливается на пол, а затем в канализационный слив. Отраженные от пола брызги гасит корпус брызгоотражателя 18. Интенсивное орошение загрузки 4 за счет саморегуляции, не ухудшает способностей печи к получению сухого пара. Автоматическое поддержание заданной температуры нагpева парильного помещения осуществляется с помощью датчика-реле температуры (не показано). Реле установлено на щите управления, а датчик закреплен на потолке парильного помещения.

Опасность поражения электрическим током в конструкции электропечи исключается ее конструкцией и расположением стаканов 13 и основания 5 с брызгоотражателем 18. Применение электропечи позволяет повысить эксплуатационную надежность за счет расположения элементов конструкции в виде многократных защит, включая окружающую среду, а также повысить эффективность обогрева за счет использования только сухого пара и более полного использования тепла на обогрев.

Использование: при оборудовании саун. Сущность изобретения: нагревательные элементы (НЭ) размещены в швеллерообразной топке вертикально и накрыты сверху герметичными стаканами, а с боков имеют многократные зашивы, включая среду. Корпус, расположенный в центре камеры загрузки, выполнен гибким. Тепловые потоки, образующиеся в каналах, конвекционно нагревают воздух и подают пар в парильное помещение. Для защиты от воды элемент содержит жалюзи, стакан и брызгоотражатель, а основание выполнено швеллерообразным с полками, обращенными вниз. В одном из вариантов поверхность может быть зеркальной. Наиболее эффективными для НЭ могут быть их определенные параметры. 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭЛЕКТРОПЕЧЬ ДЛЯ БАНЬ, содержащая топку с электронагревателями и сообщающуюся с ней камеру с теплоаккумулирующей загрузкой, отличающаяся тем, что корпус топки образован основанием с установленными над ним соосно экраном и кожухом, стенки которых образуют открытые снизу сквозные каналы, сверху накрытые крышкой, в центре которой закреплена гибкая воздухопаропроницаемая жаростойкая сетка, размещенная в полости топки, а по ее бокам расположены жалюзийные окна, причем топка выполнена с швеллерообразным сечением и в ее полости Ш-образно размещены вертикальные стаканы, внутри которых на изоляторах установлены упомянутые электронагреватели, выполненные спиральными, а корпус каждого стакана выполнен из теплопроводного материала, пропущен дном вверх в соответствующее отверстие основания и герметично закреплен в нем, при этом к основанию снизу прикреплен съемный коробчатый брызгоотражатель. 2. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что основание выполнено швеллерообразным с полками, обращенными вниз, а отверстия в его шейке расположены вдоль стенки экрана. 3. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что стаканы закреплены в соответствующих отверстиях шейки выше нижнего края их цилиндрической стенки. 4. Электропечь по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность экрана выполнена зеркальной. 5. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что каждый электронагреватель установлен в стакане с возможностью перемещения и замены. 6. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что высота стаканов, расположенных под камерой, в 0,7 0,9 раз меньше высоты стаканов, окружающих эту камеру. 7. Электропечь по п.1, отличающаяся тем, что наружный диаметр стакана превышает в 8 14 раз диаметр размещенной в нем спирали, в свою очередь, превышающий диаметр образующей ее проволоки в 4,6 14 раз.