ПЕЧЬ Российский патент 1997 года по МПК F24H1/06 

Изобретение относится к устройствам сжигания твердого топлива, используемым в теплоэнергетике, в частности к печному отоплению любых помещений, а также для подогрева воды или приготовления пищи.

Известна печь, в которой порция угля размещена в вертикальном центральном магазинном устройстве, размещенном в сплошном корпусе. Окружающий магазин выполнен цилиндрическим с конструктивным объемом, подающим вниз воздух, который способен увлекать груду горящего топлива в гасящем цилиндрическом потоке нисходящего воздуха. Дополнительный воздух в контролируемом количестве введен через донную решетку. После наполнения углем магазина он накрывается воздухонепроницаемой крышкой, в магазин свободно поступает воздух в процессе горения.

Известна также печь, выбранная в качестве прототипа. Она содержит вертикальный цилиндрический корпус, снабженный верхней крышкой, и огнеупорный воздухонепроницаемый поддон, ограничивающий камеру сгорания в нижней части корпуса. Внутри корпуса установлены две соосные вертикальные трубы. Внутренняя труба снабжена открытым приемником и подает через верхнюю крышку топливо, которое затем поступает через отверстие над поддоном для питания топливом камеры сгорания. Наружная труба ограничивает внутреннюю поверхность корпуса цилиндрического дымохода для подъема потока горячих газовых продуктов сгорания, а также ограничивает с внутренней стороны цилиндрический проход, окружающий топливную трубу, и имеет входное отверстие на верхней крышке и цилиндрическое выходное отверстие в камере сгорания для подачи потока воздуха из отверстия вниз в камеру сгорания, одновременно изолируя топливную трубу от тепла дымохода. Имеется выходное отверстие для удаления из корпуса газообразных продуктов сгорания.

Твердое топливо под действием силы тяжести падает через топливную трубу на поддон для сжигания в камере сгорания, образуя на поддоне коническую кучу горящего топлива и золы.

Коническая форма непрерывно поддерживается нисходящим цилиндрическим потоком воздуха.

Введена наружная водяная рубашка, окружающая корпус, которая ограничивает телпообмен от горячих газовых продуктов, проходящих через цилиндрический дымоход. Цилиндрический дымоход может быть снабжен по крайней мере одним ребром в тепловом контакте с внутренней стенкой теплообменника, преимущественно в виде спирального завихрителя, чтобы увеличить время контакта горящих газообразных продуктов со смежными поверхностями и увеличить теплоотдачу поверхности теплообменника. Ребро может соединяться с дымоходом или занимать только часть внутренней стенки теплообменника. Печь снабжена устройством для удаления золы из камеры сгорания преимущественно с помощью поддона корпуса по крайней мере частично подвижного. Имеются опоры, обеспечивающие установку печи.

Недостатками известных устройств являются:
совмещение в конструкции печи топливной и газоходной частей, приводящее к повышенному загрязнению дымных газов и сажевыделению на наружной стенке газохода, примыкающей к внутренней стенке водяной рубашки, что к тому же снижает телпотехнические возможности печи, затрудняет тягу и повышает пожароопасность;
использованный способ нерегулируемого подвода воздуха также повышает загрязнение дымных газов, создает нерациональный режим горения, снижая эффективность печи, осложняя ее эксплуатацию и обслуживание;
использованная конструкция газохода и направление движения газа создают сопротивление тяговому усилию на всем пути следования;
загрузка печи сверху не позволяет использовать ее для приготовления пищи и затрудняет визуальный контроль наличия топлива и процесса сгорания.

Целью изобретения является повышение эффективности процессов горения, подвода воздуха и движения газов, повышение КПД печи.

Технический результат расширение возможностей применения печи, улучшение эксплуатационных качеств.

Поставленная цель достигается следующим образом. Печь включает корпус, закрытый сверху крышкой, в котором размещены топка, газоход со спиральным ребром, цилиндр газохода, топливозагрузочное устройство, устройство для подачи воздуха, дымоход, на периферии корпуса размещена водяная рубашка.

Новизна состоит в следующем:
крышка корпуса выполнена сплошной, топливозагрузочное устройство размещено в нижней части корпуса, верхняя часть газохода снабжена средством для разворота потока газовых продуктов сгорания в обратном направлении и средством для удаления избыточного холодного воздуха, топка и газоход по крайней мере частично разделены, водяная рубашка отделена от топки;
толщина крышки выбрана по крайней мере в 2 раза больше толщины корпуса;
профиль внутренней поверхности крышки выполнен в виде по крайней мере одной поверхности обтекаемой формы;
средство для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива может быть выполнено в виде зазора между верхней частью цилиндра газохода и внутренней поверхностью крышки, причем площадь любого проходного сечения газохода в зазоре не менее максимальной площади проходного сечения газохода на всем остальном пути следования потока газовых продуктов сгорания топлива;
средство для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива может быть выполнено в виде перфораций в верхней части цилиндра газохода, причем суммарная площадь проходных сечений перфораций не менее площади проходного сечения цилиндра газохода;
угол наклона спирального ребра газохода выбран по крайней мере на 5^o больше угла естественного откоса сажистых частиц продуктов сгорания;
спиральное ребро выполнено с переменным ребро выполнено с переменным шагом, увеличивающимся снизу вверх;
средство для удаления избыточного холодного воздуха выполнено в виде перфораций в нижней части цилиндра газохода;
устройство для подачи воздуха выполнено в виде перфораций в топливозагрузочном устройстве;
перфорации выполнены с возможностью регулировки их проходных сечений.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Топливо загружается в топку, размещенную в нижней части корпуса, и поджигается. В процессе горения поток газовых продуктов сгорания топлива поднимается по газоходу в центральной части корпуса, нагревая верхнюю крышку, и с помощью средства для разворота потока меняет направление и движется по каналу спирального ребра вниз, нагревая водяную рубашку.

С помощью спирального ребра с переменным шагом спирали поток газовых продуктов сгорания топлива ускоряется при движении вниз, повышая эффективность теплообмена на всем пути следования за счет увеличения времени контакта горячих газовых продуктов сгорания топлива со стенкой водяной рубашки, а затем выходит через отверстие дымохода. Выбранная схема газоходов, а также введение спирального ребра в зону газохода печи, где газовые продукты сгорания движутся вниз под действием силы тяжести, приводят к увеличению пути следования продуктов сгорания в этом направлении и способствуют увеличению общей тяги печи, которая образуется не только в дымовой трубе, но и внутри самой печи. При этом за счет угла наклона ребра, выбранного по крайней мере на 5^o больше угла естественного откоса сажистых частиц продуктов сгорания, происходит выделение и осаждение сажи. Выполнение внутренней поверхности крышки в виде по крайней мере одной поверхности обтекаемой формы способствует исключению образования застойных зон и накопления в них сажи, что улучшает процесс нагрева крышки, толщина которой выбрана по меньшей мере вдвое больше толщины корпуса, увеличивает аккумуляцию тепла крышкой, снижает сопротивление движению и пожароопасность. Размещение в нижней части газохода средства для удаления избыточного холодного воздуха в виде перфораций способствует естественному балансированию соотношения количества нагретых и холодных газов.

Топка выполняет дополнительную функцию по подаче воздуха за счет размещенных на ее стенках перфораций, которые могут быть выполнены регулируемыми.

Выбранная конструкция обеспечивает по крайней мере частичное разделение печи на топливную и газоходную части, что дает возможность саморегулирования процесса подвода необходимого для горения количества воздуха, значительно снижает наличие зольных включений и других твердых частиц в потоке газовых продуктов сгорания топлива, а разделение водяной рубашки и топки способствует снижению сажеобразования и как следствие повышению эффективности теплоотдачи печи и ее КПД.

На фиг. 1 показан осевой разрез конструкции печи; на фиг. 2 вид слева с частичным разрезом в области топки; на фиг. 3 вариант исполнения крышки; на фиг. 4 вариант исполнения средства для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива.

Профиль внутренней поверхности крышки печи выполнен в виде поверхности обтекаемой формы.

Прндлагаемая печь содержит: 1 металлический корпус; 2 топливную часть (топку); 3 газоход; 4 крышку; 5 цилиндр газохода; 6 спиральное ребро газохода; 7 свод топки; 8 колосниковую решетку; 9 зольник; 10 - топливозагрузочное устройство (окно); 11 водяную рубашку; 12 вентиль подвода жидкости; 13 вентиль отвода жидкости; 14 перепускной клапан (предохранитель); 15 дымоход; 16 заслонку дымохода; 17 дверцу; 18 - устройство для подачи воздуха (перфорации); 19 средство (перфорации) для удаления холодного избыточного воздуха; 20 средство (перфорации) для разворота газовых продуктов сгорания; 21 опоры; 22 ручки; 23 отверстие для удаления сажи.

Печь работает следующим образом.

В наиболее общем случае печи топливо загружается через окно 10 на колосниковую решетку 8 топливной части 2, при этом заслонка 16 устанавливается в положение, соответствующее режиму розжига; емкость водяной рубашки 11 заполняют жидкостью, используя воронку (не показана), через вентиль подвода жидкости 12, при этом вентиль отвода жидкости 13 закрыт. По мере увеличения интенсивности горения заслонка 16 переводится в рабочее положение.

При сжигании топлива происходит выделение газовых продуктов сгорания, которые под действием естественной тяги смешиваются с воздухом и устремляются в газоход 3, проходя через цилиндр газохода 5, и после разворота движутся по каналу, образованному спиральным ребром 6, отдавая тепло крышке 4 и водяной рубашке 11, нагревая их до необходимой температуры. Причем средством для разворота газовых продуктов сгорания топлива может служить выбранный зазор между верхней частью цилиндра газохода 5 и внутренней поверхности крышки 4 либо совокупность перфораций 20 в верхней части цилиндра газохода 5. В процессе работы печи возможно наличие избытка воздуха, который, увлекаемый теплыми газами продуктов сгорания, устремляется вверх внутри цилиндра газохода 5, но как более холодный, а значит тяжелый, тут же оседает в его нижней части по периферии и затем отводится через отверстия 19 в дымоход 15.

При сжигании топлива в случае контакта пламени с холодными поверхностями происходит значительное сажевыделение, что приводит к загрязнению как самой печи, так и выходящих через дымоход газов, уменьшается проходное сечение и как следствие повышается сопротивление движению потока газовых продуктов сгорания, что влечет за собой необходимость увеличения тяги. Кроме того, снижается теплоотдача и увеличивается пожароопасность. В заявляемой конструкции указанный выше контакт ограничен путем разделения топки 2 и газохода 3 печи сводом 7 топки, что к тому же значительно снижает наличие зольных включений и других твердых частиц в потоке газовых продуктов сгорания топлива.

Для поддержания оптимального режима горения подачи воздуха осуществляется помимо зазора между колосниковой решеткой 8 и зольником 9, зазор изменяется по мере выдвижения зольника 9 на различную величину, поворотом заслонки 16 дымохода 15, а также через перфорации 18 в дверке 17. В процессе работы печи колосниковая решетка 8 может забиваться и непрогоревшими твердыми продуктами топлива, что снижает приток воздуха через нее. Для восстановления притока воздуха до необходимой величины предусмотрена регулировка проходного сечения отверстий 18 (не показано), что позволяет добиваться устойчивого горения топлива на всех стадиях его сжигания.

Для облегчения разворота потока газовых продуктов сгорания топлива и равномерной их раздачи на выходе из цилиндра газохода 5 поток встречается с обтекаемой внутренней поверхностью крышки 4. При этом исключается образование застойных зон, снижающих эффективность теплообмена и являющихся к тому же местом повышенного сажевыделения. Далее, двигаясь по каналам спирального ребра газохода 6, поток газовых продуктов сгорания топлива отдает свое тепло жидкости, заключенной в водяной рубашке 11. Для придания равномерности процессу теплообмена между газом и водяной рубашкой 11 спиральное ребро газохода 6 выполнено с переменным шагом размещения спирали, уменьшающимся по ходу движения газа. При этом конструкция спирального ребра газохода 6, выполненного с углом наклона по крайней мере на 5^o больше угла естественного откоса сажистых частиц продуктов сгорания, способствует оседанию сажи в зазоре между спиральным ребром газохода 6 и водяной рубашкой 11 под действием силы тяжести. Сажа после накопления в нижней части печи удаляется через отверстие 23.

В случае использования печи в качестве водогрейного котла при достижении жидкостью необходимой температуры, последняя сливается из водяной рубашки 11 через вентиль 13. После завершения горения топлива его непрогоревшие остатки и золу при помощи кочерги (не показана) через колосниковую решетку 8 сгребают в зольник 9 и затем удаляют из печи.

При использовании печи с подключением к системе водяного отопления в результате контакта потока горячих газовых продуктов сгорания топлива с водяной рубашкой 11 происходит разогрев жидкости, которая начинает циркулировать по замкнутому пути, обогревая помещение. При этом вентили подвода 12 и отвода 13 жидкости открыты. Подача топлива в печь осуществляется до тех пор, пока помещение не прогреется до необходимой температуры.

При использовании печи в качестве варочной плиты или для нагрева дополнительных теплоаккумулирующих тел соответствующие емкости с пищей, камни, гравий и т.п. устанавливают на крышку 4, а рабочий процесс идет аналогично описанному выше. При этом вентили подвода 12 и отвода жидкости 13 закрыты, а водяную рубашку 11 допускается жидкостью не заполнять.

При использовании печи в качестве источника преобразования (баня, сауна) или аккумуляции тепла вентили 12 и 13 закрыты, а при доведении жидкости в водяной рубашке 11 до кипения образовавшийся пар удаляется через перепускной клапан 14, тем самым сигнализируя, что система выведена на режим аккумуляции и в зависимости от использования печи следует либо продолжать сжигание топлива, либо прекратить. По мере уменьшения объема жидкости в водяной рубашке 11 ее доливают через вентиль подвода 12 и после небольшого периода времени, требующегося для разогрева вновь поступившей холодной жидкости, процесс получения пара возобновляется. При этом во избежание возможности получения ожогов при выходе пара на перепускной клапан 14 устанавливают колено (не показано), отводящее пар в безопасную зону.

Итак, конструкция печи позволяет использовать ее в качестве источника и аккумулятора тепла в системах печного или в качестве водогрейного котла в системах водяного отопления индивидуальных жилых домов, садовых домиков, бань, теплиц и т.п. получения горячей воды и пара; приготовления пищи.

Возможно и одновременная реализация всех функций печи.

Промышленное изготовление печи может быть легко осуществлено как в индивидуальном производстве, так и в серийном. При этом для изготовления печи можно применять материалы и узлы, выпускаемые промышленностью (листовой металл, трубы, колосники, перепускные клапаны и др.)
Изготовлен экспериментальный образец печи, показавший надежную и экономичную работу, хорошую тягу при любых погодных условиях и короткой дымовой трубе, очень быстрый прогрев конструкции печи и воды в водяной рубашке (60 л воды нагрелось до 90^oC за 15 мин работы). Изготовленный образец выполнен в габаритах (45 х 45 х 90) куб. см. обеспечивающих легкость и транспортабельность устройства. Однако заявленная печь может быть выполнена в любых габаритах, что позволит использовать ее в разных условиях, в том числе в виде стационарного устройства, например для отопления помещений вместо центрального отопления. КПД печи составляет 85 90%

Использование: в устройствах для сжигания твердого топлива, в частности при печном отоплении любых помещений, для подогрева воды или приготовления пищи. Сущность изобретения: печь содержит корпус 1, закрытый сверху крышкой 4, в котором размещены топка 2, газоход 3 с цилиндром газохода 5 и спиральным ребром 6, топливозагрузочное устройство 10, устройство для подвода воздуха 18, дымоход 15; водяную рубашку 11 на периферии корпуса 1. Крышка 4 выполнена сплошной, топливозагрузочное устройство 10 размещено в нижней части корпуса 1, верхняя часть газохода 3 снабжена средством для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива, нижняя - средством для удаления холодного избыточного воздуха 19, топка 2 и газоход 3 разделены по крайней мере частично, а водяная рубашка 12 отделена от топки 2. 10 з.п. ф-лы , 4 ил.

1. Печь, содержащая корпус, закрытый сверху крышкой, в котором размещена топка, газоход со спиральным ребром, цилиндр газохода, топливозагрузочное устройство, устройство для подачи воздуха, дымоход, водяная рубашка на периферии корпуса, отличающаяся тем, что крышка выполнена сплошной, топливозагрузочное устройство размещено в нижней части корпуса, верхняя часть газохода снабжена средством для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива, а нижняя средством для удаления избыточного холодного воздуха, причем топка и газоход разделены по меньшей мере частично, а водяная рубашка отделена от топки. 2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что толщина крышки выбрана по меньшей мере в два раза больше толщины корпуса. 3. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что профиль внутренней поверхности крышки выполнен в виде по меньшей мере одной поверхности обтекаемой формы. 4. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что средство для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива выполнено в виде зазора между верхней частью цилиндра газохода и внутренней поверхностью крышки, причем площадь любого проходного сечения газохода в зазоре не менее максимальной площади проходного сечения газохода на всем остальном пути следования потока газовых продуктов сгорания топлива. 5. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что средство для разворота потока газовых продуктов сгорания топлива выполнено в виде перфораций в верхней части цилиндра газохода. 6. Печь по пп. 1 и 5, отличающаяся тем, что суммарная площадь сечений перфораций не менее площади проходного сечения цилиндра газохода. 7. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона спирального ребра газохода выполнен по меньшей мере на 5^o больше угла естественного откоса сажистых частиц продуктов сгорания. 8. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что спиральное ребро выполнено с переменным шагом спирали, увеличивающимся снизу вверх. 9. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что средство для удаления избыточного холодного воздуха выполнено в виде перфораций в нижней части цилиндра газохода. 10. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что устройство для подачи воздуха выполнено в виде перфораций в топливозагрузочном устройстве. 11. Печь по пп. 1 и 10, отличающаяся тем, что перфорации выполнены с возможностью регулировки их проходных сечений.