ПЕЧЬ Российский патент 2012 года по МПК F24B1/00 F24B5/00 

Изобретение относится к отопительным печам и может быть использовано при разработке печей и нагревательных устройств для приготовления пищи и отопления помещения.

Известна мусоросжигательная печь секционной структуры, содержащая прямую закрытую трубу с отверстиями, расположенными по ее длине, которая предназначена для подачи воздуха в топку. Труба подачи воздуха вставлена в топку через отверстие, выполненное в верхней части топки. Воздух в трубу подают при помощи вентилятора. Воздух струится сквозь отверстия трубы и участвует при интенсивном сгорании топлива, в данном случае - мусора (патент EP 0636840 A1, МПК F24B 1/00, 5/00).

Данный способ подачи и распределения воздуха в камере сгорания и устройство сгорания пригодны для безопасного и интенсивного сжигания мусора, но не эффективны для длительного экономичного сжигания топлива.

Известна топка для сжигания гранулированного твердого топлива и нагревания воздуха помещений. Топка состоит из камеры сгорания, в ее центр вставленны трубы подачи воздуха и шнекового устройства. Воздух в очаг сгорания подают при помощи вентилятора сверху, а гранулированное топливо при помощи шнекового устройства загружают снизу (патент USA 4782765, МПК F24B 1/00, 5/00).

Конструкция такой топки сложна и не пригодна для сжигания дров.

Известен способ подачи и распределения воздуха в камере сгорания, когда воздух в камеру сгорания подают сверху по трубе, при этом труба заканчивается распределителем воздуха, опирающимся на топливо и вместе с трубой опускающимся вниз, когда количество топлива в камере сгорания уменьшается, причем воздух в камере сгорания распределяют следующим образом: в очаг сгорания подают 40-60%; на края очага сгорания подают 10-30%; над очагом сгорания - 20-40%.

Для реализации указанного способа предложен отопительный котел, содержащий камеру сгорания, в двойной стенке которой сформирована емкость, заполненная водой, с отверстием выхода дыма, отверстиями загрузки топлива и удаления золы, патрубки подвода и отвода воды, при этом камера сгорания установлена вертикально и выполнена в виде круглого или многоугольного цилиндра, в верхней части которого выполнено отверстие, в которое вставлена свободно вверх-вниз перемещающаяся труба подачи воздуха, заканчивающаяся распределителем воздуха, опирающимся на топливо, при этом распределитель воздуха выполнен в виде пустотелого диска, в верхней части которого выполнен наконечник для соединения с трубой подачи воздуха, а в нижней части - головка, при этом в периферийной части диска, в узком конце головки и на боковой поверхности головки, а также в наконечнике выполнены отверстия, сообщающиеся с внутренней полостью распределителя воздуха (патент ЕР 005303, заявка №200301136 от 19.04.01, МПК F24B 1/00, 5/00).

Недостатками данного способа и устройства является то, что на трубе подачи воздуха в зону горения необходимо устанавливать распределитель воздуха и перемещать его во время процесса горения. Это приводит к усложнению конструкции камеры сгорания и ухудшению условий ее работы за счет того, что часть топлива под распределителем практически не участвует в процессе горения. Кроме этого необходимо достаточно точно распределять воздушные потоки, что также приводит к усложнению конструкции печи и усложнению условий ее обслуживания и эксплуатации.

Известна печь твердотопливная, содержащая камеру сгорания с козырьком в ее верхней части, которая примыкает к боковым и задней стенкам и разделяет камеру сгорания на верхнюю и нижнюю части, дверцу с застекленным окном на передней стенке камеры сгорания для загрузки топлива, нижний и щелеобразный верхний подвод воздуха для обдувания стекла окна дверцы плоским потоком воздуха и формирования внутри камеры сгорания области дожигания продуктов сгорания топлива и патрубок для отвода продуктов сгорания, расположенный в верхней задней части камеры сгорания.

Воздух для первичного горения твердого топлива подается в камеру сгорания как со стороны задней стенки печи, так и со стороны нижней части передней стенки камеры сгорания при помощи заслонок, управляемых с передней стороны печи. Дожигание (вторичное горение) несгоревших частиц топлива осуществляется подачей в камеру сгорания двух потоков воздуха, один из которых (холодный) управляется заслонкой, а второй - неуправляемый теплый, после обдувания стекла дверцы поступает в переднюю часть камеры сгорания в область дожигания несгоревших продуктов твердого топлива. Стенки камеры сгорания футерованы кирпичной кладкой и размещены внутри металлического кожуха. Между стенками камеры сгорания и кожухом имеется пространство, по которому затягивается воздух из нижней части отапливаемого помещения для охлаждения кожуха печи (патент US 4766876 A, F24B 5/02, 30.08.1988 - прототип).

Недостаток прототипа заключается в том, что при изменении состава твердого топлива не обеспечивается высокий КПД печи. Это объясняется тем, что не вся химическая энергия твердого топлива, различного по составу, может полностью превратиться в тепловую энергию без регулирования необходимого количества горячего воздуха для дожигания несгоревших частиц данного вида твердого топлива. Несгоревшие полностью остатки твердого топлива, вылетая из трубы печи, снижают ее КПД и ухудшают экологию окружающей среды. Кроме того, другим недостатком прототипа является футеровка кирпичом стенок печи, что снижает ее мобильность для обогрева дачных и временных построек.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание печи, конструкция которой позволит повысить полноту сгорания топлива, теплоотдачу уходящих печных газов и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива.

Указанная задача решается тем, что в предложенной печи преимущественно для обогрева помещений, содержащей корпус со стенками и верхней крышкой, в котором расположена камера сгорания с зоной горения и выполнены каналы подачи воздуха в зону горения камеры сгорания и каналы отвода продуктов сгорания из упомянутой камеры, соединенные с вытяжной трубой, дверку с замком с запорным и упорным элементами, установленную с возможностью вращения в рамке, размещенной на корпусе, согласно изобретению, в верхней части печи, между камерой сгорания и вытяжной трубой, установлен профилированный экран с образованием полости, ограниченной верхней крышкой печи, боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками печи, и профилированным экраном, причем в экране выполнены окна в виде пазов, преимущественно в его периферийной зоне, соединяющие полость камеры сгорания с указанной полостью при помощи горизонтально ориентированных каналов, при этом упомянутые каналы открываются в указанную полость навстречу друг другу, а между выходными частями каналов установлен завихритель.

Для оптимизации конструкции печи и улучшения условий перемешивания продуктов сгорания горизонтально ориентированные каналы образованы боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками печи, и вертикально расположенными перегородками на профилированном экране.

Для оптимизации конструкции печи профилированный экран установлен на расстоянии, равном 0,1-0,5 высоты печи от верхней крышки печи.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит значительное ухудшение условий работы печи, связанное с ухудшением условий закрутки потоков, и соответственно, экономичности печи.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит значительное ухудшение массово-габаритных характеристик печи без существенного улучшения условий теплопередачи тепла от продуктов сгорания к нагревательным элементам печи.

Для оптимизации процесса горения печи каналы подачи воздуха выполнены таким образом, что их выходные части соединены с верхней областью камеры сгорания, при этом первая основная часть каналов постоянно соединяет зону горения с окружающей атмосферой, а вторая, дополнительная, - выполнена с возможностью перекрытия их входной части.

Для оптимизации конструкции печи дополнительные каналы выполнены с площадью проходного сечения, составляющей (0,1…0,75) от площади проходного сечения основных каналов.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое ухудшение условий горения нижней части столба топлива, связанное с маленьким расходом воздуха на горение.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что дальнейшее его увеличение приводит к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.

Для улучшения условий обогрева и подачи теплого воздуха в зону горения входная часть перекрываемых каналов расположена ближе к основанию корпуса на расстоянии, составляющем (0,1…0,05) от высоты печи.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит значительное ухудшение условий работы печи, связанное с подачей холодного воздуха, находящегося внизу, на опорной поверхности, например полу, в зону горения и исключением из работы потока воздуха, подаваемого через основные каналы.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение условий горения самых нижних слоев топлива, связанное с ухудшением подачи воздуха через дополнительные каналы.

Для оптимизации теплообмена экран профилирован в виде буквы «V» с расположением образованного ребра примерно по осевой вертикальной линии печи.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан вид печи спереди, на фиг.2 - продольный разрез печи, положение топлива и направление потоков воздуха в начальный момент времени, на фиг.3-продольный разрез печи, положение топлива и направление потоков воздуха в конечный момент времени, на фиг.4 - вид печи сверху с указанием потоков продуктов сгорания, на фиг.5 - распределение потока продуктов сгорания по корпусу печи в аксонометрии.

Основными элементами предложенной печи являются:

1 - печь;

2 - корпус;

3 - стенка;

4 - верхняя крышка;

5 - камера сгорания;

6 - каналы подачи воздуха;

7 - каналы отвода продуктов сгорания;

8 - вытяжная труба;

9 - дверка;

10 - профилированный экран;

11 - полость;

12 - окно;

13 - периферийная зона;

14 - каналы;

15 - выходная часть канала;

16 - завихритель;

17 - перегородка;

18 - основные каналы;

19 - дополнительные каналы;

20 - выходная часть основных каналов;

21 - устройство перекрытия дополнительных каналов;

22 - выходная часть дополнительных каналов.

Печь 1 содержит корпус 2 со стенками 3 и верхней крышкой 4. В корпусе 2 расположена камера сгорания 5 с зоной горения и выполнены каналы 6 подачи воздуха в зону горения камеры сгорания 5 и каналы 7 отвода продуктов сгорания из камеры сгорания 5. Каналы 7 соединены с вытяжной трубой 8. На корпусе 2 установлена с возможностью вращения в рамке дверка 9 с замком. В верхней части печи 1, между камерой сгорания 5 и вытяжной трубой 8, установлен профилированный экран 10 с образованием полости 11, ограниченной верхней крышкой 4, стенками 3 и профилированным экраном 10. В профилированном экране 10 выполнены окна 12 в виде пазов, преимущественно в его периферийной зоне 13, соединяющие полость камеры сгорания 5 с полостью 11 при помощи горизонтально ориентированных каналов 14. Горизонтально ориентированные каналы 14 открываются в полость 11 навстречу друг другу, а между выходными частями 15 указанных каналов 14 установлен завихритель 16.

В варианте исполнения горизонтально ориентированные каналы 14 образованы боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками 3 печи 1, и вертикально расположенными перегородками 17 на профилированном экране 10.

Каналы подачи воздуха 6 включают в себя основные каналы 18 и дополнительные 19. Основные каналы подачи воздуха 18 выполнены таким образом, что они постоянно соединяют зону горения камеры сгорания 5 с окружающей атмосферой, а их выходные части 20 соединены с верхней областью зоны горения камеры сгорания 5. Дополнительные каналы подачи воздуха 19 выполнены с возможностью перекрытия их проходного сечения при помощи устройства 21. Выходные части 22 дополнительных каналов 19 располагаются в верхней части зоны горения камеры сгорания 5.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В камеру сгорания 5 печи 1 через дверку 9 укладывают топливо и поджигают его. Подвод воздуха осуществляется через каналы 6 подачи воздуха в зону горения камеры сгорания 5, отвод продуктов сгорания - через каналы 7. При сгорании топлива происходит выделение тепла с образованием основного потока продуктов сгорания, имеющих высокую температуру. Образовавшийся основной поток продуктов сгорания разделяется, как минимум, на два дополнительных промежуточных потока за счет установки на его пути профилированного экрана 10 с окнами 12, преимущественно в его периферийной зоне 13. Полученные дополнительные промежуточные потоки через окна 12 поступают к стенкам 3 печи 1. Затем каждый дополнительный промежуточный поток разворачивается и проходит вдоль стенок 3 печи 1 в ее части, расположенной в непосредственной близости возле вытяжной трубы 8, после чего дополнительные промежуточные потоки разворачиваются, как минимум, один раз навстречу друг другу и поступают в полость 11 через выходные части 15 каналов 14. Из выходных частей 15 каналов 14 дополнительные промежуточные потоки поступают на завихритель 16, установленный в полости 11. Проходя через завихритель 16, каждый дополнительный промежуточный поток приобретает вращательное движение, преимущественно по спирали. Затем дополнительные промежуточные вращающиеся потоки перемешиваются между собой и поступают в вытяжную трубу 8.

При работе печи через выходные части 20 каналов 18 в зону горения камеры сгорания 5 подается воздух. Каналы 19 в это время закрыты при помощи устройства 21. Топливо начинает гореть в своей верхней части, причем сам процесс горения продолжается достаточно долгое время, так как воспламеняется и горит не все топливо сразу, а верхняя его часть, ограниченная стенками камеры сгорания 5. Продукты сгорания отводятся через вытяжную трубу 8. По мере прогорания верхней части столба топлива, при необходимости, через дверку 9 подкладываются новые порции топлива, которые затем сгорают. Большая часть ранее заложенного столба топлива при этом остается в исходном состоянии.

При прогорании столба топлива ниже заданного уровня, например ниже половины столба, воздух, поступающий через каналы 18, участвует в процессе горения не в полной мере, что приводит к ухудшению условий смесеобразования, и топливо начинает гореть с меньшей эффективностью по следующим причинам. При полной загрузке печи воздух, поступающий через каналы 18, полностью участвует в процессе окисления топлива. По мере прогорания верхней части столба топлива, его высота уменьшается, но при этом место расположения выходных частей 20 основных каналов 18 подвода воздуха не изменяется. Кроме этого при прогревании потока воздуха продуктами сгорания, находящимися в корпусе вертикально ориентированной печи, его плотность уменьшается, и он поднимается также вверх. По этим причинам воздух, по прежнему поступающий через каналы 18, выходит в вытяжную трубу 8, практически не участвуя в процессе горения, что приводит к снижению эффективности процесса горения.

Для поддержания эффективности процесса горения на необходимом уровне, по мере уменьшения высоты столба топлива, на определенной высоте при помощи устройства 21 открываются каналы 19, и воздух в зону горения подается через их выходные части 22, что способствует процессу горения с заданной эффективностью. Продукты сгорания отводятся через вытяжную трубу 8.

Проведенные автором и заявителем испытания полноразмерного образца печи показали, что температура уходящих печных газов снизилась ориентировочно на 200-300°С, с одновременным увеличением времени работы печи при неизменном расходе топлива, что позволило значительно повысить эффективность работы печи.

Использование предложенного технического решения даст возможность, за счет придания горячим печным газам вращательного движения с одновременным увеличением длины канала от камеры сгорания до вытяжной трубы, интенсифицировать теплообмен между горячими печными газами и нагревательными элементами печи, что, в конечном итоге, позволит повысить эффективность рабочего процесса и экономичность печи.

Изобретение относится к отопительным печам и может быть использовано при разработке печей и нагревательных устройств для приготовления пищи и отопления помещения. Технический результат: повышение полноты сгорания топлива, теплоотдачи уходящих печных газов и увеличение продолжительности работы печи при неизменном расходе топлива. Печь содержит корпус со стенками и верхней крышкой, в котором расположена камера сгорания с зоной горения и выполнены каналы подачи воздуха в зону горения камеры сгорания и каналы отвода продуктов сгорания из упомянутой камеры, соединенные с вытяжной трубой. Дверка с замком с запорным и упорным элементами установлена с возможностью вращения в рамке, размещенной на корпусе. В верхней части печи, между камерой сгорания и вытяжной трубой, установлен профилированный экран с образованием полости, ограниченной верхней крышкой печи, боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками печи, и профилированным экраном. В экране выполнены окна в виде пазов, преимущественно в его периферийной зоне, соединяющие полость камеры сгорания с указанной полостью при помощи горизонтально ориентированных каналов, которые открываются в указанную полость навстречу друг другу, а между выходными частями каналов установлен завихритель. Указанные каналы образованы боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками, и вертикально расположенными перегородками на профилированном экране. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Печь, преимущественно, для обогрева помещений, содержащая корпус со стенками и верхней крышкой, в котором расположена камера сгорания с зоной горения и выполнены каналы подачи воздуха в зону горения камеры сгорания и каналы отвода продуктов сгорания из упомянутой камеры, соединенные с вытяжной трубой, дверку с замком с запорным и упорным элементами, установленную с возможностью вращения в рамке, размещенной на корпусе, отличающаяся тем, что в верхней части печи, между камерой сгорания и вытяжной трубой, установлен профилированный экран с образованием полости, ограниченной верхней крышкой печи, боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками печи, и профилированным экраном, причем в экране выполнены окна в виде пазов, преимущественно в его периферийной зоне, соединяющие полость камеры сгорания с указанной полостью при помощи горизонтально ориентированных каналов, образованных боковыми элементами корпуса печи, преимущественно стенками печи, и вертикально расположенными перегородками на профилированном экране, при этом упомянутые каналы открываются в указанную полость навстречу друг другу, а между выходными частями каналов установлен завихритель.

2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что профилированный экран установлен на расстоянии, равном 0,1-0,5 высоты печи от верхней крышки печи.

3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что каналы подачи воздуха выполнены таким образом, что их выходные части соединены с верхней областью камеры сгорания, при этом первая, основная, часть каналов постоянно соединяет зону горения с окружающей атмосферой, а вторая, дополнительная, - выполнена с возможностью перекрытия их входной части, при этом дополнительные каналы выполнены с площадью проходного сечения, составляющей (0,1…0,75) от площади проходного сечения основных каналов.

4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что экран профилирован в виде буквы «V» с расположением образованного ребра примерно по осевой вертикальной линии печи.