СПОСОБ ПОДАЧИ И НАГРЕВА ПАРА Российский патент 2013 года по МПК F24B1/00 

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при оборудовании бань стационарного и мобильного типов, а также для обогрева бытовых и производственных помещений.

Известны печи для бани, содержащие металлический корпус, топку, камеру с находящимися в ней камнями и дымовую трубу, установленную над камерой. При эксплуатации получают чистый пар, плеснув на камни горячую воду (Патент RU №2005263 С1, МПК F24В 1/24, 07.03.1993).

Недостатком указанных печей является возможность попадания в парильню топочных газов и наличие в паре с относительной влажностью до 70% крупных капель доведенной до кипения воды. При этом невозможно получение перегретого пара с относительной влажностью менее 25%.

Известны способы получения перегретого пара из влажного пара высокого давления путем отделения жидкости от пара, дросселирования и перегрева за счет теплообмена с насыщенным паром и повышения тем самым экономичности (а.с. СССР 561048 А, МПК F22G 1/10, 01.08.1977).

Недостатком способов является необходимость в дополнительном парогенераторе и трудность стабилизации температуры перегретого пара.

Известна печь для бани, содержащая металлический корпус с топкой, дымоходом и открытый контейнер с теплообменным крупнодисперсным материалом, при этом указанный открытый контейнер размещен в верхней части топки со стороны обогреваемого помещения, в топке помещена емкость повышенного давления с теплообменным крупнодисперсным материалом и установленным в ее верхней части влагораспределительным устройством, соединенным с баком для парообразующей жидкости посредством дозатора, в указанной емкости снизу вверх встроена дроссельная труба, проходящая через теплообменный крупнодисперсный материал и верхнюю часть топки в указанный открытый контейнер, обеспечивающая дополнительный перегрев образовавшегося в емкости повышенного давления перегретого пара в верхней части топки и за счет рекуперативного теплообмена с крупнодисперсным материалом (Патент РФ №2250417, МПК F24B 1/00, 5/00).

Указанная печь работает следующим образом.

В топку металлического корпуса рассматриваемой модификации через дверцу закладывается топливо и разжигается. Остатки от сгораемого топлива просыпаются через колосниковую решетку в поддувало. Горячий газ, образовавшийся от сгорания топлива, поднимается вверх топки, нагревает теплообменный крупнодисперсный материал в емкости и контейнере, а также пар в верхней части дроссельной трубы. Затем горячий газ, поднимаясь вверх в сквозной дымовой трубе, обогревает бак с водой. Постепенно теплообменный крупнозернистый материал 7 разогревается до (350-450)°C, нагревая воздух в помещении до (60-100)°C.

Способ перегрева пара, реализуемый с помощью указанной печи, заключается в следующем.

Для получения перегретого пара парообразующая жидкость из бака через дроссельный канал с патрубком поступает во влагораспределительное устройство. Нагрев жидкости происходит при ее контакте с теплообменным крупнозернистым материалом. Образовавшийся насыщенный пар поднимается в верхнюю часть емкости и затем, по мере увеличения его объема, под собственным давлением просачивается через крупнодисперсный материал, еще больше нагревается свыше 100°C и поступает во входное отверстие дроссельной трубы в нижней части емкости. Далее перегретый пар нагревается на горизонтальном участке части дроссельной трубы в верхней части топки. Сдросселированный пар поступает в открытый контейнер и в процессе рекуперативного теплообмена с крупнодисперсным материалом перегревается свыше 110°C, осуществляя нагрев помещения.

Недостатком данной печи является необходимость в дополнительном влагораспределительном устройстве и трудность стабилизации температуры перегретого пара.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа образования и нагрева пара, применение которого позволит повысить теплоотдачу продуктов сгорания топлива и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива с возможностью получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе образования и нагрева пара, заключающемся в получении пара при нагревании парообразующей жидкости с последующим перегревом полученного пара при его контакте с разогретым теплообменным крупнодисперсным материалом, согласно изобретению, парообразующую жидкость, преимущественно воду, заливают в емкость, которую образуют посредством установки, преимущественно осесиметрично, на дымовой трубе печи обечайки с днищем, при этом в упомянутую емкость помещают теплообменный материал, преимущественно камни, пропускают через указанную трубу горячие дымовые газы, предпочтительно продукты сгорания печи, и нагревают таким образом парообразующую жидкость с теплобменым материалом до температуры образования пара, при этом полученный при нагревании парообразующей жидкости пар и увлажненный при этом воздух, образующие паровоздушную смесь, направляют, преимущественно вдоль трубы, в кольцевой зазор, который образуют между крышкой емкости и дымовой трубой, и далее в кольцевые полости, внутреннюю и внешнюю, которые образуют путем установки в верхней части трубы кожуха, состоящего из двух обечаек - внутренней и наружной, и двух профилированных перфорированных днищ, установленных с торцов упомянутых обечаек, при этом во внешней полости указанного кожуха размещают теплообменный материал.

В варианте исполнения, верхнее профилированное днище кожуха выполнено с возможностью изменения его проходного сечения, что позволяет регулировать расход пара.

В варианте применения способа, внутренний диаметр d_вн внутренней обечайки кожуха выполняют в соотношении d_вн≈(1,1…1,5)D_тp, а внутренний диаметр d_н наружной обечайки корпуса выполняют в соотношении d_н≈(1,1…2)d_вн, при этом толщину s стенок трубы, внутренней и наружной обечаек корпуса выбирают в соотношении s≈(0,04…0,12)D_тр, где: d_вн - внутренний диаметр внутренней обечайки кожуха, d_н - внутренний диаметр наружной обечайки корпуса, D_тp - внутренний диаметр трубы.

В варианте исполнения, внутренний диаметр d_вн внутренней обечайки кожуха составляет d_вн≈(1,1…1,5)D_тр, а внутренний диаметр d_н наружной обечайки корпуса составляет d_н≈(1,1…2) d_вн, при этом толщина s стенок трубы, внутренней и наружной обечаек корпуса составляет s≈(0,04…0,12)D_тp, где: d_вн - внутренний диаметр внутренней обечайки кожуха, d_н - внутренний диаметр наружной обечайки корпуса, D_тp - внутренний диаметр трубы.

Нижний предел соотношения d_вн≈(1,1…1,5)D_тр выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении возрастает сопротивление тракта, образованного внутренней обечайкой и трубой, что приводит к снижению эффективности работы печи.

Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит снижение скорости пара, проходящего по указанному зазору, что приводит к ухудшению условий теплопередачи, и, соответственно, снижению эффективности работы печи.

Нижний предел соотношения d_н≈(1,1…2)d_вн выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении возрастает сопротивление тракта, образованного внутренней обечайкой и наружной обечайкой, что приводит к снижению эффективности работы печи.

Верхний предел указанного соотношения выбран исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит снижение скорости пара, проходящего по указанному зазору, что приводит к ухудшению условий теплопередачи, и, соответственно, снижению эффективности работы печи.

Кроме этого, дальнейшее его увеличение приводит к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.

Нижний предел соотношения s≈(0,04…0,12)D_тp выбран исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит потеря устойчивости и формы конструктивных элементов печи, а при увеличении верхнего предела выше указанного возрастает тепловая инерционность конструкции, увеличивается время на прогрев и ухудшаются условия теплопередачи между металлическими частями, продуктами сгорания и паром.

В варианте применения способа, внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости выполняют в соотношении d_eм≈(1,8…3,0)D_тр, предпочтительно 2 D_тр, где: d_eм - внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости, D_тр - внутренний диаметр трубы.

Нижний предел соотношения d_eм≈(1,8…3,0)D_тp выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит практически мгновенное вскипание и испарение парообразующей жидкости, что ухудшает эксплуатационные показатели работы печи, а увеличение внутреннего диаметра емкости для парообразующей жидкости выше указанного верхнего предела ведет к увеличению времени подготовки печи к работе из-за необходимости прогрева достаточно большого объема воды и к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.

В варианте применения способа, нижнее днище кожуха устанавливают от крышки емкости с парообразующей жидкостью, предпочтительно кольцевого зазора, между крышкой и трубой на расстоянии h≈(0,01…0,5)D_тр, где h - расстояние от крышки емкости до нижнего днища кожуха, D_тр - внутренний диаметр трубы.

Нижний предел соотношения h≈(0,01…0,5) выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит увеличение сопротивления тракта и происходит перераспределение расхода пара, идущего в кольцевой зазор между стенкой трубы и внутренней обечайкой и в кольцевой зазор между внутренней и наружной обечайками. Увеличение кольцевого зазора выше указанного верхнего предела приводит к ухудшению условий парообразования в кольцевой емкости и ухудшению массово-габаритных характеристик печи.

В варианте применения способа, в верхней выходной части трубы устанавливают заслонку с возможностью изменения проходного сечения трубы, что позволит регулировать тягу и, соответственно, изменять режимы процесса горения топлива в печи.

В варианте применения способа, наружный диаметр кольцевого зазора между крышкой парообразующей емкости трубой выполняют не более 1,5 D_тр, где D_тp - внутренний диаметр трубы.

Указанное значение выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит резкое ухудшение условий парообразования в кольцевой емкости.

В варианте применения способа, длину кожуха выполняют в следующих пределах: L≈(1…12)D_тp, где L - длина кожуха, D_тp - внутренний диаметр трубы.

Нижний предел указанного соотношения выбран, исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении пар, подаваемый в кольцевые зазоры кожуха, не успеет прогреться в достаточной степени и отобрать тепло от уходящих продуктов сгорания, что приведет к ухудшению экономичности работы печи. Верхний предел указанного соотношения выбран, исходя из того, что при дальнейшем его увеличении интенсивность теплообмена между уходящими продуктами сгорания и паром за счет уменьшения температуры продуктов сгорания падает, и в помещение будет поступать недогретый пар или пар, уже отдавший полученное тепло, что приведет к ухудшению экономичности работы печи. Кроме этого дальнейшее увеличение указанного предела ведет к ухудшению массово-габаритных характеристик печи.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез дымовой трубы для реализации предложенного способа, на фиг.2 - днище кожуха, вид сверху, на фиг.3 - вид дымовой трубы в аксонометрии, с указанием распределения потоков пара и потока продуктов сгорания.

Предложенный способ может быть реализован при помощи банной печи с дымовой трубой следующей конструкции.

Дымовая труба для печи содержит вертикально ориентированный корпус 1. Нижняя входная часть 2 корпуса 1 соединяется с источником горячих газов, предпочтительно, продуктов сгорания топлива в печи, верхняя выходная 3 - с окружающей атмосферой. В нижней части 2 корпуса 1 трубы установлена обечайка 4 с днищем, образующая с корпусом 1 трубы кольцевую емкость 5 для парообразующей жидкости, преимущественно, воды и теплообменного материала. Верхняя выходная часть емкости 5 закрыта крышкой 6, выполненной в виде усеченного конуса. Между крышкой 6 и корпусом 1 трубы выполнен кольцевой зазор 7. Над емкостью 5, в непосредственной близости от нее, коаксиально с корпусом 1 трубы, установлен цилиндрический кожух 8, состоящий из двух обечаек - внутренней 9 и наружной 10, установленных коаксиально с кольцевым радиальным зазором по отношению к корпусу трубы и друг к другу. Кольцевые радиальные зазоры 11 и 12 между корпусом трубы 1 и внутренней обечайкой 9 и между внутренней 9 и наружной 10 обечайками соответственно соединены с внутренней полостью кольцевой емкости 5 для воды через упомянутый кольцевой зазор 7 между крышкой 6 и корпусом трубы 1. Кожух 8 с торцов закрыт профилированными перфорированными днищами 13 и 14, причем днище 14 может быть выполнено с возможностью изменения его проходного сечения. В верхней части 3 корпуса 1 установлена с возможностью вращения заслонка 15. В полость кольцевой емкости 5 и в кольцевой зазор 12 между внутренней 9 и наружной обечайками 10 укладывают крупнодисперсный теплообменный материал 16.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

Поток продуктов сгорания, полученный в топке печи и имеющий высокую температуру, направляют в нижнюю входную часть 2 корпуса трубы 1, где он за счет тяги поднимается вверх к выходной части 3, разогревая при этом корпус 1 дымовой трубы. В полость емкости 5, образованной обечайкой 4 с днищем, с предварительно уложенным крупнодисперсным теплообменным материалом 16, заливают парообразующую жидкость, преимущественно, воду.

За счет конвективного теплообмена между горячей стенкой нижней части 2 корпуса 1 и налитой в кольцевую емкость 5 водой, осуществляют разогрев воды до температуры парообразования, после чего и происходит образование пара с одновременным увлажнением воздуха, находящегося в зоне крышки 6. Образовавшаяся паровоздушная смесь, состоящая из пара и увлажненного воздуха, и имеющая теплоемкость выше, чем обычный воздух, поднимается вверх, к кольцевому зазору 7.

Поток паровоздушной смеси, прошедший кольцевой зазор 7, разделяют на две части.

Одну, первую, часть указанного потока через профилированное перфорированное днище 13 подают в кольцевой зазор 11, между трубой 1 и внутренней обечайкой 9, другую, вторую часть, - в кольцевой зазор 12 между внутренней обечайкой 9 и наружной обечайкой 10, заполненный крупнодисперсным теплообменным материалом 16.

Первая часть потока, проходя по кольцевому зазору 11, отбирает тепло у горячей стенки корпуса 1 трубы, нагревается дальше при этом сама и поступает в обогреваемое помещение. Часть тепла при движении указанная часть потока отдает внутренней обечайке 9.

Вторая часть потока, проходя по кольцевому зазору 12, отдает тепло крупнодисперсному теплообменному материалу 16, разогревает его до требуемой температуры и также поступает в обогреваемое помещение.

Регулирование тяги печи осуществляют при помощи перекрытия/открытия проходного сечения дымовой трубы при помощи заслонки 15, установленной в верхней части 3 корпуса 1 с возможностью вращения.

Использование для процессов теплопередачи паровоздушной смеси, состоящей из пара и увлажненного воздуха, имеющей теплоемкость выше, чем обычный сухой воздух, позволит значительно улучшить условия теплопередачи между рабочим телом - полученной паровоздушной смесью - и рабочими органами печи - корпусом 1, внутренней 9 и наружной 10 обечайками при неизменном расходе топлива, что в конечном итоге, позволит повысить экономичность работы печи.

Проведенные автором и заявителем испытания полноразмерного образца печи для реализации предложенного способа подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ образования и нагрева пара, применение которого даст возможность повысить теплоотдачу продуктов сгорания топлива и значительно увеличить время работы печи при неизменном расходе топлива с возможностью получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью.

Изобретение относится к конструкции печей и способу генерации перегретого пара и может быть использовано при оборудовании бань стационарного и мобильного типов, а также для обогрева бытовых и производственных помещений. Способ подачи и нагрева пара заключается в получении пара при разогревании парообразующей жидкости с последующим перегревом полученного пара при его контакте с разогретым теплообменным крупнодисперсным материалом, причем парообразующую жидкость, преимущественно воду, заливают в емкость, которую образуют посредством установки, преимущественно осесимметрично, на дымовой трубе печи обечайки с днищем, при этом в упомянутую емкость помещают теплообменный материал, преимущественно камни, пропускают через указанную трубу горячие дымовые газы, предпочтительно продукты сгорания печи, и нагревают, таким образом, парообразующую жидкость с теплообменным материалом до температуры образования пара, при этом полученный при нагревании парообразующей жидкости пар и увлажненный при этом воздух, образующие паровоздушную смесь, направляют, преимущественно вдоль трубы, в кольцевой зазор, который образуют между крышкой емкости и дымовой трубой, и далее в кольцевые полости, внутреннюю и внешнюю, которые образуют путем установки в верхней части трубы кожуха, состоящего из двух обечаек - внутренней и наружной, и двух профилированных перфорированных днищ, установленных с торцов упомянутых обечаек, при этом во внешней полости указанного кожуха размещают теплообменный материал. Технический результат: повышение теплоотдачи продуктов сгорания топлива, увеличение времени работы печи при неизменном расходе топлива, возможность получения перегретого пара с регулируемой температурой и влажностью. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подачи и нагрева пара, заключающийся в получении пара при разогревании парообразующей жидкости с последующим перегревом полученного пара при его контакте с разогретым теплообменным крупнодисперсным материалом, характеризующийся тем, что парообразующую жидкость, преимущественно воду, заливают в емкость, которую образуют посредством установки, преимущественно осесимметрично, на дымовой трубе печи обечайки с днищем, при этом в упомянутую емкость помещают теплообменный материал, преимущественно камни, пропускают через указанную трубу горячие дымовые газы, предпочтительно продукты сгорания печи, и нагревают таким образом парообразующую жидкость с теплообменным материалом до температуры образования пара, при этом полученный при нагревании парообразующей жидкости пар и увлажненный при этом воздух, образующие паровоздушную смесь, направляют преимущественно вдоль трубы в кольцевой зазор, который образуют между крышкой емкости и дымовой трубой, и далее в кольцевые полости, внутреннюю и внешнюю, которые образуют путем установки в верхней части трубы кожуха, состоящего из двух обечаек - внутренней и наружной и двух профилированных перфорированных днищ, установленных с торцов упомянутых обечаек, при этом во внешней полости указанного кожуха размещают теплообменный материал.

2. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что верхнее профилированное днище кожуха выполняют с возможностью изменения его проходного сечения.

3. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр d_вн внутренней обечайки кожуха выполняют в соотношении d_вн≈(1,1…1,5)D_тр, а внутренний диаметр d_н наружной обечайки корпуса выполняют в соотношении d_н≈(1,1…2)d_вн, при этом толщину s стенок трубы, внутренней и наружной обечаек корпуса выбирают в соотношении s≈(0,04…0,12)D_тр, где d_вн - внутренний диаметр внутренней обечайки кожуха, d_н - внутренний диаметр наружной обечайки корпуса, D_тр - внутренний диаметр трубы.

4. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости выполняют в соотношении d_eм≈(1,8…3,0)D_тp, предпочтительно 2 D_тр, где d_ем - внутренний диаметр емкости для парообразующей жидкости, D_тр - внутренний диаметр трубы.

5. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что нижнее днище кожуха устанавливают от крышки емкости с парообразующей жидкостью предпочтительно кольцевого зазора между крышкой и трубой на расстоянии h≈(0,01…0,5)D_тр, где h - расстояние от крышки емкости до нижнего днища кожуха, D_тр - внутренний диаметр трубы.

6. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что в верхней выходной части трубы устанавливают заслонку с возможностью изменения проходного сечения трубы.

7. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр кольцевого зазора между крышкой парообразующей емкости и трубой выполняют не более 1,5 D_тр, где D_тр - внутренний диаметр трубы.

8. Способ подачи и нагрева пара по п.1, отличающийся тем, что длину кожуха выполняют в следующих пределах: L≈(1…12)D_тр, где L - длина кожуха, D_тр - внутренний диаметр трубы.