печь бытовая

Формула изобретения

Печь бытовая, изготовленная из листового металла, включающая топочную камеру, выполненную с воздушным нагревательным контуром по периметру, жиклеры, рефлектор, переднюю и заднюю стенки с патрубками, с входной и выходной заслонками, загрузочный люк с дверцей, имеющей запорное устройство на передней стенке, отличающаяся тем, что воздушный контур выполнен в виде радиаторных поясов из пластин, плотно прижатых и приваренных к наружным поверхностям обшивок шестигранной в сечении топки, и обечаек, а выходное устройство для горячего воздуха выполнено с дефлекторами и турбулизаторами, рассчитанными с учетом эффекта Коандо, с конструктивными параметрами a₁=0,4а, а₂=0,03а, R=4а, где а - зазор между наружной поверхностью обечайки и дефлектором, a₁ - величина местного уменьшения зазора а в критическом сечении, а₂ - высота турбулизатора, позволяющими направить тепловые потоки с наружных внешних поверхностей обечаек с обеспечением их разворота на угол 90° практически без потерь, а также повысить температуру общего теплового потока на выходе на 21-29°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к печам бытовым комбинированным, предназначенным для отопления помещений от 3 до 500 м и более, в зависимости от типоразмера, а также для приготовления и разогрева пищи, сушки грибов, ягод, фруктов и других пищевых и овощных продуктов. Печь может применяться для обогрева дач, гаражей, мастерских, теплиц, ферм, а также палаток туристов, укрытий для рыбаков, особенно - для помещений, используемых только время от времени: залы, холлы, сельские клубы. В настоящее время для обогрева помещений широкое распространение получили газификационные печи типа "Буллерьян" и RU 2090804 С1; по назначению первая как нагреватель воздуха, вторая - в качестве нагревателя, для приготовления пищи и нагрева воды. Принцип работы этих печей основан на получении горючего газа в них, как и в газификационных печах шахтного типа, при медленном сжигании топлива в горящем слое (беспламенное горение) при небольшом коэффициенте избытка воздуха, где полученный газ (обычно метан) не сжигается, а отводится и накапливается. В вышеуказанных печах полученный газ, поднимаясь, тут же сжигается, нагревая воздух в трубах, как в печи "Буллерьян", или в воздушных каналах печи RU 2090804 С1. Печь "Буллерьян" имеет топочную камеру, выполненную заодно с воздушным нагревательным контуром по периметру в виде труб, рефлектор и жиклеры, закрепляемые на внутренней поверхности труб; переднюю и заднюю стенки с патрубками, с входной и выходной заслонками, загрузочный люк с дверцей, имеющей запорное устройство на передней стенке; с выходом горячего воздуха из труб в верхней части печи. Недостаток этого вида печей заключается в том, что такая конструкция обладает большой материало- и металлоемкостью, трудоемкостью и, следовательно, себестоимостью; имеет ограниченную область использования, так как работает только в режиме нагревателя воздуха и в силу своих конструктивных особенностей выходящие трубы имеют угол подхода к горизонту 30°, что не позволяет использовать их, например, даже для нагрева воды.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбираем бытовую печь RU 2090804 C1, F 24 В 7/00, 20.09.1997 г., 24 с. [1] как наиболее близкую к заявленной по конструкции и назначению, так и по параметрам температур нагреваемого воздуха на выходе из воздуховодных каналов 150-170°С (в заявленной печи 130-196°С). Известная печь [1], как и заявленная, выполнена из листового материала, включает топочную камеру, выполненную с воздушным нагревательным контуром по периметру, рефлектором и жиклерами; переднюю и заднюю стенки с патрубками, с входной и выходной заслонками, загрузочный люк с дверцей, имеющей запорное устройство на передней стенке; воздушный контур выполнен в виде радиаторных поясов из пластин, находящихся в контакте с наружными поверхностями стенок топки.

В печи-прототипе заявленная температура воздуха на выходе из печи 150°С - однозначно относится к работе печи в режиме отопления. Данные испытаний заявленной печи по температурам в аналогичном режиме, во время установившейся длительной работы, не превышали 130 -135°С (разница с прототипом 15-20°С), из чего следует, что прототип в режиме отопления работал или на более интенсивном режиме, что вело к большим расходам топлива и, следовательно, уменьшало необходимое (заявленное) время работы печи на одной закладке топлива, или тепловой КПД печи был ниже (заявленного). Анализ работы заявленной печи в режиме отопления, как и прототип, выдавал также более высокие температуры нагретого воздуха 130-135°С. Причиной этого является применение дефлекторов и турбулезаторов, конструктивные параметры которых рассчитаны с учетом эффекта Коандо [2], фиг.2, и установлены на выходе воздуха из воздуховодных каналов, при этом a₁=0,4a; а ₂=0,03a; R=4а, где:

а - зазор между наружными поверхностями внешних панелей и хвостовыми, подсеченными поверхностями дефлекторов;

a₁ - величина местного уменьшения зазора а в критическом сечении, выполняемая подсечкой радиусной части дефлектора;

а₂ - высота турбулезатора, которая ставится в плоскости критического сечения дефлектора тупым концом к набегающему установившемуся (ламинарному) потоку, за счет чего он деформируется; появляются вертикальные вихри, а в месте уменьшения зазора а на величину а₁ - скорость потока и давление увеличиваются, он становится вихревым (турбулентным);

R - радиусный участок дефлектора, за счет которого турбулентный поток после критического сечения, становясь все более разреженным из-за падения давления, отклоняется за счет скорости горячего воздуха в воздуховодных каналах и отсасывается в эти каналы практически без потерь, с разворотом потока до 180° (в нашем случае до 90° для каждой половины воздуховода).

Дефлектор (лат. - отклонять) - вытяжное устройство на вентиляционной или дымовой трубе..., приспособление для изменения направления потока газа, жидкости. На заявленной печи служит для отклонения и вытягивания турбулентного потока в воздуховодный канал, ставится над наружной поверхностью внешних панелей на расстоянии а, с креплением торцами к стенкам печи.

Турбулезатор-завихритель потока устанавливается тупым концом с размером а₂ к набегающему ламинарному потоку, в плоскости критического сечения дефлектора, крепится к наружной поверхности внешних панелей между стенками. Плоскость критического сечения дефлектора определяется конструктивной проработкой размещения турбулезаторов и дефлекторов на выходной части воздуховода по размеру В₂ дефлектора, зависящего от следующих факторов (см. уточненную фиг.2 чертежа):

а - зазор между дефлектором и внешней панелью, влияющий на расход воздуха из полости ; выбирается минимальным, т.к. необходимо направить горячий воздух из тонкого слоя, находящегося непосредственно у наружных поверхностей внешних панелей в верхних 1/3 частях длин граней, на которых воздух уже значительно нагрелся;

Ва - зазор на выходе горячего воздуха из полости в воздуховод;

B₁3,5a - величина, подсеченной на a₁,части дефлектора от задней его кромки до начала участка радиуса R, определяется минимальной (3,5а), для стабилизации и направления потока воздуха минимального расхода и В>3,5а - для тех же целей, но большего, чем минимальный расхода (или с большей поверхности);

В₂=B ₁+R sin - размер дефлектора от задней его кромки до плоскости критического сечения, определяется графоаналитическим способом в процессе подбора оптимального значения а;

В2=Rsin - длина радиусной части дефлектора по нормали к плоскости критического сечения;

- угол радиусной части дефлектора от плоскости критического сечения до начала размера a1, (B₁);

В=(0,7-1,0)а - ширина турбулезатора, выбирается конструктивно;

h_B- высота воздуховода, определяется расходом горячего воздуха через печь;

l_c.h.=(1,5...2,0)h_B - размер спрямляюще-направляющей части воздуховода;

С - направляющая часть дефлектора как продолжение l_с.н. воздуховода на плоскости Б;

r_ср.в.=(1...2)h_B - средний радиус воздуховода, выбирается из принятого оптимального значения местных гидравлических сопротивлений (Термодинамика, справочник, 1958 г.);

r_в.п.=r_ср.в. - (hв/2+S_В.П.) - радиус внешних панелей, где S _В.П.- толщина листа внешних панелей, выбирается конструктивно;

в.=45° - угол выброса горячего воздуха из воздуховода;

- зазор между пластинами радиаторных поясов и внешними панелями, определяется конструктивно.

Установка турбулезаторов п.13 и дефлекторов п.12 выполняется на собранной топке со стенками пп.15,16 (далее - печь) в следующем порядке:

- печь наклоняется влево так, чтобы параллельные плоскости А стенок встали на горизонтальную опору, при этом наружная поверхность верхней правой части внешней панели будет ˜ горизонтальной, это надо для того, чтобы груз Р не крепить при работе;

- калибр hв устанавливается в воздуховод и закрепляется струбцинами на длине lс.н. у стенок печи, при этом плоскость Б калибра должна находиться под углом в=45° к верхнему обрезу стенок;

- на внешнюю панель ставим калибр а его передней кромкой параллельно верхнему краю панели по ее длине; сверху на него устанавливаем дефлектор и прижимаем его на участке В2 грузом по всей длине так, чтобы правый его край выступал за край калибра;

- перемещаем дефлектор по поверхности калибра а к плоскости Б калибра hв до его совмещения с калибром hв по плоскости Б на всей его длине;

- отмечаем, приставив к правой оконечности дефлектора угольник, 2-3 метки на наружной поверхности внешней панели и через метки проводим прямую разметочную линию через всю длину панели, предварительно сняв с нее груз, дефлектор и калибр а;

- перемещаем параллельно этой разметочной линии линейку на размер В2 к воздуховоду и проводим вторую прямую линию - это и будет след критического сечения дефлектора на внешней панели;

- устанавливаем и закрепляем на внешней панели турбулезатор, совместив его край с размером а₂ со следом критического сечения дефлектора на панели;

- устанавливаем дефлектор на калибр а, предварительно установив калибр а на внешнюю панель (как указано в абзаце 5 и 6, считая снизу, на стр.5), и после совмещения его с плоскостью Б калибра hв, не снимая груз, закрепляем торцами к стенкам печи. На левой ветви воздуховода турбулезатор и дефлектор устанавливаются аналогично.

Разница температур для режима отопления 21° С (указана на листе 7) могла появиться только за счет отвода тепла с наружных поверхностей панелей (так как дополнительным калориям взяться было неоткуда).

Анализ топок печей различной формы в сечении показывает, что шестигранная печь по площади сечения топки превосходит, например, круглую; при равных значениях ширины

d (размер под ключ) и D - диаметра;

d - для шестигранной и диаметра Д - для круглой, получим соответственно:

S_{6 П.Т.}=0,866 d² - площадь шестигранника;

s_{d П.Т.} =0,785 D² - площадь круга.

Из значений площадей видно, что шестигранник при d=D больше в 1,103 раз==0,866/0,785, то есть на 10,3%. Значит, выбор шестигранной печи более оптимален, так как длина ее (при равных объемах топочных камер) будет меньше, меньше пойдет металла, одновременно такая печь будет более технологичной при изготовлении обшивок панелей пластин радиаторных поясов (меньше отходов, меньше трудоемкость - рубить на гильотине это не фрезеровать или точить и резать); все это уменьшает себестоимость и вместе с 9% уменьшением веса может дать экономию 5-7% на изделии. Топка - основная теплопроизводящая часть печи, а для газификационных печей, например, шахтного типа, определенное практикой, отношение высоты топки к ее ширине составляет - 1,2 (Общая теплотехника, Швец М.И. и др., изд. Москва, 1960 г.). Для шестигранника отношение его высоты к "размеру под ключ" (ширине) равно 1,15 5, что, практически, одно и то же.

В формуле прототипа есть признаки "... воздушный нагревательный контур выполнен в виде пластин, находящихся в контакте с наружными поверхностями топки (радиаторных поясов) и соединенных с внешними панелями...". То есть налицо появление "тепловых мостов" через пластины к внешним панелям, следовательно, тепло будет уходить не в воздуховоды печи, а в окружающий воздух, теряя на температуре выходящего воздуха.

На заявленной печи, наоборот, пластины радиаторных поясов не касаются внешних панелей, в связи с чем мы имеем частичное влияние на увеличение температуры выходящего воздуха на 21-29°С наряду с влиянием на этот же результат турбулезаторов и дефлекторов, обеспечивающих эффект Коандо; на основании этого предлагаю следующую редакцию в отличительной части формулы: "... воздушный нагревательный контур выполнен в виде радиаторных поясов из пластин, находящихся в контакте с наружными поверхностями стенок... топки, и внешних панелей, закрепленных к стенкам печи, и с зазором относительно наружных поверхностей пластин радиаторных поясов..." (), как это показано на фиг.2 чертежей, в том числе 1-й редакции. Вместе с тем применение дефлекторов и турбулезаторов на выходе потока из воздуховодов с конструктивными параметрами, обеспечивающими эффект Коандо и отсутствие тепловых мостов между пластинами радиатора и внешними панелями, дает возможность:

- направить дополнительное тепло с наружных поверхностей внешних панелей в выходную часть воздуховода, так как скорость потока в критическом сечении возрастет на 60-67%;

- практически без потерь позволит разворачивать поток горячего воздуха до 180° (в нашем случае 90°);

- за счет забираемого тепла с наружных панелей температура воздушного потока на выходе для двух режимов применения печи возрастет на 21-29°С и достигнет: в режиме обогрева 130-135°С; в режиме приготовления пищи 175-196°С;

- увеличение температуры воздушного потока на выходе, при промежуточных положениях заслонок, позволяет расширить область применения печи и делает ее многофункциональной, то есть позволяет использовать ее, помимо обогрева помещений, для приготовления, разогрева пищи, сушки грибов, ягод, фруктов и овощей экологически чистым горячим воздухом.

Применение шестигранной в сечении топки печи делает печь более оптимальной и за счет большей площади сечения (˜10% по сравнению с круглой) более легкой, технологичной, уменьшая ее себестоимость изготовления на 5-7%. Осуществление вышеуказанных задач по основным признакам указывает на возможность снятия причин, препятствующих получению требуемого технического результата, то есть уровня техники и раскрывает сущность изобретения, так как обеспечивает возможность получения заявленных технических результатов. Печь бытовая представляет собой сварную конструкцию, собранную, в основном, из деталей, изготовленных из стального листа. На фиг.1 дана печь в аксонометрической проекции, выноска места I, позиции основных элементов от 1 до 16, без 13. На фиг.2 дано: укрупненное изображение места I, позиции 3, от 12 до 16, без 15, основные конструктивные параметры и их соотношения для дефлектора и турбулезатора: а, a₁, a₂ и R, а также их взаимное расположение, в том числе с другими элементами печи.

Печь, фиг.1, содержит топочную камеру 1, содержащую две обшивки 2, пластины радиаторных поясов п.14, рефлектор 11 и жиклеры 10; переднюю стенку 15, в средней части которой выполнен проем под люк, закрываемый дверцей 4 с помощью запора 5; дверца имеет патрубок 6, с входной заслонкой для регулирования мощности и заднюю стенку 16 с патрубком 7 и заслонкой - для регулирования режима работы; две опоры 8 - для установки, две ручки-опоры 9 для переноски и размещения кухонной утвари и посуды, правую и левую внешние панели 3, которые вместе с обшивками топочной камеры и радиаторными поясами образуют правую и левую части нагревательного контура; дефлекторы 12. На фиг.2 даны турбулезаторы 13, закрепленные на наружных поверхностях внешних панелей, в месте прохождения плоскости критического сечения дефлектора; дефлекторы 12, закрепляемые торцами к передней и задней стенкам печи, на расстоянии а от наружных поверхностей внешних панелей, а также позиции 12,16 - для лучшего понимания их взаимного расположения. Наружная поверхность печи покрыта жаропрочной краской. Эксплуатация печи заключается в следующем. Перед топкой печи необходимо проверить:

- наличие уплотнения на дверце;

- работу запора дверцы 5;

- возможность поворота от руки заслонок патрубков 6,7;

- установить печь на несгораемое основание;

- подсоединить к выходному патрубку дымоотвод, он должен быть плотным, стыки металлических труб и патрубков должны быть уплотнены.

Розжиг печи.

Перед розжигом печи необходимо установить обе заслонки патрубков 6,7 регуляторов в полностью открытое положение - "откр.", затем открыть дверцу загрузочного люка. Используя бумагу и щепу, растопить печь. В случае дымления приоткрыть дверцу. Сильно открывать не следует из-за возможности "опрокидывания" печной тяги. После того, как огонь разгорелся, заложить основное топливо, затем необходимо закрыть регулятор режима работы (7), как минимум, на 45° от его открытого положения "откр.". Тем самым печь переводится в режиме газификации, прогрева печи, дымоотвода и помещения на максимальной мощности. После того как печь нагрела помещение до желаемой температуры, можно, поворачивая заслонки регуляторов, подобрать режим поддержания этой температуры в помещении (режим 1 - обогрев). Нельзя полностью закрывать регулятор мощности до полного выгорания топлива. Заслонку регулятора мощности необходимо приоткрыть до зазора 3-8 мм. Для режима 2 - приготовления пищи, заслонку регулятора мощности необходимо приоткрыть на 30-40° от ее закрытого положения; остальное, как в режиме 1. Процесс регулирования зависит от вида применяемого топлива, температуры в помещении, наклона дымоотвода и т.п. Надо иметь в виду, что полное открытие заслонок регулятора мощности и режима работы переводит печь в режим большей отдачи тепла, но и большего расхода топлива, что уменьшает время работы печи на одной закладке топлива. Печь легко регулируется и при определенном навыке можно быстро освоить этот процесс. Для обеспечения длительного горения добавьте топливо в печь. Перед тем как открыть дверцу работающей в режиме газификации печи, обязательно полностью откройте обе заслонки (6,7) и подождите 2-3 минуты (во избежание задымления помещения при открывании дверцы). Откройте дверцу, добавьте топливо, закройте дверцу. Примерно через 5 минут возвратите заслонки в ранее отрегулированное положение.

Топливо. Печь работает на следующем топливе: древесина, древесные отходы, картон, торфяные брикеты и т.п. Лучше применять круглые полена длиной в саму топку (колоть дрова не надо). Во всех случаях добавления топлива надо стремиться заполнить весь объем топки, - только тогда гарантировано указанное время беспрерывной работы печи в режиме отопления на одной закладке топлива (8-12 час).

Зола. Образование золы незначительно. Полностью ее удалять не следует, а наоборот, надо следить, чтобы нижние части печи всегда были покрыты золой слоем 5-8 см, что необходимо для нормальной газификации топлива и обеспечения теплоизоляции конструкции.