способ обеспечения горения топлива

Формула изобретения

1. Способ обеспечения горения топлива, преимущественно дров, в печи с вертикально ориентированным корпусом, в котором выполнены каналы подачи воздуха в зону горения, ограниченную стенками, заключающийся в укладке топлива в зоне горения печи с последующей подачей воздуха и поджигом, характеризующийся тем, что топливо укладывают в зону горения печи с образованием зазора, предпочтительно, гарантированного, между топливом и стенками зоны горения, по крайней мере, по одной стороне, предпочтительно, двум противоположно расположенным, поджигают верхнюю часть образовавшегося объема топлива, при этом каналы подачи воздуха в зону горения выполняют таким образом, что воздух подается в верхнюю область зоны горения, причем одну, основную, часть каналов держат постоянно открытыми, другую дополнительную открывают по мере сгорания топлива и перемещения зоны горения вниз, при этом воздух в зону горения в начальный и последующие моменты времени подают через основные каналы.

2. Способ обеспечения горения топлива по п.1, отличающийся тем, что открытие каналов производят топливом по мере выгорания топлива ниже заданной высоты.

3. Способ обеспечения горения топлива по п.1, отличающийся тем, что дополнительные каналы выполняют с площадью проходного сечения, составляющей 0,1 0,75 от площади проходного сечения основных каналов.

4. Способ обеспечения горения топлива по п.1, отличающийся тем, что гарантированный зазор между стенками зоны горения и топливом обеспечивают за счет выполнения на боковых стенках зоны горения, предпочтительно, противоположных продольных ребер, предпочтительно, вертикально ориентированных, имеющих как минимум две боковые стенки и вершину, обращенные в зону горения.

5. Способ обеспечения горения топлива по п.1 или 4, отличающийся тем, что расстояние l между вершинами противоположно расположенных ребер выполняют в пределах l=(0,6 0,9)L, где l - расстояние между вершинами указанных ребер, L - расстояние между противоположными стенками корпуса.

6. Способ обеспечения горения топлива по п.1, отличающийся тем, что ребра выполняют с треугольным сечением.

7. Способ обеспечения горения топлива по п.1 или 4, отличающийся тем, что высоту указанного ребра h выбирают в пределах h=(0,05 0,2)L, при этом основание s выбирают в пределах s=(0,75 1,5)h, где h - высота ребра, s - основание ребра, L - расстояние между противоположными стенками корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам обеспечения горения топлива в печах 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 вставленной 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% (патент ЕР 005303, заявка № 200301136 от 19.04.01, МПК F24B 1/00, 5/00).

Недостатком данного способа 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.

Известен способ обеспечения горения топлива в печи с вертикально ориентированным корпусом, реализованный при помощи печи твердотопливной, содержащей 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 А, F24B 5/02, 30.08.1988).

Недостаток указанного способа 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.

Известен способ обеспечения горения топлива, преимущественно дров, в печи с вертикально ориентированным корпусом, в котором выполнены каналы подачи воздуха в зону горения, заключающийся в укладке топлива в зоне горения печи с последующей подачей воздуха и поджигом, при применении которого топливо укладывают в печь, поджигают верхнюю часть образовавшегося объема топлива, при этом каналы подачи воздуха в зону горения выполняют таким образом, что воздух подается в верхнюю область зоны горения, причем одну основную часть каналов держат постоянно открытыми, другую дополнительную открывают по мере сгорания топлива и перемещения зоны горения вниз, при этом воздух в зону горения в начальный и последующие моменты времени подают через основные каналы, а ближе к окончанию процесса горения - через основные и дополнительные (патент РФ № 2417341, МПК F24B 1/00, 5/00 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

Через дверцу в вертикально ориентированный корпус печи, в зону горения, укладывают топливо, например дрова. Через выходные части основных каналов в зону горения подается воздух. Дополнительные каналы в это время закрыты при помощи специального устройства. Верхнюю часть образовавшегося столба топлива поджигают. 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 зоны горения. Продукты сгорания отводят через дымовую трубу. По мере прогорания верхней части столба топлива, при необходимости, через дверцу подкладывают 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 основные каналы, участвует в процессе горения не в полной мере, что приводит к ухудшению условий смесеобразования, и топливо начинает гореть с меньшей эффективностью. В этом случае, при помощи специального устройства, открывают дополнительные каналы, и в зону горения подается воздух через их выходные части, что способствует продолжению процесса горения с заданной эффективностью. Продукты сгорания также отводят через дымовую трубу.

Недостатком данного способа является то, что при такой подаче воздуха горит верхняя часть топлива, причем только сверху. Торцы дров при этом не горят, так как к ним нет доступа воздуха. При таком горении прогревается только верхняя часть корпуса печи, что приводит к увеличению времени разогрева всей печи до определенной температуры и, соответственно, времени прогрева помещения до оптимальной температуры и ухудшению условий эксплуатации печи.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа сжигания топлива, применение которого позволит повысить эффективность работы печи и сократить время прогрева печи до требуемой температуры при неизменном расходе топлива.

Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном способе обеспечения горения топлива, преимущественно дров, в печи с вертикально ориентированным корпусом, в котором выполнены каналы подачи воздуха в зону горения, ограниченную стенками, заключающийся в укладке топлива в зоне горения печи с последующей подачей воздуха и поджигом, согласно изобретению, топливо укладывают в зону горения печи с образованием зазора, предпочтительно, гарантированного, между топливом и стенками зоны горения, по крайней мере, по одной стороне, предпочтительно, двум противоположно расположенным, поджигают верхнюю часть образовавшегося объема топлива, при этом каналы подачи воздуха в зону горения выполняют таким образом, что воздух подается в верхнюю область зоны горения, причем одну, основную, часть каналов держат постоянно открытыми, другую, дополнительную, открывают по мере сгорания топлива и перемещения зоны горения вниз, при этом воздух в зону горения в начальный и последующие моменты времени подают через основные каналы.

В варианте применения способа открытие каналов производят топливом по мере выгорания топлива ниже заданной высоты.

В варианте применения способа дополнительные каналы выполняют с площадью проходного сечения, составляющей 0,1...0,75 от площади проходного сечения основных каналов.

В варианте применения способа гарантированный зазор между стенками зоны горения и топливом обеспечивают за счет выполнения на боковых стенках зоны горения, предпочтительно противоположных, продольных ребер, предпочтительно вертикально ориентированных, имеющих, как минимум, две боковые стенки и вершину, обращенные в зону горения.

В варианте применения способа расстояние l между вершинами противоположно расположенных ребер выполняют в пределах l=(0,6 0,9)L, где l - расстояние между вершинами указанных ребер, L - расстояние между противоположными стенками корпуса.

Нижнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое ухудшение условий использования объема печи, особенно пространства между столбом топлива и стенками зоны горения, в частности, уменьшается объем загружаемого топлива, что приводит к нерасчетному режиму горения и снижению экономичности печи.

Верхнее значение указанного соотношения выбрано исходя из того, что при дальнейшем его увеличении происходит уменьшение зазора между столбом топлива и стенками зоны горения, что не позволяет организовать горение с требуемой эффективностью в указанной зоне.

В варианте применения способа ребра выполняют с треугольным сечением.

В варианте применения способа высоту указанного ребра h выбирают в пределах h=(0,05 0,2)L, при этом основание s выбирают в пределах s=(0,75 1,5)/h, где h - высота ребра, s - основание ребра, L - расстояние между противоположными стенками корпуса.

Нижнее значение указанного соотношения для высоты ребра h выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит уменьшение зазора между столбом топлива и стенками зоны горения, что не позволяет организовать горение с требуемой эффективностью в указанной зоне.

Верхнее значение указанного соотношения в для высоты ребра h выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое ухудшение условий использования объема печи, особенно пространства между столбом топлива и стенками зоны горения, в частности, уменьшается объем загружаемого топлива, что приводит к нерасчетному режиму горения и снижению экономичности печи.

Нижнее значение указанного соотношения для основания ребра s выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит уменьшение зазора между столбом топлива и стенками зоны горения, что не позволяет организовать горение с требуемой эффективностью в указанной зоне.

Верхнее значение указанного соотношения для высоты ребра h выбрано исходя из того, что при дальнейшем его уменьшении происходит резкое ухудшение условий использования объема печи, особенно пространства между столбом топлива и стенками зоны горения, в частности, уменьшается объем загружаемого топлива, что приводит к нерасчетному режиму горения и снижению экономичности печи.

Для оптимизации процесса горения открытие каналов производят автоматически, например, топливом, по мере выгорания топлива ниже заданной высоты.

Для оптимизации конструкции печи площадь проходного сечения дополнительных каналов составляет (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 при дальнейшем его увеличении происходит ухудшение массогабаритных характеристик печи.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез печи, используемой для реализации данного способа, положение топлива и направление потоков воздуха в начальный момент времени, на фиг.2 - продольный разрез печи, положение топлива и направление потоков воздуха в конечный момент времени, на фиг.3 - поперечный разрез зоны горения.

Предложенный способ может быть реализован при помощи печи следующей конструкции.

Печь содержит вертикально ориентированный корпус 1 с зоной горения 2. В корпусе 1 выполнены каналы 3 и 4 подачи воздуха в зону горения 2. Каналы подачи воздуха 3 выполнены таким образом, что они постоянно соединяют зону горения 2 с окружающей атмосферой, а их выходные части 5 соединены с верхней областью зоны горения 2. Каналы подачи воздуха 4 выполнены с возможностью перекрытия их проходного сечения при помощи устройства 6. Выходные части 7 каналов 4 располагаются в верхней части зоны горения 2. На корпусе 1 установлены дверца 8 для загрузки топлива 9 и контроля процесса горения и вытяжная труба 10 для отвода продуктов сгорания.

На стенках 11 зоны горения 2 выполнены вертикальные ребра 12, имеющие вершину 13 и стенки 14. За счет выполнения на стенках 11 зоны горения 2 вертикальных ребер 12, имеющих вершину 13 и стенки 14, между топливом 9 и стенками 11 образуется зазор 15 после укладки топлива в зону горения.

Указанный способ реализуется следующим образом.

Через дверцу 8 в вертикально ориентированный корпус 1 печи, в зону горения 2, укладывают топливо 9, например дрова, при этом за счет выполнения на стенках 11 зоны горения 2 вертикальных ребер 12, имеющих вершину 13 и стенки 14, между топливом 9 и стенками 11 образуется зазор 15.

Через выходные части 5 каналов 3 в зону горения 2 подают воздух. Каналы 4 в это время закрыты при помощи устройства 6. Верхнюю часть образовавшегося столба топлива 9 поджигают. Топливо 9 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. Продукты сгорания отводятся через трубу 10.

За счет выполнения между стенками зоны горения 2 и столбом топлива 9 зазора 15 часть воздуха поступает в зазор 15 и боковые стенки столба топлива 9 также начинают гореть. Горение столба топлива происходит как сверху за счет подачи воздуха через каналы 3, так и с боков за счет поступления воздуха из каналов 3 в зазор 15.

За счет горения столба топлива 9 как сверху, так и с боковых его сторон разогрев корпуса печи 1 происходит более интенсивно, что позволяет сократить время разогрева обогреваемого помещения до указанной температуры.

По мере прогорания верхней части столба топлива 9, при необходимости, через дверцу 8 подкладывают новые порции топлива, которые затем сгорают. Большая часть ранее заложенного столба топлива 9 при этом остается в исходном состоянии.

При прогорании столба топлива 9 ниже заданного уровня, например ниже половины столба, воздух, поступающий через каналы 3, 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 3, полностью участвует в процессе окисления топлива, например дров. По мере прогорания верхней части столба топлива его высота уменьшается, но при этом место расположения каналов 3 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 3, просто выходит в трубу 10, 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 открывают дополнительные каналы 4, и воздух подается в зону горения уже через них, в то время как воздух, поступающий через каналы 3, в процессе горения практически не участвует.

В этом случае при помощи устройства 6 открываются каналы 4, и в зону горения подается воздух через их выходные части 7, что способствует процессу горения с заданной эффективностью.

За счет выполнения между стенками зоны горения 2 и столбом топлива 9 зазора 15 часть воздуха из каналов 4 поступает в зазор, и боковые стенки столба топлива также продолжают гореть. Горение столба топлива продолжается как сверху за счет подачи воздуха через каналы 4 и частично канал 3, так и с боков за счет поступления воздуха из каналов 4 и частично каналов 3 в зазор 15.

Продукты сгорания отводятся через трубу 10.

Проведенные авторами и заявителем испытания полноразмерного образца предложенной печи, в котором реализован данный способ обеспечения горения топлива, подтвердили правильность заложенных конструкторско-технологических решений.

Использование предложенного технического решения позволит создать способ сжигания топлива, применение которого позволит значительно повысить полноту сгорания топлива, теплоотдачу печи и сократить время прогрева печи до требуемой температуры при неизменном расходе топлива.