Результат интеллектуальной деятельности: Бытовая печь

Предлагаемое изобретение относится области бытовой техники и может быть использовано для обогрева помещений, приготовления пищи: вареной, жареной и выпечки хлебных продуктов, а также для получения горячей воды или пара низкого давления. В качестве топлива используются дрова, уголь, кизяк и горящий мусор.

Аналогом предлагаемого изобретения является известная бытовая печь, фиг. 1. Аналог состоит из топки 1 с чугунной плитой 2 с конфорками, с колосниками 3, дверцами: топочной 4, поддувальной 5 и задвижкой 6. Как устройство аналог формируется из глиняных кирпичей 7 так, что образуется топка 1, поддувало 8 и колодцевый дымоход 9. Металлические детали устанавливаются в следующем порядке. Чугунная плита 2 с конфорками ложится на топку 1 сверху, колосники 3 ложатся на дно топки 1. Дверцы топочная 4 и поддувальная 5 монтируются на переднем торце аналога. Задвижка 6 монтируется на выходе колодцевого дымохода 9. Духовка 10 монтируется за топкой 1 перед колодцевым дымоходом 9. Посуда для приготовления пищи ставится на конфорки плиты 2.

Действует аналог следующим образом. При открытых задвижке 6 и поддувальной дверце 5 разжигаются дрова в топке 1 на колосниках 3. На образовавшиеся горящие угли через дверцу топочную 4 или через конфорку плиты 2 засыпается каменный уголь, который горит с большой тепловой эффективностью. Горячие топочные газы обладают меньшей плотностью, чем воздух, окружающий аналог, поэтому горячие топочные газы поднимаются через колодцевый дымоход в открытую атмосферу. При этом нагреваются все глиняные кирпичи, из которых сформован аналог, а через них и воздух в отапливаемом помещении. Больше всего нагревается посуда на конфорках, поэтому пища варится быстро. По завершении процесса топки задвижка 6 и обе дверцы: топочная 4 и поддувальная 5 закрываются до следующего употребления аналога. В поддувале 8 собирается зола от сгоревшего топлива.

Недостатки аналога состоят в следующем.

Ограниченная тепловая мощность устройства, потому что теплопередача из топки и колодцевого дымохода осуществляется через достаточно толстые глиняные кирпичи с малой теплопроводностью. Стандартный глиняный кирпич имеет размер 260×120×65 мм³.

Аналог не имеет приборов для объективного контроля теплового состояния устройства.

Аналог применим для обогрева малых помещений и приготовления небольших количеств пищи.

Известен прототип RU 20S0306, фиг. 2, который состоит из горизонтальной топки 1 в водяной рубашке и вертикального котла 2 с дымогарными трубами 3, между которыми размещена духовка 4, которую сверху охватывают Г-образные дымогарные трубы 5. Вертикальный котел 2 снабжен патрубками 7, 8, которыми он гидравлически соединен с отопительными приборами. Все устройство представляет собой единый модуль, который изготовлен из листовой и трубчатой стали, а снаружи обложен глиняными кирпичами 6. В качестве топлива используется каменный уголь.

Действует прототип следующим образом.

Горящее топливо в топке 1 нагревает воду в водяной рубашке, плотность которой уменьшается, и она из водяной рубашки горизонтальной топки 1 поднимается в вертикальный котел 2, в дымогарных трубах 3 которого текут горячие топочные газы из горизонтальной топки 1 и продолжают нагрев воды окружающей дымогарные трубы 3. Плотность воды в вертикальном котле 2 становится еще меньше, и она быстрее вытесняется гидростатическим давлением воды из отопительных приборов через патрубки 7 и 8.

Теплопроводность стали, из которой изготовлены водяная рубашка топки 1 и дымогарные трубы 3 вертикального котла 2, многократно превосходит теплопроводность глиняного кирпича, поэтому прототип соответственно эффективнее аналога.

Однако прототипу свойственны недостатки.

Конструктивно прототип изготовлен единым модулем. Это усложняет процесс его изготовления, потому что устройство громоздкое и в целом имеет Г-образную форму.

Духовка 4 размещена в горизонтальной топке 1 перед вертикальным котлом 2. Это неудачным образом увеличивает продольный габаритный размер устройства.

Для изменения режима сжигания топлива применены Г-образные дымогарные трубы 5, которые охватывают сверху духовку 5. Г-образные трубы сложны в изготовлении и затруднен процесс их чистки от нагара.

Люки 9 и 10 на вертикальном котле 2 для чистки дымогарных труб 3 расположены неудобно и это осложняет регулярную их чистку, а нагар и сажа существенно снижают эффективность прототипа.

Вследствие всех этих сложностей прототип нуждается в радикальном усовершенствовании.

В нижеследующей табл. 1 представлены теплопроводности материалов и веществ, которые встречаются при изготовлении и эксплуатации котлов.

Сведения для табл. 1 из Авчуров В.Е., Паюсте Б.Я. "Справочник по процессам тепломассообмена" для студентов ВУЗов, М.: Энергоатомиздат. 1966.

Алюминий плавится при 660°C, поэтому его применяют только в качестве кастрюль для приготовления пищи.

Медь достаточно термостойка, но ее дороговизна ограничивает ее применение в котлостроении. Только чугун и сталь применяется в отопительных устройствах при их достаточно высокой теплопроводности.

В качестве примера предлагаемое изобретение представлено на чертежах.

Фиг. 3 - главный вид устройства в вертикальном сечении медианной плоскостью.

Фиг. 4 - вид сверху на горизонтальную топку с частичным поперечным сечением боковой стенки водяной рубашки со стороны дверцы духовки.

Фиг. 5 - поперечное сечение вертикального котла в плоскости А-А.

Фиг. 6 - поперечное сечение коллекторной камеры в плоскости В-В.

Предлагаемое изобретение состоит из трех модулей: горизонтальной топки 1, вертикального котла 2 и коллекторной камеры 3.

Горизонтальная топка 1 окружена водяной рубашкой 4, снабжена духовкой 5, патрубками: входным 6 и выходным 7, фланцем 8 для монтажа духовки 5 и фланцем 9 для монтажа вертикального котла 2.

Вертикальный котел 2 снабжен фланцами: нижним 10 и верхним 11, патрубками: низким 12 и верхним 13. Нижним фланцем 10 вертикальный котел 2 монтируется на горизонтальную топку 1 к фланцу 9. Между фланцами: нижним 10 и верхним 11 смонтированы дымогарные трубы 14, которые снаружи снабжены теплопроводящими ребрами 15. Патрубки нижний 12 и верхний 13 вертикального котла 2 и патрубки входной 6 и выходной 7 горизонтальной топки 1 снабжены термометрическими гнездами 16 с термометрами 17.

Внутренняя стенка 18 водяной рубашки 4 снабжена теплопроводящими ребрами 19.

Коллекторная камера 3 снабжена фланцем 20, которым она монтируется на фланец 11 вертикального котла 2. Внутри коллекторной камеры 3 на поворотном валу 21 размещен пластинчатый клапан 22 с указателем положения 23.

К отопительным приборам предлагаемое изобретение подключается патрубками 6, 7 и 12, 13. Возможны два варианта. Последовательное гидравлическое соединение горизонтальной топки 1 и вертикального котла 2. Второй вариант - это независимое гидравлическое соединение горизонтальной топки 1 и вертикального котла 2 на отдельные контуры отопительных приборов.

При последовательном подключении возможен режим получения пара низкого давления.

Действует предлагаемое изобретение следующим образом.

При залитой воде в предлагаемом изобретении с отопительными приборами и открытом клапане 22 разжигается топливо в горизонтальной топке 1. Разгоревшиеся угли через внутреннюю стенку 18 и теплопроводящие ребра 19 водяные рубашки 4 нагревают воду до температуры T₂. Плотность воды при нагреве уменьшается, и она гидростатическим давлением воды со стороны отопительных приборов с более низкой температурой T₁ выдавливается в вертикальный котел 2. Из горизонтальной топки 1 горячие топочные газы поступают в дымогарные трубы 14 и через них и их теплопроводящие ребра 15 продолжают нагрев воды в вертикальном котле 2, поступившей из водяной рубашки 4. Вода, нагретая до температуры Т₃, поступает в отопительные приборы, обогревая помещение. При этом вода остывает и при температуре Т₁ подходит к входному патрубку 6 горизонтальной топки 1.

Во втором варианте тепловые процессы проходят так же, но циркуляция воды происходит по отдельным контурам: по контуру через горизонтальную рубашку 4 и по контуру через вертикальный котел 2.

Для получения пара низкого давления отопительные приборы отключаются. Патрубки 7 и 12 соединяются гидравлически. К патрубку 6 подводится вода для питания водяной рубашки 4. В горизонтальной топке разжигается и поддерживается интенсивное горение топлива. На выходе патрубка 13 появляется пар низкого давления.

Теория теплопередачи изложена в учебнике для ВУЗов Юдаева Б.Н."Теплопередача", М, 1973, стр. 53-72, и в книге Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. "Задачник по процессам тепломассообмена" М., 1986, с. 4-22.

Для плоской стенки известно уравнение:

, Т₁>T₂,

где Q - количество теплоты, переходящее от нагревающей поверхности с температурой T₁ к нагреваемой поверхности с температурой Т₂,

λ - коэффициент теплопроводности ,

δ - толщина стенки,

S - площадь стенки,

t - время длительности тепло процесса.

Из этого уравнения следует ,

где q - тепловой поток, т.е. количество теплоты, проходящее через единицу площади в единицу времени.

Физически это уравнение представляет распределение температуры в нагреваемой стенке, которое прямо пропорционально тепловому потоку и обратно пропорционально коэффициенту теплопроводности материала стенки. Это уравнение гласит: чем выше теплопроводность материала стенки, тем меньше спад температуры в ней. Это значит, что теплопроводящие стенки нужно делать из материала с высокой теплопроводностью: медь, алюминий, чугун, сталь. А теплоизолирующие стенки нужно изготавливать из материалов с низкой теплопроводностью: кирпич, асбест, стекловата.

Теплопроводящие ребра на стенке увеличивают площадь теплопередающей поверхности и это, соответственно, повышает эффективность процесса теплопередачи при сохранении габаритов теплопередающего устройства. Высоту ребер делают 10-15 толщин ребра. Расстояние между ребрами равняют высоте ребер. Для изготовления ребер можно использовать обрезки металла.

Пример расчета тепловой мощности бытовой печи.

На типовом колоснике 400×200 мм² можно сжигать 8 кг угля в час. При этом выделится теплота в количестве Q=4000×6=32000 Ккал. Если кпд печи 50%, то полезная тепловая мощность будет:

~4,2×4,7=20 кВт.

При нормативе 1 кВт на 10 м² жилой площади выделившегося тепла будет достаточно для помещения с площадью 200 м². При кпд печи 80% выделяющейся теплоты будет достаточно для 320 м².

Приготовление пищи и выпечка хлебопродуктов осуществляются известным способом.