Камин-печь

В настоящее время для автономного отопления как жилых домов, так и зданий другого назначения применяются для отопления камины, камины-печи. Разработанная конструкция «камина-печи» представляет собой синтез камина, содержащего оригинальное выполнение топливника, «дымового короба» (газовый тракт) и «второго» канала газохода, имеющего сходство с газоходами печи. Кроме того для повышения КПД и полезной мощности выполнен отдельно стоящий выносной третий канал - служащий в данной модели основанием дымовой трубы. Массив «камина-печи» выполняется обязательно двухслойным с целью повышения мощности и аккумуляции тепла по отношению к объему «камина-печи». Для обеспечения возможности более высокой аккумуляции тепла без увеличения размеров и массы, между внутренним и наружным слоями обязательна теплоизоляция. Внутренний слой массива «камина-печи» при сжигании дров рабочей влажностью ~20% может быть нагрет до 600°C. Теплоизоляция между слоями предназначена для предотвращения перегрева выше допустимых значений наружных поверхностей, нагрев которых наиболее целесообразен до 90°C. С целью повышения КПД и аккумуляции тепла массивом «камина-печи», увеличена поверхность нагрева «дымового короба» (газового тракта) путем установки перегородок (7) по ходу потока продуктов сгорания. Данные перегородки существенно увеличивают полезную площадь поверхности нагрева, воспринимающей тепло от продуктов сгорания, увеличивают скорость потока продуктов сгорания и соответственно коэффициент теплоотдачи от газов к внутренним поверхностям «дымового короба» (начало дымового короба «зуб» (3), окончание в переходном газоходе (8)). Для обеспечения разрежения в режиме растопки при низкой температуре продуктов сгорания - в «дымовом коробе» выполнен прямой щелевой зазор (4). Сечение зазора составляет (8÷10)% сечения короба. Зазор (4) обеспечивает прямой (практически без непосредственного контакта со стенками «дымового короба») проход продуктов сгорания по тракту меньшей протяженности и без поворотов в режиме растопки. Продукты сгорания в «дымовом коробе» в режиме растопки практически не охлаждаются. Температура газов в дымовой трубе и разрежение в топке увеличиваются. При увеличении мощности горения, количество продуктов горения их температура и объем увеличиваются. При достижении скорости более 0,1 ^М/_СЕК поток газов начинает огибать перегородки (7). Чем больше мощность горения, тем больше выход продуктов сгорания, их температура, соответственно объем газов, огибающих перегородки увеличивается. Протяженность газового потока, скорость газов и коэффициент теплоотдачи к поверхностям «дымового короба» увеличиваются, так же увеличивается теплоотдача в коробе, снижается температура продуктов сгорания на выходе из собственно камина. При нагрузке топки 50% номинальной и более практически 100% газов огибают перегородки. Продукты сгорания из «дымового короба» с температурой (350÷450)°C (при номинальной нагрузке) поступают во внутренний газоход (9) и далее через переходной газоход (12) и третий выносной газоход (13) в дымовую трубу. Система саморегулируемая.

В данном тексте используются следующие обозначения:

1. «Зуб» - «зуб» камина - это наклонная верхняя часть задней стенки топливника

2. W^р=20% - рабочая влажность дров (Справочные данные для твердого топлива)

3. _у.г.2-_у.г.2 коэффициент избытка воздуха. (Справочные данные для твердого топлива)

4. [л. 1] - обозначение в списке литературы.

5. «Дымовой короб» - это часть камина после топки (начинается от «зуба», а оканчивается в переходном канале(8)), начало газового тракта.

Данная разработка относится к области теплотехники, а именно, к устройствам для автономного отопления зданий, помещений, сооружений любого назначения, на основе сжигания твердого или газообразного топлива. Известными устройствами для отопления являются камины или камины-печи. При всем многообразии применяемых каминов, каминов-печей основой для них является классический «английский» камин, который содержит: корпус, топливник, «зуб», «дымовой короб», канал для выхода дымовых газов в атмосферу переходящий в дымовую трубу (л. 3). Некоторые модификации этого камина имеют каналы внутри массива для нагрева воздуха. В настоящее время изготавливаются камины как с открытой топкой, так и с застекленной топкой, а так же с зольником и колосником.

Основной недостаток классического «английского» камина - низкий КПД 50%, высокая температура отходящих дымовых газов, маленькая площадь обогрева («Английский» классический камин с прямым дымоходом - наиболее распространенная и популярная конструкция открытого камина. Имеет теплоотдачу 928-1160 Вт (800-1000 ккал/) при одной топке в сутки, что вполне достаточно для обогрева помещения 45-56 м³.),

Известен «Отопительный камин экономичный деликатный многофункциональный» (ОК-ЭДМ) (См. патент RU 2261400, МПК F24B 1/28, F24B 1/18) от 25.02.2004 г., взятый за прототип. Отопительный камин, это камин совмещенный с отопительной печью и образующий единый массив, который содержит топливник, «зуб» и «дымовой короб» с увеличенной поверхностью нагрева, оборотный пустотелый дымовой канал отопительной печи, дымовую трубу. В «дымовом коробе» выполнены горизонтальные многоповоротные каналы, камин имеет «концевые поверхности нагрева».

Недостатки прототипа заключаются в том, что при растопочных режимах происходит значительное охлаждение продуктов сгорания, это существенно снижает разрежение в топке, так же отсутствует возможность прочистки много поворотных каналов и дымового объема короба от неизбежных отложений (золы). Данный прототип, камин (ОК-ЭДМ) имеет размер по высоте не менее 4 м, что существенно ограничивает его применение. Камин (ОК-ЭДМ), имеет «концевые поверхности нагрева», но при этом размер их недостаточен, в результате чего при номинальной нагрузке (топливо - дрова W^р=20%) температура продуктов сгорания с коэффициентом избытка воздуха _у.г.2 на выходе в дымовую трубу не ниже 300-350°C, что значительно выше оптимальной для древесины (100÷150)°C. Для обеспечения аккумуляции тепла требуется протапливать камин (ОК-ЭДМ) длительное время, либо более одного раза в сутки. КПД камина составляет до 75%, при использовании топки длительного горения.

Заявляемая полезная модель «камин-печь» решает техническую задачу по повышению тепловой эффективности, повышению эксплуатационной надежности за счет возможности увеличения аккумуляции тепла. Это достигнуто путем увеличения поверхности нагрева «дымового короба», увеличения скорости потока газов, что влечет возрастание коэффициента теплоотдачи к стенкам (при фактической нагрузке более 30% номинальной) [л. 1], увеличение эффективности конвективной части «камина-печи». Повышение температуры нагрева двухслойного массива «камина-печи», повышение КПД и соответственно мощности достигается за счет применения в качестве «концевых поверхностей нагрева»:

а) внутреннего газохода, находящегося в одном массиве с топливником и «дымовым коробом»

б) третьего выносного газохода, выполненного вне корпуса двухслойного массива «камина-печи».

Техническая задача достигается путем того, что массив «камина-печи» имеющий топку с зольником, колосник, «дымовой короб», газоходы, отличающийся тем, что для увеличения мощности и повышения аккумуляции тепла, массив «камина-печи» выполнен из двух слоев с теплоизоляцией между ними воздушной и плотной(минеральной), что «дымовой короб» снабжен перегородками расположенными горизонтально в параллельных разных плоскостях, без взаимного перекрытия, благодаря этому образуется щелевой зазор площадью сечения (8÷10)% сечения короба по внутренним поверхностям его наружных стен.

Наружный слой обеспечивает непосредственный нагрев помещения от наружной поверхности массива «камина-печи». Теплоизоляция между слоями комбинированная: воздушная в сочетании с плотной минеральной.

Соотношение воздушной и плотной изоляции определяется конкретными требованиями к «камину-печи». Увеличение доли воздушной изоляции по отношению к минеральной приводит к увеличению мощности теплоотдачи массива «камина-печи» с одновременным снижением длительности отопления аккумулированным теплом. Воздушная теплоизоляция между слоями массива «камина-печи» имеет существенную вторую функцию, отопление помещений нагретым в воздушной прослойке воздухом может достигать 60% общей отопительной мощности «камина-печи». При необходимости возможно исполнение с 20% тепловой мощностью отопления нагретым воздухом. Циркуляция воздуха в массиве «камина-печи» может быть как естественная, так и принудительная. Толщина как воздушной, так и плотной изоляции рассчитывается для конкретных значений теплопроводностей внутреннего и наружного слоев массива «камина-печи», теплопроводности примененной изоляции, температуры нагрева внутреннего слоя массива «камина-печи». Однако требуется обязательное выполнение условия - температура наружного слоя массива «камина-печи» должна быть не выше 90°C. При нагреве внутреннего слоя массива «камина-печи» до 600°C аккумуляция тепла до 1,5 ^КВТ,Ч/_КГ, что в 2 раза выше теплоаккумуляции воды.

На фиг. 1 представлена конструкция «камина-печи».

«Камин-печь» имеет двухслойный массив. Наружный слой (17) и внутренняя перегородка (10) выполнен из материалов не являющихся теплоизоляционными и выдерживающих нагрев до 300°C, (глиняный кирпич, гранит и прочие) допускаемых в жилых помещениях.

Внутренний слой массива «камина-печи» (3), (5), (7), имеющий теплоотдачу от продуктов сгорания с температурой выше 500°C, выполнен из материалов, устойчивых к температурам до 1500°C и достаточной теплопроводностью. Допустим: шамотный кирпич, талькомагнезит и им подобные материалы. Чем выше теплопроводность, тем допустима большая толщина внутреннего слоя массива «камина-печи». В этом слое массива выполнены: зольник (1) имеющий колосник, топливник (2), «зуб» (3), «дымовой короб», начало которого - «зуб» (3), окончание в переходном газоходе (8)), теплоизоляционный материал (6) отделяющий внутренний слой массива от внешнего, горизонтальные перегородки (7) в «дымовом коробе» между которыми образуется щелевой зазор (4), переходной канал (8) связывает «дымовой короб» камина с «внутренним газоходом» (9), «внутренний газоход» (9) расположен между внутренним (перегородка (10)) и внешним слоем массива «камина-печи», перегородка (10) расположена между «внутренним газоходом» (9) и воздушным теплоизоляционным каналом (11), выполнен переходной газоход (12) через который продукты сгорания из внутреннего газохода (9) попадают в третий выносной газоход (13), что так же увеличивает поверхность нагрева и теплоотдачу массива «камина-печи». Расстояние (15) от наружного слоя массива «камина-печи» до третьего выносного газохода (13) может быть от 200 мм до 2000 мм, Воздушная теплоизоляция между внутренним и наружным слоями массива «камина-печи» охватывает полностью заднюю и верхнюю поверхности внутреннего слоя массива «камина-печи», что увеличивает теплоотдачу при воздушной теплоизоляции. Выход воздуха (16).

«Камин-печь» функционирует следующим образом:

В растопочном(пусковом) режиме щелевой зазор в «дымовом коробе» обеспечивает прямой (без обхода перегородок) проход продуктов сгорания по кратчайшему пути с наименьшей теплоотдачей при их низком расходе и сравнительно низкой температуре. В этом режиме продукты сгорания с незначительным охлаждением поступают в дымовую трубу - обеспечивается более высокое растопочное разрежение в топке (при 100°C - тяга 0,3 ^ММ.В.СТ/_М, при 150°C - тяга 0,4 ^{ММ.В.СТ.}/_М, при 200°C - тяга 0 _/5 ^{ММ.В.СТ.}/_М) [л. 2]. При повышении мощности горения (повышении объема и температуры газообразных продуктов) газовый поток продуктов сгорания начинает огибать перегородки в «дымовом коробе», и при мощности более 50% реальная протяженность газового тракта увеличивается в 2 раза - по отношению к пусковому режиму. Эффективная поверхность нагрева увеличивается на 50%. Коэффициент теплоотдачи в «дымовом коробе» также увеличивается при увеличении тепловой нагрузки топки [л. 1]. Обеспечивается режим «саморегулирования» разрежения в топке и теплоотдачи в «дымовом коробе».

Для повышения КПД и полезной мощности, продукты сгорания с температурой (350÷450)°C через переходной канал (8) поступают во внутренний газоход (9) проходя по которому нагревают перегородку (10), перегородка (10) со своей стороны нагревает воздух в воздушном теплоизоляционном канале (11) находящимся между перегородкой (10) и слоями внутреннего массива «камина-печи» (топливника (5). Перегородка (10) является задней стенкой внутреннего массива «камина-печи». Воздух из теплоизоляционного канала (11), циркулирующий между слоями внутреннего массива камина (топливника (5) и задней стенкой - перегородкой (10)), нагревает помещение поступая в него через выходное отверстие канала (16), который находится между внутренним и внешним слоями массива «камина-печи» над «дымовым коробом» и соединен с каналом (11) обеспечивающим поступление воздуха. Три внешние стенки массива «камина-печи» от потока газов проходящих по внутреннему газоходу (9), так же нагревают помещение. Температура продуктов сгорания на выходе из внутреннего газохода (220÷280)°C. В дополнение к внутреннему газоходу(9) применен третий выносной газоход (13) находящийся вне массива «камина-печи», температура газов на выходе из которого (120÷170)°C.

Кроме того в задней части массива «камина-печи», между внутренним и наружным слоями выполнен переходный газоход (12) длина которого может быть от 200 мм до 2000 мм, он может быть выполнен из металла или теплопроводного камня, который нагреваясь от продуктов сгорания, так же излучает тепло. Далее продукты сгорания поступают в третий выносной газоход (13) находящийся вне массива «камина-печи» и который может быть так же основанием дымовой трубы. Возможность размещения третьего выносного газохода (13) на значительном расстоянии от массива «камина-печи», позволило дымовую трубу вынести за пределы помещения, где находится сам «камин-печь». КПД «камина-печи» (80÷85)%, увеличение достигнуто за счет выстроенной системы газоходов (каналов) ~20%. Увеличение полезной мощности (при неизменной мощности топки) ~30%.

Практически выполненный опытно-промышленный образец за отопительный сезон 2013-2014 гг., полностью подтвердил заявляемые характеристики:

- температура уходящих газов не выше 150°C, КПД выше 80% до 85%

- одним «камином-печью» отапливается 280 м³ при горении в нем с номинальной нагрузкой до 4 часов в сутки.

Литература:

1. Тепловой расчет котельных агрегатов «нормативный метод» - изд. Энергия Москва.

2. Аэродинамический расчет котельных установок «нормативный метод» - изд. Энергия Ленинград.

3. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, «справочное пособие» Соснин Ю.П. Бухаркин Е.Н. - изд. Стройиздат Москва.

4. Топливо и эффективность его использования Равич М.Б. - изд. Наука Москва

Камин-печь, содержащий в одном корпусе топку с зольником, колосником, дымовым коробом и газоходами, отличающийся тем, что массив камина-печи выполнен двухслойным с теплоизоляцией между слоями воздушной и плотной (минеральной), в дымовом коробе массива камина-печи выполнены перегородки, расположенные горизонтально в разных плоскостях без взаимного перекрытия на расстоянии 8÷10% (размера сечения дымового короба) друг от друга по горизонтали, в массиве камина-печи выполнены газоходы, один из которых во внутренней части массива, другой вне основного массива, но через переходной газоход он соединяет массив камина-печи с дымовой трубой.