Искусственное полено для сжигания (варианты)

 

Изобретение относится к искусственным поленьям для сжигания (например, в камине), содержащим добавки для имитации звука потрескивания, издаваемого при их сжигании. Полено содержит горючие материалы, горючее связующее и в качестве добавки семена кориандра, обеспечивающие звук потрескивания в течение по меньшей мере до 1,5 ч сжигания полена. Как вариант полено содержит 35-55% целлюлозного материала, 45-65% горючего парафинового связующего и 4-6% семян кориандра. Как вариант полено содержит дополнительно 2-4% горных пород при содержании семян кориандра 2-4%. Потрескивание искусственных поленьев имеет произвольный характер, а амплитуда, частота и длительность звука потрескивания близки к аналогичным характеристикам сжигаемых поленьев из древесины. 3 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к искусственным поленьям для сжигания (например, в камине), содержащим добавки для имитации звука потрескивания, издаваемого при сжигании поленьями из натуральной древесины. Подобно поленьям из натуральной древесины, произвольное потрескивание искусственных поленьев на ранней стадии горения отличается наибольшей интенсивностью, затухающей по мере продолжения цикла сжигания.

Искусственные поленья для камина изготавливаются из горючих целлюлозных компонентов с добавлением связующего вещества и, возможно, с введением прочих добавок. К традиционным целлюлозным компонентам относятся частицы древесины, пульпа, щепки, древесная крошка, пиловочная стружка, измельченная кора, бумажные или картонные обрезки, вощеный картон, угольная пыль, мох, а также отходы сельхозпроизводства, такие как солома, лыко, резаная трава, листья, хлопковый линтер, рисовая шелуха, скорлупа арахиса и прочих орехов, молотый кофе. Связующим обычно является горючий парафин, такой как твердый парафин или парафиновый гач, горючие растительные масла, такие как стеариновая и/или пальмитиновая кислота, либо кислоты жирного ряда или эфиры. Однако имеется множество иных горючих материалов, уже нашедших применение для производства искусственных поленьев либо пригодных к подобному использованию. Данный перечень материалов не подразумевает наложение ограничений на состав искусственных поленьев для сжигания в камине. Прочие добавки могут включать химические вещества, предназначенные для окрашивания пламени или, наоборот, для видоизменения либо замедления горения, для выделения запаха либо изменения параметров горения поленьев таким образом, чтобы в наибольшей степени имитировать горение натуральной древесины. Одно искусственное полено весом 2,3-2,7 кг (5-6 фунтов) предназначено для сжигания без участия человека в течение примерно 3-4 часов. Для сравнения, дубовое полено равного веса будет гореть около одной трети данного времени. Для получения сопоставимого времени горения отметим, что одновременно сжигают обычно три полена весом по 2,3-2,7 кг (5-6 фунтов) каждое. Также для поддержания нужного тепловыделения и интенсивности пламени нередко необходимо шевелить и переворачивать натуральные поленья с целью добиться их относительно однородного и интенсивного горения.

Искусственные поленья уже известные из уровня техники обычно издают менее громкий звук потрескивания при горении, чем поленья из натуральной древесины и не обладают свойством имитировать потрескивание последних. Также, как указано ниже, своим потрескиванием и хлопками натуральные поленья обязаны заключенным в них естественным образом влаге и древесному соку, нагреваемым при сжигании.

В Патенте США 5868804, выданном Уильямсу с соавт. 9 февраля 1999 года, описаны искусственные поленья со следующими добавками: 1) семена горчицы, льна, тмина или кунжута, либо их смесь, 2) пустотелые синтетические шарики, либо 3) сочетание семян упомянутых сельскохозяйственных культур и пустотелых синтетических шариков для получения слышимого потрескивания при сжигании поленьев. В Патенте США 5118539, выданном Себби с соавт., описаны искусственные поленья для камина, содержащие семена (зерна), обнаруженные в кормовой смеси для птиц, в частности семена конопли, проса, подсолнечника, которые используются для получения звука хлопков. Уильямс утверждает, что семена культур, издающие звук, раскрытые Себби с соавт., не отвечают требованиям, ибо они недолговечны и недостаточно полно имитируют звук потрескивания натуральных горящих поленьев.

В патенте '804 указывается, что термическая прочность оболочки семян предпочтительно должна быть достаточной для того, чтобы выдерживать жар в течение некоторого времени, а потом внезапно разрываться под действием прироста внутреннего давления газов, образующихся из воды и масел, заключенных в семенах. Пригодными являются цельные семена круглой либо овальной формы. По утверждению Уильямса, семена, использованные Себби, склонны к горению и преждевременному разрушению. Уильямс указывает, что его критериям удовлетворяют лишь семена горчицы, льна, тмина и кунжута.

С другой стороны, использовались пустотелые синтетические шарики либо гранулированные материалы, такие как стекло, керамика, пластмасса. Уильямс с соавт. используют керамические шарики типа Z-light W-1300 или W1800 из кремнезема и глинозема, изготовленные способом 3М. Утверждается, что эти шарики якобы обладают свойством создавать звук потрескивания в течение всего цикла сжигания, что никогда не было характерным для упомянутых семян. Уильямс считает, что звук от семян не длится в течение всего цикла сжигания искусственных поленьев.

В отношении использования опытного состава поленьев Уильямс сообщает, что керамические шарики W1800 производили хлопки или звуки "пуф" в течение всего цикла сжигания, длившегося 3,25-3,5 часа. В то время как длительность звука от семян горчицы и кунжута составляла 2-2,25 часа (примерно 60-65% от цикла сжигания), то длительность звука от семян льна и тмина достигла лишь 0,75-1,25 часа (примерно 20-35% от цикла сжигания). Для сравнения, звук от семян подсолнечника и проса, использованных Себби с соавт., по утверждению Уильямса длился в течение 0,25-0,5 часа.

Причиной появления звуков хруста, хлопков и потрескивания при горении поленьев из натуральной древесины являются пары, образующиеся в результате нагрева влаги и масел, естественным образом содержащихся в древесине. Расширяющиеся пары заставляют древесину потрескивать с упомянутыми звуками. Однако эти звуки не длятся в течение всего цикла сжигания. По мере того как древесина нагревается под действием окружающего ее пламени, испаряемые элементы рассеиваются задолго до того, как натуральные поленья сгорают. В результате, звуки появляются в начале горения древесины и усиливаются, приобретая произвольный, но устойчивый характер в течение периода времени, предшествующего уменьшению частоты звука. Продолжительность, устойчивость и частота этих звуков зависит от содержания влаги и масел в натуральной древесине и от ее плотности и твердости. Однако обычная натуральная древесина производит устойчивые звуки в течение примерно половины цикла горения.

Композиции, известные из предшествующего уровня техники, отличаются либо коротким хрустящим звуком, либо звуком, устойчиво длящимся в течение значительно более продолжительной части цикла горения, тем самым производя неправдоподобную имитацию горения натуральных поленьев, либо качество и громкость звука не позволяют имитировать такое горение. Поэтому имеется потребность в искусственных поленьях, которые более правдоподобно имитируют реальное горение натуральной древесины.

Искусственные поленья, содержащие признаки изобретения, состоят из одного или более горючих материалов, предпочтительно из целлюлозных, и парафинового связующего, смешанных и оформленных таким образом, чтобы иметь сходство с искусственными поленьями, известными из предыдущего уровня техники. При изготовлении искусственных поленьев в данную композицию добавляются семена кориандра. Совместно с семенами кориандра могут быть добавлены и геологические материалы вулканического происхождения. Обычная композиция содержит от 4 до 6 мас.% семян кориандра. Названные семена производят звук беспорядочного потрескивания, громкость которого сходна с громкостью звука потрескивания при сжигании натуральных деревянных поленьев, а продолжительность потрескивания достигает 50% от цикла горения поленьев. Также при необходимости создания устойчивого потрескивания поленьев в течение оставшейся части цикла горения возможна замена около трети семян равной процентной частью природных геологических материалов. Целью введения данных материалов является воспроизводство звука, характерного для сжигания натуральных поленьев.

На фиг.1 представлена графическая интерпретация звуков, возникающих при сжигании искусственных поленьев с добавкой семян кориандра.

На фиг.2 представлена графическая интерпретация звуков, возникающих при сжигании искусственных поленьев с добавкой семян горчицы.

Общие наблюдения свидетельствуют о том, что наиболее естественными являются звуки, имеющие место при горении искусственных поленьев, которые устойчиво, но произвольно горят лишь в течение половины цикла сжигания. Также желательны остаточное потрескивание и хлопки на некоторых, но не на всех, этапах цикла. Семена кориандра, вводимые в искусственные поленья, создают звук потрескивания в течение половины цикла сжигания. Это также достигается без хлопков и выстреливания материала из горящего полена, что наблюдается в присутствии некоторых зерновых добавок, являясь как опасным фактором, так и неестественным явлением. На основании оценки примерно тридцати различных добавок, главным образом семян сельхозкультур и прочих органических материалов, включая предпочтительные семена горчицы, упомянутые в патенте '804, и компоненты корма для птиц, предложенные Себби с соавт., было установлено, что поленья, содержащие семена кориандра, благодаря звуку и характеру горения в большей степени пользуются покупательским спросом, чем аналогичная продукция с добавками, предлагаемыми в прошлом.

В целях нахождения материалов, издающих потрескивание и/или хлопки, на промышленной сварочной машине нагревали различные вещества. Подходящие из них затем добавлялись в количестве примерно от 2 до примерно 4 мас.% в искусственные поленья, изготовленные вручную, для сжигания в порядке эксперимента. Те материалы, которые показали наилучшие из желаемых свойств, были подвергнуты дальнейшему исследованию в различных сочетаниях и концентрациях. Звук потрескивания оказался свойством многих материалов. Однако семена кориандра продемонстрировали наиболее предпочтительные свойства.

Искусственные поленья, изготовленные в соответствии с изобретением, содержат 4-6% семян кориандра. Эти семена были отобраны как наилучшие среди семян примерно тридцати различных культур, ставших предметом исследования, включая семена желтой горчицы, поскольку они обеспечивали наиболее подходящее потрескивание без хлопков и разбрасывания горящего материала из камина в течение периода времени от полутора до примерно двух часов, что составляет от 45 до 55% длительности цикла сжигания. Далее, интенсивность звука потрескивания от семян кориандра, хотя и не была столь велика, как у натуральных поленьев, но оказалась значительно выше той, которая наблюдалась у всех других исследованных семян.

Также было установлено, что издавать звук потрескивания способны и встречающиеся в природе образования, такие как пемза, песок и производные минеральных веществ вулканического происхождения. Данные материалы обладают либо пористой структурой (вулканические породы содержат небольшие по размеру пустоты, образованные пузырьками газа, оставшегося в расплавленной породе) за счет своего вулканического происхождения, либо имеют отверстия или полости по причине биогенного происхождения. Каждый из упомянутых материалов добывается в промышленном масштабе, отличается дешевизной и не представляет опасности для окружающей среды. Данные материалы, имеющие полости естественного происхождения заключающие в себе газ, будут абсорбировать и удерживать значительное количество воды. В исследуемых материалах содержались пемза (68% SiO₂), вулканический шлак (38% SiO₂), инфузорная земля (кизельгур) или диатомит (95% SiO₂), перлит (75% SiO₂) и известковый песок (карбонаты кальция и магния). При добавлении расслоившихся гранул перлита (вулканического стекла), насыщенных водой, в количестве от 3 до 10 мас.% в смесь для изготовления искусственных поленьев наблюдается заметный эффект потрескивания. Потрескивание начинается почти одновременно с зажиганием опытного полена и воспринимается на слух по ходу эксперимента до исчезновения пламени. Эффект потрескивания протекает с наибольшей интенсивностью на начальной стадии цикла сжигания. По причине статической природы производимых звуков потрескивания, данная добавка сама по себе не привела к появлению поленьев, звучащих при сжигании подобно натуральным. Однако смешивание 2-4% данных горных пород с 2-4% семян кориандра позволяет в результате получать поленья, содержащие примерно от 4 до 8 мас.% смеси компонентов добавок. Это обеспечивает вполне приемлемый уровень звуков хруста и потрескивания в течение первой половины цикла горения поленьев, после чего в продолжении оставшейся части цикла наблюдается появление звука потрескивания с постоянной, но меньшей частотой.

Для определения составов и вариантов сочетания материалов отобранные вещества добавок подвергались нагреву, а семена различных сельхозкультур либо прочие материалы (которые издают шум в форме хруста, треска, хлопков) добавлялись в композицию для изготовления искусственных поленьев, которые и сжигались. В таблице упомянутые материалы представлены вместе с данными о характере наблюдаемых звуков либо поведении поленьев. Некоторые материалы были исключены из перечня, поскольку они издавали неправдоподобный звук, который длился только ограниченный период времени, либо поскольку сжигание искусственных поленьев сопровождалось нежелательными явлениями, такими как разрывы, шипение, разбрасывание горящих фрагментов.

Ниже приводятся характерные композиции с различными добавками.

Пример 1 (экспериментальный продукт) Смесь из молотых древесных щепок и пиловочной стружки (содержание щепок составляло от 30 до 60 мас.%) в количестве 15-20 кг (35-40 фунтов) смешивали в емкости с вазелином и/или с парафиновым гачем в количестве 27-30 кг (60-65 фунтов). Однако допускается значительное уменьшение соотношения количества пиловочной стружки к количеству древесных щепок без существенного ухудшения свойств конечного продукта. Парафин нагревали до точки его плавления. Влагосодержание древесных щепок и пиловочной стружки составляло от 8 до 12%. Эту смесь охлаждали до температуры выше комнатной на 10^oС (20^oF) и заменяли 1,8-2,7 кг (4-6 фунтов) смеси примерно равным количеством семян кориандра сорта 1. Однородное распределение семян по объему смеси достигали перемешиванием в течение нескольких минут. Затем данную смесь охлаждали далее до температуры выше комнатной на 5^oС (10^oF) и загружали в бункер с мешалкой, сопряженный с экструдером для формовки поленьев. Из 45 кг (100 фунтов) смеси получалось примерно 20 поленьев весом по 2,3 кг (5 фунтов) каждое. Цикл сжигания поленьев в экспериментальном камине составил примерно 3,5 часа. Поленья издавали звук, который напоминал потрескивание натуральной древесины, длящийся примерно полтора часа с момента зажигания (см. фиг.1).

Пример 2 (экспериментальный продукт) Смесь из молотых древесных щепок и пиловочной стружки смешивали в емкости с вазелином и парафиновым гачем в количествах, упомянутых в Примере 1. Парафин нагревали до точки его плавления. Влагосодержание древесных щепок и пиловочной стружки составляло от 8 до 12%. Эту смесь охлаждали до температуры выше комнатной на 10^oС (20^oF) и заменяли 1,8-2,7 кг (4-6 фунтов) смеси примерно равным количеством семян желтой горчицы. Однородное распределение семян по объему смеси достигали перемешиванием в течение нескольких минут. Затем данную смесь охлаждали далее до температуры выше комнатной на 5^oС (10^oF) и загружали в бункер с мешалкой, сопряженный с экструдером для формовки поленьев. Из 45 кг (100 фунтов) смеси получалось примерно 20 поленьев весом по 2,3 кг (5 фунтов) каждое. Цикл сжигания поленьев в экспериментальном камине составил примерно 3,5 часа. В то время как звуки потрескивания воспринимались на слух в течение примерно двух часов, основная группа звуков была слышна первые 40 минут. Интенсивность звука значительно снизилась по истечении двух часов (см. фиг.2). Громкость звуков и характер их упорядоченности были хуже, чем при наличии кориандра. Лица, воспринимавшие на слух звуки в ходе эксперимента, пришли к заключению, что по интенсивности звука и его периодичности поленья с семенами кориандра обладают большим сходством с поленьями их натуральной древесины, чем поленья с семенами горчицы, издающие более мягкие хлопки с худшей периодичностью.

При производстве в промышленном масштабе, в баке большой емкости заводского изготовления приготавливают смесь молотого целлюлозного горючего вещества (такого, как древесные щепки, пиловочная стружка, картон, вощеный картон, различные сельскохозяйственные биомассы, либо смесь упомянутых компонентов) с горючим связующим веществом (таким, как вазелин, парафин либо парафиновый гач, черная патока, жирные кислоты либо стеариновые кислоты, полученные из растительного сырья, либо смесь упомянутых компонентов). Целлюлозное горючее вещество вводится в относительно сухом состоянии (влагосодержание составляет 8-12%) и его содержание в смеси по весу составляет от 33 до 55%. Горючее связующее вещество нагревают по крайней мере до точки его плавления и добавляют в смесь в таком количестве, чтобы содержание связующего в общем массе смеси составляло от 45 до 65 мас.%. В условиях непрерывного перемешивания смеси из горючего целлюлозного вещества и горючего связующего вещества осуществляют введение семян кориандра сорта 1. Скорость введения данной добавки составляет 20-30 кг/мин (45-60 фунтов/мин). Предпочтительно, чтобы смесь содержала бы от 4 до 6% семян кориандра. Затем данную смесь охлаждают далее до температуры выше комнатной на 5^oС (10^oF) и загружают в бункер с мешалкой, сопряженный с экструдером для формовки поленьев. Из смеси методом экструдирования формуются поленья разной формы, габаритов и веса. В зависимости от своего размера, экструдированное изделие сгорит за 2-4 часа. Поленья весом 2,3 кг (5 фунтов) сгорали за 3,5 часа при демонстрационной топке ими стандартного камина, издавая звуки напоминающие треск горящей древесины.

Пример 3 Насыщенные водой расслоенные зерна перлита добавлялись в охлажденную смесь молотой пиловочной стружки либо иного горючего целлюлозного вещества и смешанного нефтяного парафина. Соотношение молотой пиловочной стружки и смешанного нефтяного парафина приблизительно составляло 40 мас.% к 60 мас.% соответственно. Содержание зерен перлита в смеси составляло от 3 до 10% по весу. Общий вес смеси был около 1 кг. Из смеси было изготовлено полено диаметром 76,2 мм (3''). Затем образец полена был зажжен и горел в стандартном камине, причем зерна перлита издавали заметный треск немедленно после загорания. Треск был слышен в ходе эксперимента, пока пламя было видимым, причем интенсивность звука была максимальной на начальной стадии цикла сжигания.

Для записи амплитуды и частоты звука, возникающего при сжигании различных искусственных поленьев, была собрана электронная система. Система обеспечивала цифровое и/или графическое представление звука от сжигания различных поленьев в ходе экспериментов. На фиг.1 и 2 представлены графические изображения звука, возникающего при сжигании поленьев, изготовленных по рецептуре Примеров 1 и 2. Сравнить же результаты топки камина в одинаковых условиях поленьями из натуральной древесины не представлялось возможным, поскольку горение искусственных поленьев длилось 3-4 часа без вмешательства человека. И напротив, топка камина натуральными поленьями в течение 3-4 часов требует в три раза больше поленьев и постоянного вмешательства человека для ворошения и переворачивания поленьев, что является обычным делом при топке натуральной древесиной. Следует заметить, что представление во времени на графиках не является однородным. Вместо этого, указанное время является временем, когда возникает звук.

При сравнении фиг.1 и 2 очевидно, что звук, издаваемый при горении искусственными поленьями с добавкой из семян кориандра, является более громким и более различимым, а также более изменчивым и обладает большей степенью хаотичности, чем поленья с добавкой семян горчицы. Со ссылкой на фиг.1 и 2 показания прибора в единицах напряжения пропорциональны интенсивности издаваемого звука. Для сравнения отметим, что поленья с добавками семян горчицы издавали множество звуков примерно в течение первых 8 минут и меньшее количество звуков в последующие 37 минут. Только в течение первых 8 минут зафиксированные щелчки находились в диапазоне напряжения 1-2,3 В, а в течение оставшейся части периода времени продолжительностью 37 минут интенсивность щелчков была менее 1 В. Далее, в течение оставшейся части цикла сжигания наблюдались щелчки чрезвычайно низкой интенсивности. Показан лишь отрезок времени продолжительностью полтора часа.

И напротив, искусственные поленья, содержащие в качестве добавки семена кориандра, продемонстрировали более динамичную и пеструю акустическую хронологию в течение первых сорока минут, а также разнообразный набор звуков в течение примерно полутора часов (начальная стадия) цикла сжигания. Очевидно, что семена кориандра обеспечивают заметное потрескивание в течение по крайней мере полутора часов, в то время как семена горчицы дают начальный всплеск интенсивности потрескивания, сменяющийся щелчками меньшей интенсивности только в течение сорока минут, а все оставшееся после этого время от полуторачасового цикла наблюдаются щелчки малой интенсивности, широко рассеянные на диаграмме.

Длительность и хаотичность звука, производимого семенами кориандра, являются результатом того, что акустический эффект от этой добавки воспринимается на слух как более естественный и благозвучный, создающий более желанную атмосферу для присутствующих, особенно первые 30-40 минут. Когда доза семян кориандра находится в интервале 4-6%, то потрескивание продолжается 1,5-2 часа с образованием наиболее подходящих продуктов сгорания.

При сравнении семян кориандра и горчицы также очевидно следующее: 1. Содержание влаги в семенах кориандра в весовых процентах в два раза больше, чем у семян горчицы.

2. Семена кориандра отличаются от семян горчицы своей меньшей твердостью.

3. По диаметру семена кориандра примерно в два раза больше семян горчицы и обладают большим разбросом диаметров, что проявляется в большем разнообразии щелчков по громкости и качеству звука.

4. Семена горчицы круглые и гладкие, не имеют швов, в то время как у семян кориандра преобладает более овальная форма и имеется множество круговых выступов и впадин на поверхности.

Формула изобретения

1. Искусственное полено для сжигания, содержащее горючие материалы, горючее связующее и эффективное количество добавки для создания звука потрескивания в течение по крайней мере части цикла сжигания полена, отличающееся тем, что в качестве упомянутой добавки оно содержит семена кориандра, обеспечивающие звук потрескивания в течение по меньшей мере приблизительно до 1,5 ч сжигания полена.

2. Искусственное полено по п.1, отличающееся тем, что оно содержит от приблизительно 4 мас.% до приблизительно 6 мас.% семян кориандра.

3. Искусственное полено по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит природные горные породы.

4. Искусственное полено по п.3, отличающееся тем, что оно содержит от приблизительно 4 мас. % до приблизительно 8 мас.% семян кориандра и от приблизительно 2 мас.% до приблизительно 4 мас.% горных пород.

5. Искусственное полено по п.3, отличающееся тем, что природные горные породы выбраны из группы, включающей в себя пемзу, вулканический шлак, инфузорную землю, диатомит, перлит и известковый песок.

6. Искусственное полено для сжигания, изготовленное из смеси целлюлозного материала и парафинового связующего, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит семена кориандра при следующем количественном содержании компонентов, мас.%: целлюлозный материал от приблизительно 35 до приблизительно 55, горючее парафиновое связующее от приблизительно 45 до 65 и семена кориандра от приблизительно 4 до приблизительно 6, причем после поджигания искусственного полена оно способно гореть в течение приблизительно до 3,5 ч с издаванием во время горения естественного звука потрескивания в течение по меньшей мере приблизительно 1,5 ч.

7. Искусственное полено для сжигания, изготовленное из смеси целлюлозного материала и парафинового связующего, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит семена кориандра и горные породы при следующем количественном содержании компонентов, мас.%: целлюлозный материал от приблизительно 35 до приблизительно 55, горючее парафиновое связующее от приблизительно 45 до 65, семена кориандра от приблизительно 2 до приблизительно 4 и горные породы от приблизительно 2 до приблизительно 4, при этом содержание объединенной смеси семян кориандра и горных пород составляет от приблизительно 4 мас. % до приблизительно 8 мас.%, причем после поджигания искусственного полена оно способно гореть в течение приблизительно до 3,5 ч с издаванием во время горения естественного звука потрескивания в течение по меньшей мере приблизительно 3,0 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5