Отопительное устройство с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем

Изобретение относится к области сжигания твердого топлива, преимущественно твердотопливных брикетов на основе углеродосодержащих материалов, может быть использовано для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева жилых и хозяйственных помещений, теплиц и парников, особенно в районах, не имеющих природных топлив, и позволяет увеличить период между загрузками топлива до 11 часов и более. Отопительное устройство с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем содержит плоский поддон прямоугольной формы, который выполнен с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных продольной оси поддона, в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,8 до 10. 9 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области сжигания твердого топлива, преимущественно твердотопливных брикетов на основе углеродосодержащих материалов, и может быть использовано для автономного, экологически чистого и экономичного обогрева жилых и хозяйственных помещений, теплиц и парников, особенно в районах, не имеющих природных топлив (газа, каменного угля, дров, торфа и т.п.). Особо практическое применение изобретение может найти при отоплении жилых помещений, включая дачные домики, хозблоки, железнодорожные вагоны, бытовки и палатки для рабочих и военнослужащих.

Уровень техники

Известно техническое решение по сжиганию твердого топлива, обеспечивающее режим горения твердого топлива в неподвижном слое на поддоне (см. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванов М.С. Котельные установки. - М.: Стройиздат, 1972, стр.92, 96, 384). Твердое топливо загружают на прогорающие очаговые остатки топлива от предыдущей загрузки. Под поддон подают воздух, который является источником кислорода, необходимым для процесса горения. Свежее топливо воспламеняется снизу от очаговых остатков по всей площади слоя.

Фронт горения распространяется снизу вверх по толщине слоя топлива. Толщина слоя свежего твердого топлива, загружаемого за один раз, не должна превышать 5 диаметров частиц (порядка 5 см). На такой высоте слоя топлива на горение расходуется весь кислород из воздуха, поступающего под поддон. При большей высоте загружаемого твердого топлива начинается восстановительный процесс образования продуктов неполного сгорания (угарного газа и сажи). Это недопустимо при использовании указанного технического решения для отопления и/или разогрева пищи в жилых помещениях, не оборудованных специальной принудительной вентиляцией для удаления продуктов не полного сгорания. Поэтому при осуществлении известного технического решения допустимая толщина загрузки слоя твердого топлива, например угля, не должна превышать 5 см, который сгорает за 5-7 минут, после чего выполняют следующую загрузку угля. Основным недостатком известного технического решения является необходимость осуществлять загрузку твердого топлива, например угля, через 5-7 минут, то есть практически непрерывно.

Наиболее близким по существу технического решения к заявляемому отопительному устройству с горизонтальной кладкой твердого топлива является устройство по патенту РФ 2267700, МКИ F23B 70/00, опубл. 10.01.2006 г., содержащее плоский поддон для загрузки твердого топлива. В известном устройстве воспламенение твердого топлива производят в отдельных точках площади поддона. От воспламенившегося топлива постепенно загораются соседние участки слоя, и топливо сгорает в виде, по меньшей мере, одного фронта горения, перемещающегося в горизонтальной плоскости по площади слоя от точки воспламенения.

Причем перед каждой загрузкой свежего твердого топлива поддон очищают от прогорающих очаговых остатков, а допустимая толщина загрузки слоя твердого топлива, например угля, не должна превышать 30-50 см, который сгорает за 3-5 часов, после чего выполняют следующую загрузку угля.

К недостатком известного технического решения следует отнести необходимость иметь поддон площадью более 2,25 м², для того чтобы продолжительность между загрузками свежего топлива, например угля, составляла от 3 до 5 часов. Кроме того, при реализации известного технического решения происходит процесс образования продуктов неполного сгорания твердого топлива. Главным же недостатком известного технического решения является недостаточная продолжительность времени сгорания топливной загрузки, необходимой для непрерывного сна человека (не менее 8 часов).

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для экологически чистого сжигания твердого топлива (без использования дымохода), применяемого как для обогрева помещений, в том числе жилых и спальных помещений, так и для разогрева пищи без ухудшения ее органолептических свойств.

В результате решения данной задачи при реализации устройства могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в увеличении времени между загрузками твердого топлива (не менее 8 часов) при одновременном снижении весовых и габаритных характеристик отопительного устройства, а также в уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.

Данные технические результаты достигаются тем, что в отопительном устройстве с горизонтальной кладкой твердого топлива, содержащем плоский поддон, который выполнен прямоугольной формы и с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных продольной оси поддона, в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, м, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,80 до 10.

Отличительная особенность предлагаемого устройства для сжигания твердого топлива состоит в том, что поддон выполнен прямоугольной формы и с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных продольной оси поддона, в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, м, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,80 до 10. В результате время между загрузками твердого топлива может быть увеличено до 9-14 часов при тепловой производительности отопительного устройства 1,5 кВт/час - 3 кВт/час (длина составных стержней 5 см × 13 шт.=65 см, а площадь поддона, соответственно, 65×10=650 см² и 65×15=975 см², при d=5 см), что в свою очередь позволяет человеку выспаться в тепле и подогреть и/или приготовить себе пищу не боясь отравиться во время сна отходящими газами, образующимися при сгорании твердого топлива. Причем, экспериментально было установлено, что вышеописанная кладка топливных брикетов каталитического горения, изготовленных в виде цилиндров, горизонтальным слоем в виде одного и более горизонтальных составных стержней, контактирующих между собой боковыми поверхностями и уложенных на поддоне одним горизонтальным слоем или в несколько горизонтальных слоев обеспечила время непрерывного обогрева помещения с удельной тепловой производительностью от 2,5 кВт/час до 7,5 кВт/час в течение 12-17 часов (длина составных стержней 5 см × 16 шт.=80 см, а площадь поддона 80×25=2000 см², при d=5 см) с выделением отходящих газов в соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.

Минимальное количество составных стержней в количестве 1 шт. и минимальное значение длины поддона, равное 4d, определенные экспериментальным путем, обеспечивают необходимые время и мощность отопительного устройства для подогрева пищи, например от 30 минут до 1 часа при тепловой мощности отопительного устройства от 0,5 кВт до 1 кВт. Максимальное количество составных стержней, равное 15 шт., и максимальное значение длины поддона, равное 10d, определенные экспериментальным путем, обеспечивают подогрев пищи, а также протапливание холодного помещения и непрерывное отопление, например, палатки и/или бытовки в зимнее время года не менее 8 часов, необходимых для обеспечения нормального сна человека.

Отношение длины поддона L к его ширине В характеризует габаритные размеры поддона, обеспечивающие вышеуказанную укладку топливных брикетов на поддоне. Минимальное значение L/B, равное 0,8, соответствует укладке на поддоне 1 составного стержня с длиной, равной 4d, что позволяет обеспечить необходимые время и мощность отопительного устройства для разогрева пищи, а максимальное значение L/B, равное 10, соответствует укладке на поддоне 15 составных стержней с длиной, равной 10d, что позволяет обеспечить протапливание холодного помещения и непрерывное отопление, например, палатки и/или бытовки в зимнее время года не менее 8 часов. Кроме того, превышение вышеуказанных максимальных границ диапазонов приведет к избыточному расходу конструкционных материалов и удорожанию отопительного устройства, что недопустимо, а также к избыточному расходу топливных брикетов при разогреве пищи исоответственно к сокращению времени непрерывного горения кладки топливных брикетов.

Необходимо отметить, что не выполнение хотя бы одного из выше перечисленных условий, может привести как к прекращению горения, так и к пламенному горению твердого топлива с выделением недопустимого количества отходящих газов. Таким образом, из вышеприведенного следует, что новые технические результаты могут быть получены только при реализации всех существенных признаков, характеризующих заявляемое отопительное устройство. Поэтому настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень». Кроме того, анализ решений, известных из предшествующего уровня техники, не выявил устройства, совпадающего с описываемым изобретением по всей совокупности существенных признаков, включенных в независимый пункт формулы изобретения, что свидетельствует о том, что настоящее изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Целесообразно площадь поддона S_под выбрать от 8d² м² до 50d²м².

Целесообразно, чтобы отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе кладки G брикетов твердого топлива было выбрано из соотношения

причем

где f - удельная поверхность излучения кладки твердого топлива, м²/кг;

ρ - плотность твердого топлива, кг/м³;

d - диаметр топливного брикета, м;

k₁ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 125,1/м;

k₂ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 16,6, 1/м.

Также целесообразно, чтобы диаметр d цилиндра топливного брикета был выбран от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ цилиндра к его диаметру d составляло от 0,4 до 2,0.

Кроме того, целесообразно поддон выполнить с вертикальными стенками и установить внутри защитного корпуса, содержащего днище и закрепленную на нем перфорированную крышку.

Целесообразно выполнить поддон либо из перфорированного металлического листа, либо из металлической сетки или решетки, а также снабдить поддон крышкой, выполненной из металлической сетки или решетки.

Перечень чертежей

На фиг.1 изображен общий вид отопительного устройства с горизонтальной кладкой твердого топлива плотным слоем, на фиг.2 изображен защитный корпус отопительного устройства, на фиг.3 изображено отопительное устройство со снятой сетчатой крышкой поддона и со снятой перфорированной крышкой защитного корпуса.

Осуществление изобретения

Отопительное устройство с горизонтальной кладкой твердого топлива 1 содержит плоский поддон 2, снабженный сетчатой крышкой 3 (см. фиг.1). Причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,8 до 10. Для безопасной эксплуатации заявляемого отопительного устройства поддон 2 может быть установлен в защитном металлическом корпусе, состоящим из перфорированной крышки 4 и днища 5 защитного корпуса (см. фиг.2). Поддон 2 может быть изготовлен из металлического листа с боковыми стенками (см. фиг.3), на которых фиксируется решетчатая или сетчатая крышка 3, предназначенная, в первую очередь, для надежного удержания твердого топлива на поддоне 2. Целесообразно площадь поддона S_под выполнить от 8d² до 50d². Для улучшения поступления воздуха к нижней части твердого топлива 1, выполненного в виде цилиндрических топливных брикетов, поддон 2 может быть выполнен перфорированным или изготовленным из металлической сетки или решетки. В этом случае поддон 2 будет выполнять функцию колосниковой решетки, а днище 5 защитного корпуса будет выполнять функцию зольника.

В качестве твердого топлива используются топливные брикеты каталитического горения 1 (см. фиг.1 и 3), содержащие измельченный древесный уголь, связующее и воду. Причем в качестве связующего топливный брикет содержит карбоксилметилцеллюлозу, или натрийгидрированный силикат, или сапропель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- крахмал и/или карбоксилметилцеллюлоза от 4 до 8, или натрийгидрированный силикат от 2 до 5, или сапропель от 2 до 10,

- вода менее 3,

- измельченный древесный уголь - остальное до 100.

Топливный брикет 1 может быть выполнен в виде цилиндра с диаметром, выбранным от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты 5 таблетки к ее диаметру d составляет от 0,4 до 2,0.

Рецептура и основные характеристики топливных брикетов, предпочтительно используемых в заявляемом отопительном устройстве, иллюстрируются следующими примерами.

Пример 1. Топливные брикеты выполнены диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 92, картофельный крахмал 6 и вода 2. Полученные топливные брикеты легко воспламеняются от спички, горят с едва различимым красным свечением без образования пламени, дыма, копоти, токсичных веществ и без запаха в течение 2 часов и выделяют большое количества тепла, достаточное для обогрева теплиц и других помещений, в том числе жилых помещений, в холодное время года. Топливные брикеты имеют плотность 0,7 г/см³, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см² при нормальных условиях.

Пример 2. Топливные брикеты выполнены диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 92, карбоксилметилцеллюлоза 6 и вода 2. Топливные брикеты не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см³, удельную теплоту сгорания 7000 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см² при нормальных условиях.

Пример 3. Топливные брикеты выполнены диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 94, натрийгидрированный силикат 4 и вода 2. Топливные брикеты обладают повышенной механической прочностью, а в остальном не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см³, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг и тепловую мощность более 2 Вт/см при нормальных условиях.

Пример 4. Топливные брикеты выполнены диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Состав топливных брикетов, мас.%: уголь древесный 90, сапропель 4 и вода 2. Топливные брикеты не уступают по качеству вышеприведенным, имеют плотность 0,7 г/см³, удельную теплоту сгорания 7200 ккал/кг, и тепловую мощность более 2 Вт/см² при нормальных условиях.

Предлагаемое отопительное устройство работает следующим образом. При начальной растопке топливные брикеты каталитического горения 1 укладывают на поддоне 2 (см. фиг.1 и 3) таким образом, что из цилиндрических топливных брикетов получилось от одного до пятнадцати горизонтальных составных стержней. В составном стержне каждый топливный брикет обеими торцевыми поверхностями контактирует с соседними брикетами, за исключением крайних торцевых брикетов, а своими боковыми поверхностями топливные брикеты контактируют преимущественно с одной, двумя, тремя, четырьмя боковыми поверхностями соседних составных стержней, а также с пятью или шестью боковыми поверхностями соседних составных стержней. Топливные брикеты воспламеняют с одного из торцов кладки составных топливных стержней. От загоревшегося топливного брикета воспламеняются торцы соседних топливных брикетов и фронт беспламенного и бездымного горения постепенно двигается в горизонтальной плоскости по площади слоя от одного торца кладки составных топливных стержней в сторону другого торца. Так, например, 48 топливных брикетов диаметром 0,05 м и высотой 0,05 м сгорают за время от 12 часов 6 минут до 17 часов 10 минут, а отопительное устройство для сжигания брикетов каталитического горения будет выделять тепловую мощность в 1,5 кВт/ч. Причем топливные брикеты укладывают либо в один горизонтальный слой, включающий три составных топливных стержня из 16 топливных брикетов, имеющих от 1 до 2 контактов боковых поверхностей, либо пирамидой, имеющей в основании два составных топливных стержня с третьим составным топливным стержнем, расположенным в вершине пирамиды, а топливные брикеты в этом случае имеют по два контакта боковых поверхностей. Прогоревший шлак с поддона 2 и/или днища 5 удаляют и затем можно повторить вышеуказанный процесс повторно. Топливные брикеты можно воспламенять одновременно и с двух торцов, тогда два фронта горения будут двигаться навстречу друг другу. Причем в этом случае удельная тепловая мощность увеличится до 3,0 кВт/час, а продолжительность сгорания 48 топливных брикетов сократится и будет продолжаться от 7 часов до 9 часов 50 минут. Увеличить тепловую мощность, получаемую при сгорании топливных брикетов, можно также увеличив количество составных топливных стержней например с 3 до 6 стержней (с 48 до 96 топливных брикетов). В этом случае будет выделяться удельная тепловая мощность 3,0 кВт/час, а время горения брикетов будет не менее 12 часов. Для этого случая наиболее приемлемой кладкой для топливных брикетов, изготовленных в виде таблеток и/или цилиндрических шашек, будет пирамида с тремя составными топливными стержнями в основании пирамиды.

Необходимо отметить, что отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе G кладки брикетов твердого топлива выбрано из соотношения

причем

где f - удельная поверхность излучения кладки твердого топлива, м²/кг;

ρ - плотность твердого топлива, кг/м³;

d - диаметр топливного брикета, м;

k₁ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 125,1/м;

k₂ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 16,6,1/м.

Таким образом, в отопительном устройстве с горизонтальной кладкой твердого топлива выбор параметров составных цилиндрических стержней выполнен в зависимости от нового критерия, а именно от удельной поверхности излучения топливной загрузки «f», которая увязывает основные характеристики составных стержней, такие как плотность и диаметр стержней с учетом экспериментально определенных коэффициентов.

Время между периодами кладки брикетов твердого топлива на поддон предлагаемого отопительного устройства определяют из зависимости

где 1 - средний линейный размер границ фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов, мм;

δ - длина цилиндра топливных брикетов, мм;

R - радиус цилиндра топливных брикетов, мм;

N - количество топливных брикетов в составном стержне, шт.;

V_об.фр - скорость образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов, мм/мин;

V_пов - скорость перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов, мм/мин;

V_глуб - скорость глубинного горения топливных брикетов, мм/мин;

k - коэффициент, учитывающий особенности кладки топливных брикетов и конструктивные особенности устройства для сжигания топливных брикетов (0,8≤k≤1,1);

n - коэффициент, учитывающий количество зажигаемых торцов составных стержней (n=1 при зажигании одного торца или n=0,5 при зажигании двух торцов);

m - коэффициент, учитывающий характеристики топливных брикетов (0,85≤m≤1,15).

В предлагаемом отопительном устройстве использовано свойство топливных брикетов гореть без пламени и дыма. Горение (окисление) топливных брикетов каталитического горения согласно данному изобретению происходит с образованием движущегося фронта поверхностного горения. Время горения вышеописанной горизонтальной кладки топливных брикетов (см. фиг.4 - 15) определяется тремя составляющими

n·m·1/V_об.фр - время образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов;

n·(N·δ·-m·1)/V_пов - время перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов;

R/V_глуб - время глубинного горения, т.е. горения (окисления) от поверхности к центру топливного брикета.

Экспериментальным путем для горизонтальной кладки вышеописанных топливных брикетов каталитического горения было установлено ниже следующее.

Скорость образования фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне

2,0 мм/мин ≤ V_об.фр≤3,0 мм/мин.

Скорость перемещения фронта поверхностного горения кладки топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне:

0,9 мм/мин ≤ V_пов≤1,1 мм/мин.

Скорость глубинного горения топливных брикетов каталитического горения лежит в диапазоне

0,18 мм/мин ≤ V_глуб≤0,22 мм/мин.

Средний линейный размер границ фронта поверхностного горения горизонтальной кладки топливных брикетов каталитического горения составляет 175 мм.

Использование предлагаемого отопительного устройства с горизонтальной кладкой твердого топлива по сравнению с существующими устройствами позволяет увеличить период между загрузками топлива до 11 часов и более, что позволяет исключить постоянное присутствие обслуживающего персонала, а также снизить весовые и габаритные характеристики отопительного устройства и твердого топлива при уменьшении количества золы и обеспечении отходящих газов в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормативами.

1. Отопительное устройство с горизонтальной кладкой твердого топлива, содержащее плоский поддон, отличающееся тем, что поддон выполнен прямоугольной формы и с возможностью укладки на нем топливных брикетов в виде составных цилиндрических стержней, параллельных продольной оси поддона, в количестве от 1 до 15 штук, причем длина L поддона выбрана от 4d до 10d, где d - диаметр брикетов твердого топлива, м, а отношение длины L поддона к его ширине В составляет от 0,80 до 10.

2. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поддона S_под выбрана от 8d² м² до 50d² м².

3. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что отношение поверхности F составных цилиндрических стержней к массе G кладки брикетов твердого топлива выбрано из соотношения

причем

где f - удельная поверхность излучения кладки твердого топлива, м²/кг;
ρ - плотность твердого топлива, кг/м³;
d - диаметр топливного брикета, м;
k₁ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 125, 1/м;
k₂ - экспериментально определяемый коэффициент, равный 16,6,1/м.

4. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр d цилиндра топливного брикета выбран от 0,04 м до 0,06 м, а отношение высоты δ цилиндра к его диаметру d составляет от 0,4 до 2,0.

5. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что поддон установлен внутри защитного корпуса.

6. Отопительное устройство по п.5, отличающееся тем, что защитный корпус содержит днище и закрепленную на нем перфорированную крышку.

7. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что поддон выполнен с вертикальными стенками.

8. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что поддон выполнен из перфорированного металлического листа.

9. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что поддон выполнен из металлической сетки или решетки.

10. Отопительное устройство по п.1, отличающееся тем, что поддон снабжен крышкой, выполненной из металлической сетки или решетки.