Повышение тепловой эффективности обогревательных каминов-печей, работающих на твердом топливе.

Универcальный теплoнакoпительный камин

Автoры: Фердман Бoриc Эдуардoвич(RU), Степунин Сергей Владимирoвич(RU), Шумакoва Наталья Петрoвна(RU).

Изoбретение oтнocитcя к кoнcтрукциям oбoгревательных каминoв-печей , рабoтающих на твердoм тoпливе, c иcпoльзoванием канальных дымооборотных cиcтем, конвекционных каналов для нагрева проточного воздуха и вcтроенных маcc для аккумуляции тепла. Техничеcкий результат: повышение тепловой эффективноcти камина. Универcальный теплонакопительный камин cодержит корпуc, топливник c оcтекленной огнеупорной дверцей, поддувало c колосниками, канальную дымооборотную систему, соединенную с дымовой трубой. Он снабжен камерой теплообмена и аккумуляции тепла, расположенной в нижней части камина и заполненной теплоемким материалом; в дне поддувала выполнено закрывающееся отверстие, сообщающееся с камерой теплообмена и аккумуляции тепла, а также с поддувальной камерой; под рамкой дверцы топливника оставлена щель для прохода регулируемого количества воздуха из помещения в топливник. Задняя наклонная стенка топливника снабжена дымовым зубом и они облицованы двумя нержавеющими металлическими листами так, что один лист плотно прижат к поверхности кладки, а второй лист, с перфорированными отверстиями и с отформованными их нижними кромками, в сторону первого листа подвешен на четыре штыря так, что между листами образуется конусная регулируемая щель, наклонно расширенная вверх и входящая в дымовую камеру, образуя тем самым дефлекторную камеру, для дожигания сажи и прохода основного газового потока из топки и вторичного воздуха, подводимого двумя трубками, вмонтированными одним концом в поддувальную камеру, а вторым концом в нижнюю часть дефлекторной камеры. Для усиления тяги отходящих газов, выше дымового зуба установлен трубчатый эжектор, соединяющий полость дымовой камеры с подъемным каналом дымооборотной системы. В задней тыльной стенке, по краям подъемного канала дымооборотной системы, предусмотрены два конвекционных канала для входа холодного воздуха снизу и выхода нагретого воздуха в отапливаемое помещение вверху. 4 ил.

Известен отопительный камин экономичный деликатный многофункциональный (ОК-ЭДМ) (См. патент RU 2261400, МПК F24B 1/28, F24B 1/18). Этот камин совмещен с отопительной печью и образует единый массив-корпус, содержащий топливник или установленную в качестве топливника каменную кассету длительного горения твердого топлива. Между стенками каменной кассеты и массивом-корпусом образована пустотелая конвекционная камера, а в массиве-корпусе дополнительно выполнен пустотелый конвекционный канал, вход которого соединен с выходом конвекционной камеры, а его выход - с отапливаемым помещением. Топливник (или каминная кассета) с топочной дверцей соединен с оборотным пустотным дымовым каналом отопительной печи, выходящим в дымовую трубу с задвижкой, при этом входом в топливник воздуха для обеспечения горения топлива служит поддувало с отверстиями, расположенными ниже дверцы, параллельно поду. В конвекционном канале установлена конвекционная задвижка-блокиратор конвекционного потока воздуха, а в массиве-корпусе дополнительно выполнен пневматический канал, к входу которого подключен нагнетатель воздуха отапливаемого помещения, соединенный электрической цепью с датчиком температуры. Согласно изобретению первый этаж строения отапливается теплом, аккумулированным материалом массива-корпуса камина, а второй этаж - конвекционным теплом воздуха отапливаемого помещения первого этажа.

Однако даже название изобретения «отопительный камин» не соответствует конструктивному воплощению. В описанном отопительном бытовом агрегате нет ни одного признака камина, который используют во все времена года не столько для обогрева помещения, сколько для создания комфортных условий приятного наблюдения за пламенем очага, открытого или закрытого стеклом и для физического ощущения излучаемого тепла из топки. Топку камина следует устанавливать на уровне лица, сидящего у камина отдыхающего наблюдателя, а не на уровне пола. Кроме того, камин не должен без надобности всегда накапливать (аккумулировать) излишнее тепло. Поэтому универсальность использования камина в данном случае отсутствует. Фактически, это - обогревательная печь, неудобная в эксплуатации и имеющая целый ряд недостатков: невозможность регулирования подачи воздуха в топку, из-за отсутствия колосника, поддувала и зольника. Так же усложнен процесс равномерного горения топлива и удаления из топки золы. Многооборотные дымовые каналы с горизонтальными рассечками имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются: большое сопротивление движению дымовых газов, для преодоления которого требуется усиление тяги за счет увеличения высоты дымовой трубы или специальные устройства; быстрое и обильное засорение сажей и золой дымоходов; трудоемкая и неудобная чистка дымоходов. Кроме того, из-за кожуха от пола до потолка, в который установлена печь, ухудшается дизайн конструкции и теплообмен между корпусом печи и воздухом помещения.

Известен аккумулирующий теплокамин (см. патент EP 1764556, F24B 1/24), содежащий внутренний и наружный корпуса, внутри которых размещаются топка, колосниковая решетка, зольник и дымоход, выполненный из теплоемкого материала для аккумулирования тепла. Согласно изобретению внутри дымохода по всей его длине размещены приспособления, которые существенно повышают теплоемкость дымохода. В состав приспособлений включен ограничитель теплового потока, препятствующий утечке тепла от охраняющих тепло приспособлений в наружную оболочку кожуха.

Недостаток данного камина состоит в том, что тепло накапливается, главным образом, в верхней части дымохода, соединенного непосредственно с дымовой трубой, в результате чего значительная часть горячего газа уходит в атмосферу, что резко снижает КПД обогревательного камина и использования топлива.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является камин финской компании Tulikivi (см. «Камины как для себя», 2004, 2, Россия, Санкт-Петербург).

Все камины компании Tulikivi изготавливаются из уникального, редкого горного сланца талькохлорида (или талькомагнезита), обладающего высокой теплоемкостью и различной теплопроводностью в продольном и поперечном сечении сланца.

Камин Tulikivi включает корпус, выполненный из выпиленных из сланца кирпичей, топливник с остекленной дверцей, канальную дымооборотную систему, выносную дымовую трубу, подключаемую к спускным каналам с тыльной нижней части камина.

Практические испытания каминов Tulikivi показывают весьма высокие теплотехнические характеристики.

Однако производство каминов связано с высокой трудоемкостью добычи талькохлоридных пород, подобных мраморным, выпиловки из данного сланца кирпичей, сборки (кладки) каминов с использованием специальных скоб и склеивающих материалов. Цены таких каминов чрезвычайно высоки.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение тепловой эффективности и универсальности камина при одновременном снижении трудоемкости и стоимости его изготовления, а также доступность используемых материалов для всех регионов страны.

Поставленная техническая задача достигается тем, что универсальный теплонакопительный камин, содержащий корпус, топливник с остекленной огнеупорной дверцей, поддувало с колосниками, канальную дымооборотную систему, соединенную с дымовой трубой, снабжен камерой теплообмена и аккумуляции тепла, расположенной в нижней части камина и заполненной теплоемким материалом. В дне поддувала выполнено закрывающееся отверстие, сообщающееся с камерой теплообмена и аккумуляции тепла, а также с поддувальной камерой. Под рамкой дверцы топливника оставлена щель для прохода регулируемого количества воздуха из помещения в топливник. Задняя наклонная стенка топливника снабжена дымовым зубом, и они облицованы двумя нержавеющими металлическими листами так, что один лист плотно прижат к поверхности кладки, а второй лист, с перфорированными отверстиями с отформованными их нижними кромками в сторону первого листа, подвешен на четыре штыря таким образом, что между листами образуется конусная регулируемая щель, наклонно расширенная вверх и входящая в дымовую камеру, образуя тем самым дефлекторную камеру дожигания сажи, куда устремляется основной газовый поток из топки и вторичный воздух, подводимый двумя трубками, вмонтированными одним концом в поддувальную камеру, а вторым концом в нижнюю часть дефлекторной камеры. Над дымовой трубой установлен дефлектор усиления тяги. Для усиления тяги отходящих газов при растопке камина, выше дымового зуба установлен трубчатый эжектор, соединяющий полость дымовой камеры с подъемным каналом дымооборотной системы. В задней тыльной стенке, по краям подъемного канала дымооборотной системы, предусмотрены два конвекционных канала для входа холодного воздуха снизу и выхода нагретого воздуха в отапливаемое помещение вверху. Камера теплообмена и аккумуляции тепла выполнена из огнеупорного шамотного кирпича, а сам камин - из однородного, полнотелого керамического кирпича. Корпус разделен по вертикали на две части: основную и дополнительную, позволяющие эксплуатацию камина в трех переключаемых теплонакопительных и теплообменных режимах: при открытом или закрытом топливнике и при открытых трубных задвижках; при закрытом дверцей из огнеупорного стекла топливнике и при открытых двух верхних задвижках; при закрытом топливнике и открытых верхних задвижках. Универсальный теплонакопительный камин выполнен по принципу «золотого сечения» таким образом, что отношение общей высоты к высоте нижней части, а нижней части к верхней, соответствует значению 1,62.

Технический результат достигается за счет внесения конструктивных изменений в устройство самого универсального теплонакопительного камина, а также за счет замены дорогостоящего, редкого материала на доступные технологические материалы, широко используемые промышленностью.

Благодаря камере теплообмена и аккумуляции тепла, выполненной из огнеупорного шамотного кирпича и заполненной теплоемким материалом, размещенной в нижней части камина (под поддувалом), обеспечивается равномерный нагрев всей массы камина, накапливание тепла теплоемким материалом и стенками камеры, выполненными из шамотного кирпича с малой теплопроводностью. Этим самым обеспечивается также сохранение и регулирование расхода каминного тепла, создавая комфортный температурный режим помещения в любое время года в течение 12-36 часов и более.

В дне поддувала выполнено закрывающееся отверстие, сообщающееся с камерой теплообмена и аккумуляции тепла и с камерой поддувала, через которое можно выводить накопленное аккумулированное тепло через поддувало и колосники в топливник для тепловой обработки продуктов питания или для создания комфортного температурного режима помещения при остывании массива камина в пределах 12-36 часов.

Под рамкой дверцы топливника оставлена щель для прохода регулируемого количества воздуха из помещения в топливник, для экранизации внутренней поверхности стекла от копоти и от прямого контакта пламени со стеклом, а также для обеспечения нормального горения топлива и газов по всей высоте топки и нижней части дымохода и для борьбы с осаждением сажи во всей дымоходной системе.

Задняя наклонная стенка топливника снабжена дымовым зубом и они облицованы двумя нержавеющими металлическими листами так, что один лист плотно прилегает к поверхности кладки, а второй лист, с перфорированными отверстиями и с отформованными их нижними кромками в сторону первого листа (внутрь), подвешивается на четыре штыря так, что между листами образуется конусная регулируемая щель, наклонно расширенная вверх и входящая в дымовую камеру, образуя тем самым дефлекторную камеру дожигания, через которую проходит основной газовый поток из топки и вторичный воздух, подведенный двумя трубками, вмонтированными одним концом в поддувальную камеру, а вторым концом в нижнюю часть дефлекторной камеры.

Такая конструкция обеспечивает полное сгорание сажи и других частиц топлива, а также способствует равномерному распределению потока газа, поступающего из топки, на два потока, направляемые через перевалы в опускные каналы дымооборотной системы.

Над дымовой трубой установлен дефлектор усиления тяги.

Для возбуждения и усиления тяги отходящих газов при растопке камина, выше дымового зуба установлен трубчатый эжектор, соединяющий полость дымовой камеры с подъемным каналом дымооборотной системы. Такое конструктивное решение способствует увеличению тяги во всей дымооборотной системе.

По краям подъемного канала дымооборотной системы предусмотрены два конвекционных канала для входа холодного воздуха снизу и выхода нагретого воздуха в отапливаемое помещение вверху, ускоряющих нагрев помещения.

Универсальный теплонакопительный камин изготовлен из экологически чистого, доступного, однородного, полнотелого керамического кирпича. Камера теплообмена и аккумуляции тепла выполнена из огнеупорного шамотного кирпича с малой теплопроводностью. Все это способствует накоплению, сохранению и регулированию расхода каминного тепла.

Благодаря тому, что корпус разделен по вертикали на две части: основную и дополнительную, обеспечивается универсальность камина, заключающаяся в возможности его эксплуатации в трех переключаемых теплонакопительных и теплообменных режимах (лучистом, конвекционном и теплопроводном): при открытой или закрытой топливнике и при открытых трубных задвижках; при закрытом дверцей из огнеупорного стекла топливнике и при открытых двух верхних задвижках; при закрытом топливнике и открытых верхних задвижках.

Выполнение камина по принципу «золотого сечения» , где отношение общей высоты к высоте нижней части, а нижней части к верхней соответствует значению 1,62 обеспечивает совершенство пропорций конструкции.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.
 
Универсальный теплонакопительный камин (Фиг.1, 2, 3) содержит нижнюю 1 и верхнюю 2 часть, топливник 3, дверцу 4 с огнеупорным стеклом, поддувало 5, колосники 6, камеру теплообмена и аккумуляции тепла 7, отверстие с пробкой 8 в основании поддувала 5, теплоемкий материал (вкладка) 9, канальную дымооборотную систему 10, дымовой зуб 11, дефлекторную камеру дожигания 12, трубки подачи вторичного теплого воздуха 13, трубчатый эжектор 14 возбуждения тяги, задвижки 15, 16, 17, 18, дымовую трубу 19, прочистные дверцы 20, дымовую камеру 21, поддувальную камеру 22, щелевой проход 23 для вторичного воздуха, смешанную систему дымооборотов 24, конвекционные каналы 25, опускные каналы 26, дымоход 27, перевалы 28 канальной дымооборотной системы 10, вертикальный подъемный канал 29, перфорированный лист 30, дверцы 31 камеры теплообмена и аккумуляции тепла 7, фундамент 32, облицовочный лист 33, каналы 34 смешанной системы 24, дверцы 35 конвекционных каналов 25.

На фиг.1, 2, 3 видно, что универсальный теплонакопительный камин выполнен так, что его корпус разделен по высоте на две части: основную 1 и дополнительную 2. Это позволяет эксплуатировать его в трех переключаемых теплонакопительных и теплообменных режимах.

Работа универсального теплонакопительного камина осуществляется в трех тепловых режимах следующим образом.

Первый тепловой режим осуществляется при открытой или закрытой топке 3 дверцей 4 с огнеупорным стеклом и при открытых задвижках 15, 16, и 18. При этом топочные газы, поднимаясь из топки 3 вверх, оттесняются фронтальным воздухом к стенке дымового зуба 11, проходят через перфорированные отверстия с отформованными их нижними кромками внутрь наклонного листа 30 дефлекторной камеры 12, обогащаются вторичным тепловым воздухом, вводимым из поддувала 5 по трубкам 13 в нижнюю ее часть и выходят через дымоход 27 в дымовую трубу 19. Обогрев помещения происходит, главным образом, лучистой энергией с КПД 20-25%.

Второй тепловой режим осуществляется при закрытом топливнике 3 дверцей 4 и при открытых задвижках 16 и 18. При растопке камина топочные газы поднимаются вверх и попадают в нижнюю часть дымохода 27, где часть топочных газов проходит через трубчатый эжектор 14 в подъемный канал 29 дымооборотной системы 10, соединенной с дымовой трубой 19, возбуждает устойчивую тягу, сила которой зависит от температуры топочных газов, проходящих через эжектор 14, а основной поток топочных газов устремляется в дымовую камеру 21 через внутреннюю камеру дефлектора 12, где он обогащается вторичным теплым воздухом, вводимым из поддувала 5 по трубкам 13 в нижнюю часть дефлектора 12. Пройдя через дефлекторную камеру 12, топливные газы попадают в дымовую камеру 21, расположенную над дымовым зубом 11, снижают скорость движения, увеличивая при этом время дожигания сажестого углерода и угарного газа, и разделяются на два противоположно направленных горизонтальных потока и, пройдя перевалы 28, устремляются вниз по опускным двум каналам 26 дымооборотной системы 10 в камеру теплообмена и аккумуляции тепла 7, снижая при этом вновь скорость движения топочных газов и, увеличивая тем самым время контакта газов с площадями кладки и теплоемким материалом 9. Далее тепловой поток газа поднимается по вертикальному каналу 29 дымооборотной системы 10 в дымовую трубу 19. При этом КПД составляет 70-75%.

Третий тепловой режим осуществляется при закрытой топке 3 и при открытых задвижках 17 и 18. Дымовые газы проходят через все канальные системы дымооборота второго теплового режима, и на выходе из основной каминной части 1 входят в смешанную систему дымооборотов 24. Сначала дымовые газы входят в безканальную систему, а затем поднимаются вверх по двум каналам 34 и входят в дымовую трубу 19. При этом КПД составляет 75-85%.

Переключение с одного теплового режима на другой осуществляется с помощью предусмотренных задвижек 15, 16, 17 и 18.

После окончания топки камина во втором и третьем режиме, его топочную камеру можно использовать для приготовления пищи и для тепловой обработки продуктов. Для этого необходимо незначительно приоткрыть задвижки 17 и 18 и открыть отверстие 8 перекрытия между камерой теплообмена и аккумуляции тепла 7 и поддувалом 5, а на под топливника 3 уложить противень с продуктами, требующими тепловой обработки.

Таким образом, заявляемый универсальный теплонакопительный камин обладает универсальностью, тепловой эффективностью, низкой себестоимостью изготовления и доступностью используемых материалов для всех регионов страны.