Варильна піч

Винахід відноситься до галузі харчового виробництва, а саме побутови х печей, до яких належить і вариста піч. Вариста піч призначена для приготування їжі, що знаходиться в посудині; тобто її основна функція - це теплова обробка продуктів харчування. Допоміжною функцією варистої печі є часткове нагрівання приміщення та навколишнього середовища. Одним з основних конструктивних компонент варистої печі є камера (паливник). У камері печі проходить спалювання твердого палива (дрова, вугілля, тирса тощо) з метою отримання теплоти, яка використовується для обробки продуктів харчування, що знаходяться там же. Причому теплова обробка продуктів харчування може проводитись як під час горіння твердого палива, так і після попереднього опалення і видалення твердих продуктів горіння з камери. Також частина отриманої теплоти від спалювання твердого палива використовується для прогріву приміщення. Настилом камери служить черінь, який облаштовано на засипці, щоб забезпечувати його прогрів. Черінь настелено з невеликим підйомом в напрямі задньої стінки камери, що забезпечує краще надходження повітря в камеру, а значить повне згорання палива і високий коефіцієнт корисної дії печі. Тут суттєвим є те, щоб температурний стан поверхні череня і камери в зоні встановлення теплової обробки об'єктів харчування повинен бути достатньо рівномірним. Це гарантує високу якість термічної обробки продуктів харчування. У передній частині камери передбачено щелепу, через яку в камеру закладають паливо, а також закладають продукти харчування, які потребують теплової обробки. Існують різноманітні форми щелеп (прямокутна, напівкругла, комбінована тощо). Над челюстями на висоті камери влаштовують стінку - газовий поріг, завдяки якому в підсклепінному просторі камери, що знаходиться вище челюсті, затримуються гарячі гази, які сприяють формуванню стабільного газового потоку в камері, а значить і загального температурного стану камери і печі. При необхідності челюсті печі закривають після опалення заслінкою або прикривають її під час опалення, що дозволяє зберігати як теплоту, так і вирівнювати загальний температурний стан печі. З камери (паливника) дим і гарячі гази попадають в димар, який розташований, як правило, попереду челюсті. Склепіння камери, як правило, виконують з нахилом, але ще з більшим підйомом до задньої стінки, ніж черінь. При такому підйомі склепіння гарячі гази направляються до задньої частини камери, що забезпечує її краще нагрівання. Досить суттєво впливає на формування теплових потоків в камері, а значить на її температурний стан, форма склепіння. Існують різноманітні по формі склепіння камер побутових печей. Відомо склепіння камери печі півциркульної форми [1, с.58], яке представляє собою циліндричну поверхню, що розташована горизонтально і опирається на бокові стінки камери. Фактично склепіння виконано у вигляді півциліндра з радіусом рівним половині ширини камери. Циліндрична поверхня склепіння плавно переходить в плоскі поверхні бокових стінок камери. Вісь циліндра розташована під невеликим кутом до горизонтальної площини з підйомом до задньої частини камери. Недоліком півциркульної форми склепіння варильної камери є те, що не можливо сформувати бажані теплові потоки, які відповідають взаємному вільному переміщенню холодних і гарячих мас повітря. Мають місце утворення завихрень на стику циліндричної поверхні із задньою та передньою плоскими стінками камери. У вказаних місцях не вдається сформувати рівномірний нагрів поверхні склепіння. Сама форма склепіння не достатньо сприяє направленню теплового потоку на черінь камери, так як зона інтенсивного теплового впливу знаходиться вище поверхні черіня. Температурне поле по об'єму камери та поверхні черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки є дуже нерівномірними. Існують пологі трицентрові склепіння камери [1, с.58]. Форма склепіння представляє собою комбіновану циліндричну поверхню, яка складається з трьох частин. Більшість поверхні склепіння представляє собою частину циліндра (менше півциліндра), радіус якого більший від половини ширини камери. Центр радіуса знаходиться на більшій вісі симетрії плоскої поверхні черіня. Отримана циліндрична поверхня спряжена з плоскими боковими стінками камери теж циліндричними поверхнями, радіус яких значно менший радіуса основного циліндра. Фактично склепіння складається з трьох циліндричних поверхонь, вісі яких розташовані між собою паралельно і під невеликим кутом до горизонтальної площини з підйомом до задньої частини камери. Пологі трицентрові склепіння забезпечують більш рівномірне і сильне нагрівання черіня в порівнянні з склепінням півциркульної форми. Недоліком трицентрового склепіння є те, що не можливо сформувати бажані теплові потоки, які відповідають взаємному вільному переміщенню холодних і гарячих мас повітря. Мають місце утворення завихрень на стику комбінованої циліндричної поверхні із задньою та передньою плоскими стінками камери. У вказаних місцях не вдається сформувати рівномірний нагрів поверхні склепіння. Сама форма склепіння не достатньо сприяє направленню теплового потоку на черінь камери, так як зона інтенсивного теплового впливу знаходиться вище поверхні черіня. Температурне поле камери та черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки є нерівномірними. Відомо склепіння бочкоподібної форми [1, с.126] (прототип). Крім загального підйому поверхні до задньої частини камери, бочкоподібна форма склепіння створює підйом в його середній частині. Зрозуміло, що поверхня черіня залишається плоскою. Склепіння опирається на п'яти або на плоскі стінки (фактично форма склепіння - це половина бочки або менше половини). Така форма склепіння найкраще прогріває камеру печі, так як гарячі газові потоки від полум'я рівномірно розстилаються по склепінню, спочатку заповнюючи верхню його частину (найбільш стабілізуючу зону камери), а потім і всю камеру. Тут створюються теплові потоки, які забезпечують стабільний прогрів центральної частини камери. Виконання камери з меншим радіусом бочки біля челюсті (передньої частини камери), ніж біля задньої частини камери (при цьому камера стає асиметричною) покращує (вирівнює) температурний стан камери і черіня в порівнянні з бочкоподібною симетричною камерою. Недоліком склепіння бочкоподібної форми є те, що не вдається сповна сформувати бажані теплові потоки, які відповідають взаємному вільному переміщенню холодних і гарячих мас повітря по всьому об'єму камери. Мають місце утворення завихрень на стику бочкоподібної поверхні із задньою та передньою плоскими стінками камери. У вказаних місцях не вдається сформувати рівномірний нагрів поверхні склепіння. Бочкоподібна форма склепіння не достатньо сприяє направленню теплового потоку на черінь камери, так як зона інтенсивного теплового впливу знаходиться дещо вище поверхні черіня центральної частини камери. Температурне поле камери та черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки є недостатньо рівномірними. В основу винаходу покладена задача вдосконалення побутової варистої печі шляхом внесення конструктивних змін в склепіння камери, а саме в його форму, щоб досягнути рівномірного температурного стану по об'єму камери і черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки. Поставлена задача досягається завдяки тому, що склепіння камери печі, згідно винаходу, виконано у формі еліпсоїда, основою якого є черінь, контур якого відповідає великому еліпсу еліпсоїда, а основні параметри камери знаходяться у певному співвідношенні: висота:ширина:довжина=1:2:3. Це дозволяє досягнути рівномірного температурного стану по об'єму камери і черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки. Суттєві ознаки формули винаходу направлені на те, щоб створити рівномірний температурний стан по об'єму камери і черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки. Вариста піч зображена на фіг.1; на фіг.2 - форма і параметри черіня та челюсті камери. Вариста піч (фіг.1) включає камеру, основою якої є черінь 1, який виконано у формі еліпса з піввісями b (ширина) і с (довжина). Верхня частина камери (склепіння 2) представляє собою частину (половину) еліпсоїда з основними параметрами а, b, с. Плоскі поверхні в склепінні камери - відсутні. Максимальна висота камери співпадає з піввісю а еліпсоїда. В передній частині камери знаходиться отвір (челюсті 3), який виконано у формі півкола з радіусом R=a/2, центр якого знаходиться на великій піввісі с. Максимальна ширина bj челюсті знаходиться на поверхні черіня. Попереду челюсті виконано димовий канал 4 печі. Тверде паливо укладено в задній частині камери. Висота h укладки палива і максимальна висота челюсті одинакові. Ширина h укладки палива дорівнює максимальній ширині b, челюсті. Об'єкти теплової обробки (продукти харчування) встановлень на плоску поверхню черіня 1 в передній частині камери, а саме в зоні лінії фокальних параметрів р, що знаходяться по обидві сторони від центру фокуса F 1 великого еліпса (фіг.2). Варто відмітити, що джерело енергії і об'єкт теплової обробки можуть знаходитись в камері одночасно. Тверде паливо завантажується в камеру через челюсті 3 і укладається на черінь 1 в задній частині камери; причому центр зони розташування палива знаходиться у фокусі F 2 еліпса (фіг.2). Товщина (висота h) шар у укладання твердого палива обумовлена ефективністю його використання і залежить від виду (дерево, вугілля, торф, тирса тощо) і фізичного стану (особливо вологість) палива. Так, для дерева з вологістю 24% і горизонтальним укладанням, вона складає 25...35см [2, с.30]. Для більш енергоємких видів твердого палива раціональна товщина h шару укладання зменшується; вона також зменшується і при підвищенні вологості палива. Раціональна товщина шар у палива дозволяє досягнути максимального ефекту від його використання, так як паливо згорає з найменшим надлишком повітря і мінімумом угарних газів та відходів. Якісна оцінка горіння палива здійснюється за величиною і кольором полум'я. Так, для дерева, горіння якісне, якщо полум'я світложовте. При надлишковій товщині шару палива полум'я стає подовгастим і при цьому коптить. Це викликано тим, що кількості повітря, яке поступає в зону знаходження палива, недостатньо для нормального процесу горіння. При недостатній товщині шару палива - полум’я біле та коротке. Процес горіння, в свою чергу, суттєво впливає на тепловий коефіцієнт корисної дії, який в кращому випадку для описаної печі складає, як правило, 10...15%. Це зумовлено рядом факторів, включаючи і те, що значна частина теплоти виноситься з камери газами через димовий канал. Внутрішній температурний режим камери досягається в процесі спалювання палива. Тепловий стан камери печі формується і підтримується завдяки всіх трьох видів теплопередачі, а саме теплопровідності, конвекції і випромінювання. У всіх вида х теплопередачі важливу роль відіграє склепіння камери (матеріал, форма тощо). Форма склепіння особливо впливає на конвективний теплообмін, так як вона формує напрямки теплових газових потоків і суттєво впливає на їх розподілення по об'єму камери разом з потоками холодного атмосферного повітря. Склепіння еліпсоїдної форми допомагає задавати такі напрямки руху газів, які відповідають їх природному (фізичному) бажанню, а саме: потоки нагрітого газу в оточені холодного направляються вверх, а потоки охолоджуючого газу - вниз. Таке конструктивне рішення не допускає, щоб потоки охолоджуючих газів проходили поперемінно то вверх, то вниз. Потік холодного повітря поступає в камеру через черінь 3 (нижня частина) і направляється в зону (задня частина камери) горіння твердого палива. Внаслідок горіння утворюються потоки гарячих газів, які піднімаються вверх і заповнюють верхню частину склепіння. Там проходить накопичення гарячих газів, віддача їх теплоти поверхні склепіння та формування газового шару стабільної температури. Надлишок дещо охолоджених газів (внаслідок віддачі певної кількості енергії) опускається вниз і через верхню частину черіня поступає в димовий канал 4. Одночасно з конвективним теплообміном проходить нагрівання поверхонь черіня і склепіння завдяки теплопередачі і випромінювання. При цьому має місце неперервне вирівнювання температурного стану камери, так як теплові потоки направляються по градієнту температур (вектори теплового потоку і градієнта температур взаємно протилежні). Контроль за тепловим станом камери здійснюється температурними давачами. Апріорним параметром камери є її максимальна висота а, тобто половина вісі еліпсоїда. Висота а, в свою чергу, залежить від раціональної товщини h шару палива. Укладання шару твердого палива товщиною h в задній частині камери з центром у фокусі F2 еліпса черіня потребує відповідної висоти еліпсоїда в заданій зоні. Якщо прийняти, що тверде паливо (наприклад, дерево) викладено в камері печі умовно у формі куба з сторонами величиною h, то необхідна висота еліпсоїда визначається з умови можливості вписання куба у половину еліпсоїда у вказаній зоні; причому центр основи куба співпадає з фокусом F2. Зрозуміло, що спільними точками контакту поверхні еліпсоїда і куба є дві вершини верхньої сторони (площини) куба. Ця верхня площина знаходиться в одній з плоских поверхонь рівня z=h еліпсоїда. Лінія контуру поверхні заданого рівня визначається з системи рівнянь, яка включає опис еліпсоїда і площини заданого рівня ì ì ï( x / b)2 + ( y / c )2 + (z / a)2 = 1 ; ï( x / b)2 + ( y / c )2 = 1 - (z / a)2; або í í ïz = h ïz = h î î Тут а, b, c - піввісі еліпсоїда у відповідних площинах. Отримана система рівнянь зводиться до виду ìx2 / b2 (1- (h / a)2 ) + y2 / c 2(1- (h / a)2 = 1 ï ; í ïz = h î Як видно, лінія контуру плоскої поверхні рівня z=h є еліпс з піввісями b h і сh (Фіг.2) bh=b(1-(h/a)2)1/2; с h=с(1-(h/a)2)1/2. В подальшому доцільно розглядати задачу в плоскій постановці, а саме: квадрат з стороною h вписано в еліпс даного z=h рівня так, що дві вершини квадрата однієї сторони, яка перпендикулярна більшій піввісі сh еліпса мають спільні з ним точки. Визначення максимальної висоти склепіння камери, тобто піввісі а еліпсоїда, грунтується на основі забезпечення необхідного гарячого газового куполу над площиною черіня. Площа Аh куполу як проекція на площину поверхні рівня z=h повинна складати 75% дід площі А черіня (великого еліпса) камери. Така теплова газова стеля сприяє вирівнюванню температурного стану камери по її об'єму, а також забезпечує рівномірне нагрівання всієї поверхні склепіння, що в свою чергу сприяє рівномірному тепловому стану і температурній стабільності плоскої поверхні черіня. Відтак, прирівнюючи площі еліпса на заданому рівні та великого еліпса, знаходимо величину а Аh=0,75 А; pbh ch = 0,75p bc; b(1-(h/a)2)1/2c(1-(h/a)2)1/2=0,75bc; =>a=2h. Тут bh=b(1-(h/a)2)1/2 і с h=с(1-(h/a)2)1/2 - піввісі еліпса на рівні z=h. Отже, максимальна висота а склепіння камери дорівнює подвійній висоті h; як відомо, h - раціональна товщина шар у твердого палива під час його горіння. Решта основних параметрів склепіння камери, а саме її максимальні ширина 2b і довжина 2с (велика вісь еліпсоїда), а також параметри челюсті формуються на основі параметру а. З врахуванням того, що форма склепіння є еліпсоїд обертання навколо вісі у, то b=a=2h. Тоді максимальна ширина камери печі, тобто максимальна ширина черіня, рівна двом відповідним піввісям, а саме 2b=4h. Визначення величини великої піввісі с еліпсоїда здійснюється в плоскій постановці задачі. Рівняння еліпса на заданому рівні z=h еліпсоїда (х/bh) 2+(у/c h)2=1. З врахуванням відомих залежностей bh і сh, а також визначених параметрів а і b еліпсоїда рівняння еліпса приймає вигляд (х/b)2+(у/c)2=3/4. Координати точок контакту контур у еліпса на заданому рівні z=h і вершин квадрата х=|0,5h|; y=f+(h/2)=(c2b2)1/2+(h/2). Відтак рівняння еліпса і значення піввісі с (у/с) 2=11/16; с=(16/11)1/2 y; c=2,59h. Проектна максимальна довжина черіня камери визначається подвійною величиною піввісі с еліпсоїда, а саме 2c=5,2h В проектному розрахунку не враховується вплив челюсті на загальну довжину черіня. Конструктивне виконання челюсті приводить до зменшення загальної довжини камери на певну величину, яка залежить від ширини челюсті. Контур челюсті отримується як лінія переходу кругового циліндра і еліпсоїда; причому вісь у еліпсоїда є віссю кругового циліндра радіусом R=0,5а=h в його основі. Знаходження точок перетину контур у черіня (великого еліпса) і лінії переходу (перетину дво х тіл, а саме еліпсоїда і циліндра) дозволяє встановити дійсну довжину камери печі з врахуванням параметрів челюсті. Максимальна висота челюсті: 0,5а=h, а її ширина в площині черіня становить b=a=2h. Верхня точка челюсті співпадає з крайньою точкою піввісі ch, а значить знаходиться від початку координат на відстані (3/4)1/2c=(3/4)1/22,59h=2,24h. Значить виконання челюсті з вказаними параметрами в камері з встановленими розмірами реально приводить до зменшення проектної довжини черіня на величину (2,59-2,24)h=0,35h. Це приводить до зменшення зони розташування об'єктів (продуктів) термообробки на черіні камери. Тому доцільно збільшити довжину піввісі с на вказану величину; тоді с=3b, а значить максимальна довжина черіня 2c=6h. В результаті представлених теоретичних викладок видно, що раціональними є такі значення піввісей еліпсоїда: a=2h, b=2h, c=3h. Максимальні розміри камери печі приймають наступні значення: висота а=2b, ширина 2b=4h, довжина 2c=6h, тобто основні параметри камери знаходяться у співвідношенні висота:ширина:довжина=1:2:3. Під час опалення печі кількість необхідного повітря значно перевищує об'єм продуктів згорання. Це пояснюється тим, що в такій печі відсутні дверцята. Для запобігання попадання диму із печі в приміщення необхідно створити певної сили потік повітря, який направлений в камеру згорання, а далі через димовий канал в атмосферу. Такий потік повітря виконує функції дверцят при умові, що його швидкість складає не менше 0,25м/с [2, с.98]. Площа перерізу димового каналу (Фіг.1), який призначений для відводу продуктів горіння палива з камери печі в атмосферу, повинна бути достатньою. Значно більша швидкість повітряних потоків не є доцільною, так як спричиняє значні протяги. Тому пропонується площі челюсті і поперечного перерізу димового каналу виконати співрозмірними. Пріоритетною тут є площа челюсті, яка наближено рівна AJ = p(0,5a)2 = ph2 . Приклад розрахунку основних параметрів камери варильної печі при опаленні твердим паливом, а саме деревиною. Раціональна товщина палива при горизонтальній укладці дерева і вологістю 24% складає h=25...35см [2, с.30]. Максимальні параметри камери: висота склепіння a=2h=50...70cм, ширина черіня 2b=4h=100...140см, довжина черіня (проектна) 2c=6h=150...210см. Параметри челюсті: радіус R=a/2=h=25...35cм, максимальна ширина bJ=2h=50...70см, 2 площа 2 AJ p( 0,5a)2 ph2 p(25... 35)2 1963... 3848см2 . = = = = 3 2 Площа черіня = pbc p2h 3h 6 ph A = = = 6 p( 25... 35 ) = (11 78... 23,09 )10 см. , Площа теплового газового купола Аh=0,75 A=(8,84...17,32)103 см 2. Виконання склепіння камери еліпсоїдної форми, що запропоновано в даному винаході, має ряд переваг. Еліпсоїдна форма дозволяє сформувати ціленаправлені теплові потоки всіх видів. Газові потоки відповідають взаємному вільному переміщенню холодних і гарячих мас повітря по всьому об'єму камери. Утворення завихрень практично виключається. Відсутність гострих стиків склепіння з іншими поверхнями (крім стику по контуру черіня) дозволяє сформувати рівномірний нагрів поверхні склепіння. Форма еліпсоїдного склепіння є надзвичайно пологою, а це забезпечує інтенсивне направлення теплових потоків на черінь печі. Черінь при такому склепінні нагрівається рівномірно в усіх точках поверхні. Зона інтенсивного теплового впливу знаходиться на поверхні черіня по фокальній лінії з деяким зміщенням до центральної вісі черіня (великого еліпса). Температурне поле камери та черіня в зоні встановлення об'єктів теплової обробки є рівномірним і достатньо стабільним (стійким). Все це гарантує високу якість теплової обробки продуктів харчування. Перелік посилань: 1. Шепелев О.М. Кладка печей своїми руками.” Київ: Будівельник, 1990.-208с. 2. Подгородников И.С. Бытовые печи двухколпаковые.”- М.: Колос, 1992.-60с.