устройство для приготовления пищи

Формула изобретения

1. Устройство для приготовления пищи, содержащее тело, выполненное из горючего материала, позволяющего использовать его одновременно и как топливо, и как устройство для его сжигания, что реализуется наличием в теле, по крайней мере, двух пересекающихся вертикальных щелевых каналов, имеющих общую линию пересечения внутри тела, приближенную к средней части его верхнего основания, причем длина, ширина и высота вертикальных щелевых каналов определяются возможностью обеспечения процесса непрерывного горения внутренних поверхностей тела, образующих вертикальные щелевые каналы, при этом выгорание устройства происходит с образованием опор, поддерживающих емкость для приготовления пищи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело выполнено в виде части ствола дерева, установленного вертикально.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тело выполнено в виде бруса из дерева, установленного вертикально.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхнее основание тела выполнено с пересекающимися вертикальными пазами, расположенными под углом по отношению к вертикальным щелевым каналам.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность верхней части вертикальных щелевых каналов и/или вертикальных пазов верхнего основания тела пропитана легковоспламеняющимся веществом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бытовым устройствам для приготовления пищи и может найти применение в туризме, охоте, быту, а также при работе в полевых условиях.

Из уровня техники известно складное устройство для приготовления пищи (Авторское свидетельство на изобретение SU №1551340, опубликован в бюллетене №11, 1990 г.), содержащее стойки с заостренными концами, снабженные поперечиной, продольные элементы, шарнирно соединенные с поперечинами стоек, пластинчатые элементы, фиксаторы, причем продольные элементы выполнены с возможностью перемещения вдоль поперечин стоек, а пластинчатые элементы шарнирно соединены со стойками и поперечинами с возможностью перемещения вдоль них. Недостатком данного устройства является то, что оно требует дополнительного источника тепла для приготовления пищи.

Известна также походная печь (Патент на изобретение SU №1779284, опубликован в бюллетене №44, 1992 г.), содержащая корпус с отверстиями для выхода дымовых газов в верхней части его боковой поверхности, отверстием для установки теплоприемника и топкой. Ее корпус выполнен из верхней подвижной по высоте части с фиксаторами положения относительно неподвижной нижней части, а верхняя кромка последней выполнена в виде заслонки, перекрывающей сечение отверстий для выхода газа. К недостаткам данной печи можно отнести ее избыточные габариты и сравнительно высокую стоимость в связи с необходимостью использования для ее изготовления металла.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является туристическая печь (Патент на изобретение RU №2000519, опубликован в бюллетене №33-36, 1993 г.), которая и выбрана в качестве прототипа.

Туристическая печь содержит корпус, емкость для приготовления пищи, камеру сгорания и дымоход, при этом камера сгорания выполнена из двух колен с дверцами, причем в походном состоянии колена расположены в пространстве между корпусом печи и емкостью для приготовления пищи. Кроме того, первое колено камеры сгорания может быть снабжено перфорированной перегородкой. Печь также снабжена четырьмя поворотными опорами, длина которых превышает высоту колена камеры сгорания не менее чем в два раза. Печь может быть снабжена двумя П-образными поворотными опорами, укрепленными на дне внутреннего колена камеры сгорания, фиксирующими печь в рабочем положении. К недостаткам данного устройства можно отнести сложность конструкции, избыточные габариты.

Техническим результатом предлагаемого устройства для приготовления пищи является упрощение конструкции, снижение трудоемкости при изготовлении и исключение необходимости заготовки топлива.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для приготовления пищи содержит тело из горючего материала. Это позволяет использовать его одновременно и как топливо, и как устройство для его сжигания. Что реализуется наличием в теле, по крайней мере, двух пересекающихся вертикальных щелевых каналов, имеющих общую линию пересечения внутри тела, приближенную к центру его верхнего основания. Причем длина, ширина и высота вертикальных щелевых каналов определяются возможностью обеспечения процесса непрерывного горения внутренних поверхностей тела, образующих вертикальные щелевые каналы, при этом выгорание устройства происходит с образованием опор, поддерживающих емкость для приготовления пищи.

При этом тело может быть выполнено в виде части ствола дерева, установленного вертикально, или в виде бруса из дерева, установленного вертикально. Для осуществления лучшего поджога топлива верхнее основание тела может быть выполнено с пересекающимися вертикальными пазами, расположенными под углом по отношению к вертикальным щелевым каналам, а внутренняя поверхность верхней части вертикальных щелевых каналов и/или вертикальных пазов верхнего основания тела может быть пропитана легковоспламеняющимся веществом.

На Фиг.1-2 приведены варианты конструкции предлагаемого устройства для приготовления пищи. Оно состоит из тела 1, изготовленного из горючего материала, например из дерева. Верхнее основание 2 тела 1 выполнено в виде плоской горизонтальной площадки, обеспечивающей возможность установки на ней емкости для приготовления пищи. В теле 1 имеются два вертикальных щелевых канала 3, 4, размеры которых (ширина, длина и высота) определяются возможностью обеспечения процесса непрерывного горения их внутренних поверхностей. Вертикальные щелевые каналы 3, 4 имеют внутри корпуса общую линию пересечения, приближенную к центральной части верхнего основания 2. Угол пересечения каналов может иметь произвольное значение.

Принцип работы устройства основан на создании таких условий горения, при которых обеспечивается минимизация потерь тепла и эффективный подвод окислителя (кислорода) к зоне горения.

Для обеспечения непрерывного горения твердого горючего материала необходимо, чтобы количество выделяемого тепла в условиях экзотермической реакции окисления топлива кислородом воздуха равнялось его потерям. Каналы потери тепла в основном следующие: теплопроводность, конвективный перенос и излучение.

В предлагаемой конструкции, в условиях стационарного процесса горения, т.е. когда в реакцию вовлечены все внутренние поверхности каналов, обеспечивается минимизация потерь тепла за счет излучения и теплопроводности. Тепловыделяющие области обращены друг к другу и взаимно облучают друг друга, причем они защищены от потерь тепла самим материалом тела. Теплопроводность обычных горючих материалов, как правило, низкая. Потери тепла происходят только через относительно узкие открытые участки щелевых каналов с излучением и за счет конвекции горячих газов.

Количество выделяемого тепла при горении пропорционально объему вовлеченного в этот процесс вещества. Поскольку толщина слоя горения для твердых тел является величиной приблизительно постоянной (численное значение - единицы миллиметров), можно считать, что тепловыделение пропорционально только площади всей внутренней поверхности паза - S_гор. В предположении одинаковости ширины и высоты обоих щелевых каналов находим:

S_гор. =4·L·h,

где L - длина щелевого канала;

h - высота щелевого канала.

В условиях земной атмосферы при конвективном режиме подвода воздуха температура реакции горения обычных горючих материалов составляет порядка 1000К. При таких температурах основным каналом отвода тепла (более 90%) является излучение. В рассматриваемой конструкции потери тепла за счет излучения могут идти только через открытые участки щелевых каналов. Они в первом приближении пропорциональны суммарной площади этих участков:

S_пот.=2·a·L+2·a·h=2·a·(L+h),

где а - ширина щелевого канала.

Из условия баланса тепловых потоков можно сформулировать требования, обеспечивающие возможность непрерывного горения внутренних поверхностей щелевых каналов в виде соотношения:

S_гор. К·S_пот.,

где К - числовой коэффициент, учитывающий множество дополнительных условий конкретной экспериментальной обстановки. Он, в частности, включает в себя такие параметры, как:

- скорость сгорания вещества тела, которая зависит от его пористости, относительной влажности, направления волокон для волокнистого материала и т.д.;

- удельную теплоту сгорания, например для сырого и сухого дерева они составляют 8 МДж/кг и 15 МДж/кг соответственно;

- скорость подвода окислителя к зоне горения, т.е. скорость конвективного потока воздуха в канале и наличие его поддува, например вследствие ветра;

- численные значения физических постоянных, в частности постоянной Больцмана (1,38·10^-23 Дж/К), коэффициента серости поверхности и др.;

- реальные значения и распределение температур по поверхности каналов и другие параметры.

Из полученного условия, подставляя выражения для площадей, получаем в явном виде ограничение сверху на ширину щелевого канала:

Ввиду многообразия реальных условий изготовления предлагаемого устройства теоретически получить значение коэффициента К не представляется возможным. Экспериментальная проверка показала, что с достаточной степенью точности для получения работоспособной конструкции его численное значение можно выбрать равным единице.

Физический смысл полученного выражения заключается в том, что при ширине канала большей приведенной, даже если будет обеспечен начальный поджог всех внутренних поверхностей каналов, например за счет нанесения на них легковоспламеняющегося вещества, реакция горения сама собой прекратится, т.к. отток тепла будет превышать его выработку. Это хорошо известное явление, наблюдаемое при разжигании костра.

Кроме теплового баланса для поддержания горения в относительно узком канале должно обеспечиваться и условие достаточности подвода окислителя (в данном случае воздуха) к зоне горения. Необходимый расход воздуха должен быть не меньше, чем требуется для поддержания горения по всей площади. Он пропорционален сумме стехиометрических коэффициентов образования продуктов окисления и объему вовлеченных в процесс исходных веществ тела. Для надежной работы устройства для приготовления пищи важно определить функциональную зависимость между расходом воздуха и конструкцией устройства. Это можно сделать, используя формулу Пуазейля для секундного объемного расхода жидкости V_сек в круглых трубах [Б.М.Яворский. А.А.Детлаф. Справочник по физике. Наука, М.: 1965 г.]:

где r - гидравлический радиус трубы,

- кинематическая вязкость,

l - длина трубы,

р - перепад давления между концами трубы.

При переходе к нашему случаю по законам подобия гидравлический радиус эквивалентен размеру 2а, длину трубы можно принять равной длине канала L, а перепад давления в условиях конвективных потоков пропорционален разности температур и высоте канала h. Если ввести численный коэффициент М, который включает в себя стехиометрические соотношения реакции горения, скорость объемного сгорания материала тела, численные сомножители, перепады температур и параметры кинематической вязкости, можно исходное уравнение записать в виде:

Отсюда получаем функциональную зависимость для определения нижней границы ширины вертикального щелевого канала:

Из-за многообразия физических реализаций предлагаемого устройства оценить численное значение коэффициента М и объемного расхода воздуха крайне затруднительно. Экспериментальные исследования показали, что для большинства практически важных случаев значение можно принять равным 2.

Таким образом, общее выражение для определения ширины щелевых каналов, описывающее условия непрерывного горения их внутренних поверхностей, имеет вид:

Полученное выражение накладывает ограничение на первоначальные размеры щелевых каналов в зависимости от размеров тела и для состояния, когда в процесс горения вовлечена вся внутренняя поверхность каналов. Однако при розжиге устройства условия потерь тепла хуже, чем в случае стационарного горения, и это приводит к затрудненному пуску изделия. Для преодоления этого затруднения можно нанести на внутренние поверхности вертикальных щелевых каналов слой легковоспламеняющегося вещества, например стеарина или гудрона.

Наиболее продуктивной и приемлемой является конструкция, приведенная на Фиг.2. Она состоит из тела цилиндрической формы, выполненного из отрезка ствола дерева, установленного вертикально. В теле выполняют четыре взаимно ортогональных вертикальных щелевых канала, имеющих общую линию пересечения, которая максимально приближена к центральной части верхнего основания 2 тела 1. На этой же линии со стороны верхнего основания 2 выполняют дополнительно вертикальные пазы 5, 6 небольшой глубины под углом к вертикальным щелевым каналам. Они используются для облегчения зажигания устройства для приготовления пищи.

При использовании цилиндрического тела с характерными размерами 300 мм в диаметре, длиной 500 мм и с высотой каналов 400 мм в соответствии с полученным выше выражением ширина каналов должна находиться в пределах от 1,57 до 218 мм. Практически легко достижимым размером ширины канала является 4-6 мм, который может быть получен с помощью пилы.

Для запуска устройства по линии пересечения вертикальных щелевых каналов вставляется запальник, выполненный, например, из куска бумаги, и поджигается. Из-за наличия дополнительных вертикальных пазов резко увеличивается доступная огню площадь при незначительном увеличении тепловых потерь. После начала горения огонь распространяется вниз по вертикальным щелевым каналам и охватывает всю их внутреннюю поверхность. Это объясняется тем, что этот процесс ведет к улучшению условий протекания реакции горения. Увеличение количества щелевых каналов увеличивает мощность устройства за счет увеличения объема материала, одновременно участвующего в горении. С другой стороны, это ведет к уменьшению времени непрерывной работы устройства из-за ограниченного запаса топлива.

Как показывает практика работы устройства, конструкция, приведенная на Фиг.2, является оптимальной. В этом варианте исполнения устройство имеет наилучшие соотношения тепловой мощности и продолжительности горения по отношению к целям его использования. Для приведенных выше характерных размеров устройства, изготовленного из сухостоя сосны, время его непрерывной работы составляет около 3 часов. При этом пища, подлежащая приготовлению, устанавливается в соответствующих емкостях на верхнюю поверхность устройства. По мере выгорания тела в его средней части образуется полость, окруженная четырьмя опорами, образованными частями корпуса, не участвующими в горении. Они поддерживают емкость с пищей над огнем. При этом, чем ближе выполнена линия пересечения вертикальных щелевых каналов к центру верхнего основания тела, тем более равномерной толщины остаются опоры.

Тело устройства для приготовления пищи может быть выполнено в виде параллелограмма, изготовленного, например, из деревянного бруса, установленного вертикально.

Данное устройство для приготовления пищи имеет простейшую конструкцию, дешевую и легкую в изготовлении и не требует дополнительной заготовки топлива.