УСТРОЙСТВО НАГРЕВА Российский патент 1999 года по МПК F23D14/18 

Изобретение относится к нагревательным устройствам с температурными излучателями, нагреваемыми сжигаемой топливо-воздушной смесью в беспламенном режиме и может быть использовано для обогрева бытовых, производственных помещений, для сушки и нагрева в разнообразных технологических процессах.

Известны каталитические обогреватели, содержащие корпус с рабочей камерой, имеющей отражающие профилированные поверхности, внутри которых размещена плоская пористая излучающая панель, закрытая предохранительной решеткой и снабженная газораспределительным коллектором с форсунками, связанными с топливным редуктором [1, 2].

Известная конструкция приспособлена для каталитического сжигания как газообразного (пропан-бутановой смеси) углеводородного топлива, так и жидкого (бензина, керосина, дизельного), для чего имеется два подводящих к испарителю топливных канала с запорными вентилями. Выход испарителя связан с газораспределительным коллектором пористого излучателя, изготовленного из кремнеземных (базальтовых) волокон, покрытых слоем кобальто-хромового катализатора для глубокого окисления углеводородов [3].

Недостатком известной конструкции является продолжением ее достоинства в универсальности по топливу, что выражается в сложности устройства, в котором для использования жидкого топлива из дополнительного бака оно снабжено встроенным в излучатель испарителем, а в автономном запальнике (плошке) применяют продолжительное открытое горение предварительно налитого топлива для подогрева излучателя, что из-за выделения вредных веществ при этом ограничивает область использования обогревателя. Специальные приспособления для стабилизации равномерного горения топливно-воздушной смеси повышают гидравлическое сопротивление горелки и служат причиной неполноты сгорания топлива, что не позволяет использовать ее в жилых, бытовых помещениях из-за повышенного содержания вредных веществ в продуктах сгорания.

Отмеченные недостатки устранены в устройстве для нагрева с газовой горелкой инфракрасного излучения, содержащем корпус, в котором вмонтирована закрытая предохранительной решеткой пористая каталитическая панель излучения и рабочая камера, где размещен коллектор с форсунками, связанный с топливным редуктором [4].

В известном устройстве для нагрева, выбранном по технической сущности и числу совпадающих признаков в качестве прототипа, форсунка газового топлива установлена в инжекционном диффузорном смесителе, который заканчивается газораспределительной камерой, закрытой плоской панелью из керамики, излучающая ребристая поверхность которой снабжена капиллярными сквозными отверстиями, покрытыми катализатором и закрыта предохранительной металлической решеткой, которая служит вторичным излучателем.

Горелка обеспечивает стабильное равномерное беспламенное горение газовоздушной смеси с глубоким окислением углеводородов внутри пористой панели, передающей теплоту в виде конвекции (60%) и инфракрасного излучения (40%). Полнота сгорания топлива составляет 99,8-99,9%. Геометрия излучателя оптимизирована для стабильного бесфакельного горения газовой топливной смеси внутри капилляров и равномерного накала керамической панели, материал которой имеет малый коэффициент термического расширения и низкий коэффициент теплопроводности.

Однако недостатком прототипа является неудовлетворительная функциональная надежность из-за отсутствия в структуре запальника, встроенного и технологически связанного с исполнительными рабочими элементами нагревателя, что определяет неконтролируемый напуск газов оператором и неполноту их сгорания до выхода излучателя на режим, тем самым ограничивает реализацию нагревателя, в частности, в закрытом помещении. При этом прототип характеризуется повышенным шумом при резонансных явлениях многоструйного газового потока из капилляров керамической панели, хрупкой в эксплуатации от механических воздействий и при попадании на ее раскаленную поверхность влаги.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение функциональной надежности и оперативности автоматического розжига газовой горелки, обеспечивающих экологическую безопасность бесшумной работы и расширение технологических возможностей реализации нагревателя.

Требуемый технический результат достигается тем, что известное устройство для нагрева, в корпусе которого смонтированы закрытая предохранительной металлической решеткой плоская пористая панель излучения с распределенным катализатором и рабочая камера, где размещен коллектор с форсунками, связанный с топливным редуктором, согласно изобретению дополнительно оснащено примыкающим к панели излучения запальником, связанным с топливным редуктором через общий с коллектором излучающей панели ресивер и выполненным в виде патрубка с вентилем и коаксиальной насадкой, эжекционные периферийные воздушные каналы которой наклонены под углом 27-36^o к оси запальника, причем излучающая панель предпочтительно выполнена из базальтовых волокон.

Оснащение нагревательного устройства встроенным автономным вентилем запальником, работающим на основном газовом топливе, позволяет осуществлять оперативный розжиг излучателя без газовых протечек, что определяет экономическую его безопасность.

Связь запальника с топливным редуктором через общий ресивер повышает функциональную надежность нагревателя за счет сглаживания в нем колебаний давления от пульсаций подачи и прерывистого расхода газового топлива, которое в ресивере скапливается и независимо расходуется через патрубки запальника и излучателя меньшей площади сечения.

Выполнение каталитической газопроницаемой панели из базальтовых волокон обеспечивает увеличение теплового потока в виде инфракрасного излучения в диапазоне волн 2-16 мкм, которые хорошо поглощаются большинством отделочных и конструкционных материалов и, главное, не оказывают негативного воздействия на организм человека.

Выполнение каталитической излучающей панели из слоев базальтовых волокон позволяет при относительно малой толщине равномерно распределить газовый топливный поток через лабиринтные капиллярные каналы, которые служат в качестве демпфера пульсаций и колебаний динамического процесса горения и истечения газов, гасящего звуковые шумы.

Материал панели способствует полному дожиганию продуктов топливной смеси, окисление которых в результате дает экологически безопасные вещества.

Оптимизированный диапазон углов наклона эжекционных каналов дополнительной коаксиальной насадки патрубка запальника обеспечивает подсос необходимого в избытке объема воздуха для перемешивания с горючим газом центрального канала от ресивера и квазистационарное течение газо-воздушной топливной смеси к излучателю для розжига стелющегося пламени.

Наклон эжекционных воздушных каналов к оси топливного канала запальника больше 36^o приводит к пульсирующей подаче смеси из-за запирающего действия воздушных струй, дестабилизации горения и проскокам пламени внутрь газораспределительной камеры, что небезопасно.

При наклоне эжекционных воздушных каналов к оси топливного канала запальника меньше 27^o подсасываемый воздух не имеет избытка и струйно перемещается по периферии вдоль центрального топливного канала, практически не перемешиваясь с горючим газом, что определяет неполное сгорание топлива и увеличенное содержание вредных веществ в продуктах сгорания запальника.

Каждый из существенных признаков предложенного устройства для нагрева необходим, а их совокупность достаточна для решения поставленной технической задачи и получения новизны качества, то есть нового сверхэффекта суммы признаков, а не суммы эффектов в их разобщенности.

Предложенное устройство для нагрева с газовой горелкой инфракрасного излучения технически осуществимо в серийном производстве, является новым, сравнительно с известным уровнем техники, из которого явным образом не следует для специалиста-теплотехника, то есть соответствует критериям патентоспособности.

На фиг. 1 изображено устройство для нагрева; на фиг. 2 - запальник в разрезе.

Приведенный ниже пример выполнения устройства для нагрева с газовой горелкой инфракрасного излучения имеет лишь иллюстративные цели и не ограничивает объема прав совокупности существенных признаков формулы изобретения.

В рабочей камере 1 (фиг. 1) корпуса 2, оснащенного отражателем 3 и выпускным патрубком 4, смонтирована излучающая панель 5 номинальной мощности 3+0,2 кВт, внутри которой размещен плоский коллектор 6 с форсунками 7 диаметром 1,0-1,5 мм, закрытая предохранительной металлической сеткой 8.

Излучающая панель 5 выполнена из слоев базальтовых волокон БВТУ21 РСФСР 660-75, покрытых катализатором из солей: азотнокислого кобальта по ГОСТ 4528-78 и азотнокислого хрома по ГОСТ 4471-78. Материал излучающей панели 5 имеет малый коэффициент термического расширения, низкий коэффициент теплопроводности, а также отсутствие канцерогенных выделений при рабочих температурах 550-600^oC. Толщина панели 5 выбрана экспериментально из условия гарантированного обеспечения бесфакельного горения, равномерного распределения температуры по излучающей поверхности, исключения проскоков пламени внутрь рабочей камеры 1 при скорости подачи топлива 50 м/с и составляет 30 мм.

Коллектор 6 сообщается через вентиль 9 с ресивером 10, который питается посредством резино-тканевого рукава 11 подачи топлива от редуктора РДСГИ-1,2 по ГОСТ 21805 газового баллона 1-5 ГОСТ 15860 или газопровода низкого давления (условно не показаны).

Второй выход ресивера 10 через вентиль 12 сообщается с запальником 13, центральный канал 14 (фиг. 2) которого снабжен коаксиальной насадкой 15. По периферии насадки 15 выполнены наклонные под углом 27-36^o к оси запальника 13 эжекционные воздушные каналы 16. Запальник 13 примыкает к наружной поверхности излучающей панели 5.

Устройство работает на природном газе по ГОСТ 5542 и сжиженном углеводородном газе по ГОСТ 20448 при окислении кислородом атмосферного воздуха через камеру 1 в избытке 1,05-1,15, достаточном для полного сгорания топлива до безвредных продуктов сгорания (H₂O, CO₂, NO).

Факел запальника 13 разжигается от любого внешнего источника огня, после чего открывают вентиль 9 и подают газовое топливо через форсунки 7 коллектора 6 равномерно к панели 5. При этом избыточный объем окислителя - атмосферного воздуха - автоматически эжектируется по каналам 16 насадки 15 и активно перемешивается в запальнике 13, что обеспечивает полное сгорание газов без выделения канцерогенов, вредных веществ. Давление подачи топлива превышает сопротивление газодинамического тракта и капилляров панели 5, затем распределенное газовое топливо поступает под пламя запальника 13. В начальный момент розжига пламя находится на поверхности металлической защитной сетки 8, а затем, по мере ее разогрева и повышения температуры излучающей поверхности панели 5 до рабочей, пламя за счет теплопроводности базальтовых волокон уходит внутрь капилляров панели 5, где за счет катализаторов происходит глубокое окисление углеводородов топлива без внешних факелов с большим выделением тепла в виде инфракрасного излучения (80%) и конвекции (20%).

Излучаемое тепло тыльной стороной панели 5 направляется отражателями 3 в сторону основных потоков. Металлическая сетка 8 служит вторичным излучателем.

Вентилем 12 после ухода пламени микрофакелов внутрь панели 5 перекрывается подача топлива в запальник 13, а в панели 5 происходит режимное бесфакельное горение топлива. Конструкция панели 5 исключает проскоки пламени внутрь питающего тракта, что выгодно отличает ее от известных аналогов. Устройство соответствует требованиям техники безопасности по ГОСТ 12.2.003, правилам пожаробезопасной эксплуатации по ГОСТ 12.1.004 и взрывобезопасности по ГОСТ 2.1.010.

Ресурс работы панели 5 составляет не менее 20000 часов. Время непрерывной работы нагревателя с 5-литровым баллоном составляет 15 часов, время нагрева закрытого проветриваемого помещения объемом 60 м³ на 20^oC составляет 0,5 часа.

Для прекращения горения подача газа перекрывается вентилем 9. Повторный розжиг осуществляется аналогично описанной последовательности действий.

Предложенное устройство нагрева предназначено для использования на открытом воздухе и в закрытом помещении при выполнении технологических операций сушки, нагрева в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, автотранспорте и быту. Область использования нагревателя расширилась при значительном снижении в продуктах сгорания содержания вредных веществ, сравнительно с прототипом, в частности NO₂ от 18 до 6 мг/м³, а CO от 21 до 3 мг/м³.

Экологическая чистота продуктов сгорания и практическое отсутствие в них канцерогенных и токсичных веществ, простота конструкции, отсутствие открытого пламени, пожаро- и взрывобезопасность обеспечивают удобство и надежность в эксплуатации.

Изобретение относится к нагревательным устройствам радиационного излучения при беспламенном каталитическом глубоком окислении газового топлива. Устройство содержит корпус, в котором смонтированы закрытая предохранительной металлической решеткой пористая панель излучения с распределенным катализатором и рабочая камера, где размещен коллектор с форсунками, связанный с топливным редуктором. Новым является то, что устройство дополнительно оснащено примыкающим к панели излучения запальником, связанным с топливным редуктором через общий с коллектором излучателя ресивер и выполненным в виде патрубка с вентилем и коаксиальной насадкой, эжекционные периферийные воздушные каналы которой наклонены под углом 27-36° к оси запальника, причем излучающая панель выполнена из базальтовых волокон. Изобретение за счет снижения содержания вредных веществ в продуктах сгорания обеспечивает повышение функциональной надежности и оперативности автоматического разжига газовой горелки. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для нагрева, в корпусе которого смонтированы закрытая предохранительной металлической решеткой пористая панель излучения с распределенным катализатором и рабочая камера, где размещен коллектор с форсунками, связанный с топливным редуктором, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено примыкающим к панели излучения запальником, связанным с топливным редуктором через общий с коллектором излучающей панели ресивер и выполненным в виде патрубка с вентилем и коаксиальной насадкой, эжекционные периферийные воздушные каналы которой наклонены под углом 27 - 36^o к оси запальника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что излучающая панель преимущественно выполнена из базальтовых волокон.