НАГРЕВАТЕЛЬ ВОЗДУХА Российский патент 1999 года по МПК F24H3/00 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к отопительному производству, и может быть использовано при конструировании и производстве воздухонагревателей.

Для отопления и сушильного производства все чаще применяются котлы и нагреватели воздуха, работающие на отходах деревообрабатывающего производства. В принципе работы таких установок заложено дожигание топочных газов, которое происходит благодаря подаче воздуха в зону выхода дымовых газов из топочного отделения.

Известны конструкции отопительных котлов, в которых нагревается вода, используемая в отопительных системах [1]. Такие установки эффективно работают, используя хорошие термодинамические свойства воды, т.е. за счет большого коэффициента теплопередачи от стенки котла воде и большого коэффициента теплоемкости воды. Недостатком таких установок, предназначенных для отопления, является обязательное наличие водяной или паровой системы отопления в помещении. Использование таких установок в сушильном производстве возможно только с установкой теплообменников (калориферов).

Известны нагреватели воздуха [2] для создания воздушной завесы в бытовых помещениях, содержащие топку, теплообменник, систему приточной вентиляции с щелевым воздуховодом.

Недостаток известных нагревателей заключается в ограничении технологических возможностей в связи с узкой применимостью и использованием в топке как правило электрической энергии или жидкого топлива, мазута, соляра и т.п.

Известные нагреватели невозможно использовать для мобильных сушильных производств, требующих смены места дислокации.

Известен нагреватель воздуха, конструкция которого принята в качестве прототипа [3], включающий корпус, содержащий топку с зольником, загрузочный бункер, теплообменник и средство дожигания топочных газов. Эти нагреватели работают на всех видах твердого топлива, отходах картонажного производства и отходах деревообработки.

Недостатками этих нагревателей воздуха являются:
- большая масса, т.к. весь нагреватель изготавливается из толстостенных труб и толстолистовой стали;
- малый запас топлива, ограниченный объемом топки;
- недостаточно полное дожигание дымовых газов, т.к. для этих целей используется холодный воздух;
- малая площадь теплообмена, ограниченная габаритами топки нагревателя;
- невозможность регулировки температуры нагретого воздуха.

В основу изобретения положена задача повысить технико-экономические показатели заявленной конструкции нагревателя воздуха за счет улучшения дожигания дымовых газов, снижение материалоемкости нагревателя и улучшение подачи топлива в топку и повышение эффективности его горения.

Поставленная задача достигается тем, что в нагревателе воздуха, корпус которого содержит топку с зольником, загрузочный бункер, теплообменник и средство дожигания топочных газов, согласно изобретения теплообменник выполнен в виде двух смежных спиралевидных полостей, огибающих друг друга, а средство дожигания топочных газов снабжено камерой подогрева приточного воздуха, выполненной в виде каналов, охватывающих топку и взаимосвязанных с камерой дожигания топочных газов, размещенной в центральной зоне теплообменника, при этом воздухозаборник камеры подогрева размещен ниже донной части камеры дожигания.

Предпочтительно чтобы в нагревателе теплообменник был снабжен системой принудительной подачи нагреваемого воздуха.

Возможно чтобы в нагревателе средство дожигания топочных газов было снабжено системой принудительного наддува воздуха.

Технологично чтобы в нагревателе топка была снабжена системой принудительного наддува воздуха.

Преимущественно чтобы в нагревателе загрузочный бункер был размещен по отношению к топке под углом 1^o....45^o относительно вертикальной оси топки.

Изобретение поясняется чертежами где,
- фиг. 1 изображает общий вид нагревателя;
- фиг. 2 - разрез по А-А.

Предлагаемый нагреватель воздуха (далее - нагреватель) имеет сборную конструкцию (см. фиг. 1 и 2) и состоит из зольника - 1, топки - 2, загрузочного бункера - 3, теплообменника - 4 и вентилятора - 5, средство 6 дожигания топочных газов. Теплообменник 4 выполнен в виде двух смежных спиралевидных полостей 7 и 8, огибающих друг друга. Средство 6 снабжено камерой 9 приточного воздуха, выполненной в виде каналов 10, охватывающих топку 2 и взаимосвязанных с камерой 11 дожигания топочных газов, размещенной в центральной зоне Б теплообменника 4. Воздухозаборник 12 камеры 9 подогрева размещен ниже донной части 13 камеры 11 дожигания топочных газов. Теплообменник снабжен системой 14 принудительной подачи нагреваемого воздуха, выполненной, например, в виде нагнетательного вентилятора 5. Средство 6 дожигания топочных газов снабжено системой 15 принудительного наддува воздуха, выполненной, например, в виде нагнетательного вентилятора 16. Топка 2 снабжена системой 17 принудительного наддува воздуха, выполненной, например, в виде нагнетательного вентилятора 18.

Загрузочный бункер 3 размещен по отношению к топке 2 под углом 1^o....45^o относительно вертикальной оси O-O топки 2. Угол 1^o....45^o выбирают в зависимости от вида и формы топлива: бревна, брикеты, топливо в виде сыпучего материала и т.п. Возможен вариант нагревателя, в котором загрузочный бункер закреплен по отношению к топке шарнирно (на чертеже условно не показано) для обеспечения установки оптимального угла.

Загрузочный бункер 3 присоединяется к топке 2 и располагается под углом, меньшим 45^o, относительно вертикали. Это обеспечивает самоподачу топлива по мере его сгорания в топке.

Зольник 1 представляет собой основание, к которому крепится топка 2. Зольник служит для сбора золы, которую периодически удаляют.

Топка 2 имеет двойные стенки 19 и 20 и вверху расположенные отверстия 21, соединяющие межстеночное пространство 22 с топочным пространством 23. Полость межстеночного пространства 22 и отверстия 21 предназначены для нагрева и подачи воздуха, участвующего в дожигании дымовых газов.

Теплообменник 4 изготавливается из тонколистовой, термостойкой стали и присоединяется к топке 3. Теплообменник имеет две спиралевидные полости 7 и 8, по одной из которых удаляются дымовые газы, а по второй, принудительно, посредством вентилятора 5, прогоняется нагреваемый воздух.

Работу нагревателя осуществляют следующим образом. В бункер 3 загружают топливо (например, в виде отходов деревообработки).

В топке 2 осуществляют розжиг топлива и включают вентиляторы 5, 16 и 18.

Топочные газы, образующиеся в результате горения топлива, поднимаются в зону Б теплообменника 4, смешиваются за счет теплопередачи с нагретым в каналах 10 камеры 9 воздухом и в результате чего происходит догорание дымовых газов,
CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O,
2CO + O₂ = 2CO₂,
т.е. происходит дожигание углеводородов CH₄ и окиси углерода.

Дымовые газы проходят по каналам 7 теплообменника 4 и удаляются в атмосферу, при этом происходит теплообмен через стенку теплообменника между дымовыми газами и воздухом, нагнетаемым вентилятором 5 в спиралевидную полость 8 теплообменника 4.

Теплый воздух, выходящий из теплообменника 4, направляют на эксплуатационные нужды, например на отопление, на сушильное производство, и т.п.

Конструкция предлагаемого нагревателя воздуха проектировалась исходя из теории горения твердого топлива (гетерогенное горение). Свойства гетерогенного горения определяются тем, что при нем химическая реакция протекает между твердой поверхностью и газообразным окислителем - кислородом. Горение твердого топлива - наиболее распространенный процесс в технике и притом весьма сложный. Он складывается из ряда стадий - сушки, возгонки летучих, воспламенения и горения твердого коксового остатка, т.е. горение углерода. Поэтому горение углерода имеет решающее значение в технике сжигания. Горение углерода связано с протеканием ряда химических реакций. Основным химическим процессом является реакция соединения углерода с кислородом (C+O₂), продуктами которой являются CO - окись углерода и CO₂ - двуокись углерода. Помимо этой основной реакции, могут протекать т.н. вторичные реакции: CO₂ + C = 2CO (реакция восстановления двуокиси углерода), являющаяся также гетерогенной, и гомогенная реакция 2CO+O₂=2CO₂ (реакция горения окиси углерода). Таким образом, совокупность первичных и вторичных реакций определяет химическую сторону горения углерода.

Скорость горения углерода определяется интенсивностью двух различных по своей природе процессов: 1) химической реакции, 2) подвода кислорода и отвода продуктов реакции. Последний происходит сравнительно медленно, путем диффузии. При высокой температуре, которая обычно устанавливается при горении, скорость горения определяется главным образом интенсивностью диффузии кислорода к реакционной поверхности. Диффузию можно ускорить, усиливая движение воздуха около горящей поверхности углерода, т.е. дутьем. Можно развить скорость движения воздуха у поверхности угля до сотен метров в секунду, и горение будет происходить с огромной интенсивностью. Таким образом, дутье - наиболее эффективный фактор воздействия на процесс горения.

Проводились сравнительные испытания и теоретические расчеты эффективности использования заявленной конструкции по сравнению с прототипом.

Теоретические расчеты показывают, что количество тепла, передаваемое через стенку
Q = F•k•Δt,
где F - площадь стенки теплообменника;
Δt - разница температур сред по разные стороны стенки.

коэффициент теплопередачи прототипа
для газов.

Коэффициент указывает количество тепла, которое может перейти от 1 м² стенки или от газа к стенке при разнице температуры в 1^oC.

α₁= 12 - коэффициент передачи от стенки к воздуху.

коэффициент теплопередачи от дымовых газов к стенкам.

S = 0,01 м - толщина стенки в метрах.

λ = 45 - коэффициент теплопроводности стали.

Коэффициент теплопередачи заявленного изобретения k_из имеет следующие числовые значения
α₂= α_{2(аналога)}= 26,5;
где v = 30 м/с - скорость обдува вентилятора;
α₁= 56,7722;
S = 0,001 м; λ = 45

Как показывают выше проведенные расчеты, основанные на экспериментальных данных, заявленная конструкция обеспечивает более чем в два раза теплопередачу от сгорания топлива нагреваемому воздуху по сравнению с известными аналогами.

По сравнению с аналогом, данная установка имеет ряд преимуществ:
- меньшая, приведенная к тепловой мощности, масса нагревателя обеспечивается тонкими стенками теплообменника, процесс теплообмена через которые происходит более быстро;
- больший запас топлива, не ограниченный только габаритами топки;
- более полное дожигание дымовых газов, за счет участия в этом процессе горячего воздуха;
- большая, не ограниченная габаритами топки нагревателя, площадь теплообмена. Это обеспечивает более высокий КПД нагревателя.

- возможность регулировки температуры нагретого воздуха, т.к. управление процессом теплообмена производится тремя устройствами, которые в зависимости от температуры выходящего из теплообменника воздуха регулируют процесс горения, процесс дожигания дымовых газов и производительность вентилятора. Процессы горения и дожигания дымовых газов регулируются ограничением проходных сечений, по которым поступает воздух в топку. Производительность вентилятора регулируется путем изменения напряжения на обмотках двигателя вентилятора.

Промышленная применимость заявленного изобретения. Нагреватель воздуха изготовлен в промышленных условиях и проходит испытания на предприятиях агропромышленного комплекса Республики Беларусь.

Источники информации:
1. БСЭ, т. 32, 16.11.1951, г. Москва "Печатный двор", с. 151, Парапреобразователь.

2. Политехнический словарь "Советская энциклопедия". г. Москва, 1976 г. с. 85, Воздухоподогреватель.

3. Рекламный проспект ПКП "Эльга" 220113, г. Минск, Логойский тракт, 19-3-13, Нагреватель воздуха "Буллерян".

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а также может быть использовано в производстве нагревателей воздуха. Изобретение позволяет повысить эффективность нагревателя и расширить его технологические возможности. Устройство включает зольник, топку, загрузочный бункер, теплообменник и вентилятор, средство дожигания топочных газов. Теплообменник выполнен в виде двух смежных спиралевидных полостей, огибающих друг друга. Средство дожигания топочных газов снабжено камерой приточного воздуха, выполненной в виде каналов, охватывающих топку и взаимосвязанных с камерой дожигания топочных газов, размещенной в центральной зоне Б теплообменника. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагреватель воздуха, корпус которого содержит топку с зольником, загрузочный бункер, теплообменник и средство дожигания топочных газов, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде двух смежных спиралевидных полостей, огибающих друг друга, а средство дожигания топочных газов снабжено камерой подогрева приточного воздуха, выполненной в виде каналов, охватывающих топку и взаимосвязанных с камерой дожигания топочных газов, размещенной в центральной зоне теплообменника, при этом воздухозаборник камеры подогрева размещен ниже донной части камеры дожигания. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что теплообменник снабжен системой принудительной подачи нагреваемого воздуха. 3. Нагреватель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что средство дожигания топочных газов снабжено системой принудительного наддува воздуха. 4. Нагреватель по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что топка снабжена системой принудительного наддува воздуха. 5. Нагреватель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что загрузочный бункер размещен по отношению к топке под углом 1 - 45^o относительно вертикальной оси топки.