КОНВЕКТОР КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ Российский патент 2002 года по МПК F24C3/00 

Изобретение относится к бытовой энергетике, к ее отраслям, связанным с бытовыми нагревательными приборами небольшой мощности, работающими на сжиженном газе и используемыми для периодического отопления помещений бытового назначения с естественной вентиляцией.

В настоящее время для создания бытовых нагревательных устройств малой мощности широко применяются каталитические методы окисления углеводородных газов.

В отличие от пламенных способов сжигания каталитические методы имеют значительные преимущества в части большей безопасности создаваемых приборов из-за отсутствия пламени и значительного снижения концентрации вредных примесей в продуктах сгорания. При создании каталитических нагревательных устройств обычно используются пористые каталитические пластины, выполненные из волокнистого алюмосиликатного или иного носителя, на который нанесен активный компонент, обеспечивающий необходимую активность катализатора. Вариант такой конструкции каталитических нагревателей описан в R.E. Thompson, D.W. Pershing, E. E. Berkan. Catalytic combushion, a pollution-free means of Energy conversion. EPA-650/2-73-018 NTIS No PB 22-3002. В этом устройстве платиновый катализатор нанесен на волокнистый алюмосиликатный носитель. Каталитически активный материал изготавливается в виде плоской пластины определенной толщины. В нагревателе используется два типа пластин, один из которых служит для обеспечения равномерного по всей поверхности пластины распределения газа, второй - для его окисления. В данном варианте устройства газ подается через узел подачи газа, установленный в центре газораспределительной пластины.

Проведенные испытания показали большую чувствительность окисления топлив к расходу подаваемого газа и толщине волокнистой пластины, незначительную - к содержанию пластины при двукратном увеличении ее концентрации относительно стандартных значений. В проведенных экспериментах толщина волокнистой пластины измерялась от 1 до 2,5 см.

Существенными недостатками данной конструкции являются:
- очень сильная чувствительность состава отходящих газов к скорости подачи топлива, что обеспечивает малый диапазон регулирования мощности;
- наличие значительных концентраций непрореагировавших углеводородов (600-1200 ppm) в продуктах сгорания;
- содержание оксида углеводородов на уровне 10-20 ppm;
- неоднородности состава выбросов по поверхности каталитической пластины, увеличивающиеся примерно в два раза при переходе от центральной части к ее краям и от низа к верху.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является газовый каталитический камин, приведенный в пат. РФ 2057277, F 24 C 3/00, 1996]. В нем, как и в [R.E. Thompson, D.W. Pershing, E.E. Berkan. Catalytic combushion, a pollution-free means of Energy conversion. EPA-650/2-73-018 NTIS No PB 22-3002. Используется катализатор на волокнистой основе.

Конструктивно камин выполнен в виде коробки из листовой стали, внутри которой размещен тепловыделяющий элемент с катализаторной пластиной. Для обеспечения теплообмена верхняя стенка коробки выполнена с перфорацией в виде пазов, с лицевой стороны имеется окно, закрытое просечной стенкой. Ниже сетки расположено небольшое отверстие, внутри которого размещено факельное устройство, справа на корпусе - газовый кран, регулирующий подачу газа с помощью регулировочного винта.

Тепловыделяющий элемент представляет собой металлический поддон, внутри которого расположена крупноячеистая сетка, на ней мат из волокнистого термостабильного материала, распределяющий газ по всей поверхности и выполняющий функцию первичного катализатора, второй мат из кварца-кремнезема, на который нанесен каталитически активный состав. Этот мат выполняет функцию вторичного основного катализа беспламенного окисления газообразных углеводородов. Все перечисленные выше элементы закреплены в ванночке с помощью прижимной рамки, на которую натянута сетка из нихромовой проволоки.

Для запуска, в процессе которого происходит разогрев катализаторной пластины, под тепловыделяющим элементом расположено факельное устройство, которое одновременно контролирует поступление газа в течение всего времени работы камина. В факельном устройстве в качестве сопла использован часовой камень, калиброванное отверстие которого обеспечивает необходимое качество струи газа. Газ проходит через вентиль, тройник и одновременно поступает в полость металлической ванночки и в факельное устройство. Спичкой поджигается факел, который, в свою очередь, поджигает газ, поступающий в ванночку и пронизывающий два слоя катализатора. По мере разогрева катализатора пульсирующее пламя на его поверхности исчезает и горючий газ практически полностью окисляется. Факел значительно уменьшается, но горит постоянно, контролируя подачу газа в течение всего времени работы камина.

Недостатками данного устройства являются:
- наличие открытого пламени в качестве индикатора работы прибора;
- сложность равномерного распределения углеводородного газа, подаваемого в малых количествах по поверхности волокнистого катализатора;
- увеличение недожига углеводородного газа по длине пластины, в связи с возрастанием пограничного слоя и ухудшением условий массообмена;
- отсутствие автоматического розжига и надежной стабилизации расхода подаваемого газа.

Изобретение решает задачу создания нового типа нагревательного устройства, обеспечивающего эффективное экологически чистое сжигание углеводородных газов и безопасную эксплуатацию устройства за счет использования новых принципов организации работы прибора.

Поставленная задача решается за счет конструкции, представляющей собой конвектор каталитический газовый для периодического отопления помещений бытового назначения с естественной вентиляцией, состоящий из корпуса, внутри которого расположены каталитические нагревательные элементы трубчатого типа, система запуска конвектора, стабилизатор расхода газа, термоэлектрический преобразователь, датчик терморегулятора, трубопроводы для подачи газа. Каталитический нагревательный элемент представляет собой трубчатую конструкцию, состоящую из заглушенной с одной стороны газораспределительной трубки, на поверхность которой в спеченном с нею состоянии нанесен слой каталитически активного материала, обеспечивающего экологически чистое окисление углеводородного газа. Один из вариантов каталитического нагревательного элемента (КНЭ) приведен в пат. РФ 2062402, 6 F 23 D 14/18, 1996.

В конвекторе используется автоматический регулятор расхода газа, имеется смотровое окно, световой электрический индикатор режима работы, отверстие для забора воздуха, решетка для выхода горячих газов, ручки управления подачей газа, кнопка терморегулятора и кнопка системы пьезорозжига для запуска пламенной горелки. Каталитические нагревательные элементы расположены вертикально один под другим с зазорами между ними и корпусом конвектора. На поверхности каталитического нагревательного элемента установлен термоэлектрический преобразователь для генерации электрической энергии.

На фиг.1 представлен общий вид конвектора. Он состоит из корпуса, внутри которого установлены все основные узлы конвектора, приведенные на фиг.2: узел подвода углеводородного газа, устройство для запуска конвектора, каталитические нагревательные элементы с термоэлектрическим преобразователем, терморегулятор для управления режимами работы прибора, трубопроводов для движения газа.

На нижнем торце корпуса имеется отверстие для забора воздуха, который после его нагрева в результате химической реакции выходит в окружающую среду через решетку на верхнем торце конвектора.

Спереди и сзади корпус конвектора закрывается стенками. На передней стенке имеется смотровое окно и индикатор работы конвектора в установившемся режиме беспламенного каталитического сжигания газа. Сверху на корпусе установлена решетка. Корпус установлен на ножки. Сверху на корпусе расположены ручки управления работой конвектора.

Функциональная схема работы конвектора приведена на фиг.2.

Газ (пропан-бутановая смесь) 1 от баллона через входной штуцер конвектора поступает на газовый фильтр 2, который обеспечивает очистку газа от механических примесей.

В режиме розжига газ подается через кран 3 на горелочное устройство 4 при установке ручки управления подачей газа 5 на горелочное устройство.

Нажатием и опусканием кнопки пьезоэлектрического устройства зажигания газа 6 зажигается газ, выходящий из горелочного устройства 4, искровыми разрядами в потоке газа.

При проявлении устойчивого пламени на горелочном устройстве 4, которое контролируется через смотровое окно передней стенки конвектора (фиг.1), включается подача газа на КНЭ 7 установкой ручки управления 5 подачей газа на КНЭ 7 и нажатием кнопки термоэлектромагнитного клапана 8.

В этом положении органов управления газ подается на КНЭ 7 через открытый термоэлектромагнитный клапан 8, открытый канал рожзига крана-терморегулятора 9 и коллектор 10.

Газ, выходящий из нижнего КНЭ, зажигается пламенем горелочного устройства. Газ, выходящий из верхних КНЭ, зажигается перебросом пламени с нижнего на верхние КНЭ. Появление пульсирующего пламени на поверхности КНЭ контролируется визуально через смотровое окно (нижнее КНЭ) и решетку конвектора (верхние КНЭ). Кнопка термоэлектромагнитного клапана 8 удерживается вручную в нажатом состоянии 10-20 с после появления пульсирующего пламени на поверхности всех КНЭ.

За это время наружным пульсирующим пламенем нижнего КНЭ разогревается чувствительный элемент (горячий спай) термопары - 10 до температуры (300±20)^oС. С термопары на обмотку термоэлектромагнитного клапана 8 подается напряжение на менее 7 мВ, что позволяет удерживать термоэлектромагнитный клапан 9 в открытом состоянии. Надобность в ручном удерживании кнопки отпадает.

Если режим розжига проходит нормально, то примерно через 450 с наружное пульсирующее пламя на КНЭ не наблюдается, конвектор переходит в режим беспламенного каталитического сжигания газа при температуре на поверхности КНЭ порядка 450-550^oС.

Затем перекрывается подача газа на горелочное устройство установкой ручки управления подачей газа 5 на горелочное устройство 4, в результате гаснет пламя на горелочном устройстве 4, прибор находится в рабочем состоянии. Для осуществления реакции окисления на КНЭ воздух 11 за счет естественной циркуляции подается через нижнее отверстие в корпусе. Образовавшиеся горячие газы 12 выбрасываются через верхнюю решетку конвектора в окружающую среду для ее подогрева.

В рабочем режиме газ на КНЭ 7 подается через открытый термоэлектромагнитный клапан 8, рабочий канал крана-терморегулятора 9, стабилизатор расхода газа автоматический 13 и коллектор 10.

Стабилизатор расхода газа автоматический 13 обеспечивает стабилизацию расхода газа в рабочем режиме, что позволяет снизить содержание СО и непрореагировавшего углеводородного газа в продуктах сгорания в пределах экологических норм за счет исключения повышения давления газа выше (2000±200) Па.

При уменьшении температуры на нижнем КНЭ ниже (270±20)^oС в рабочем режиме перекрывается подача газа на конвектор термоэлектромагнитным клапаном 9 из-за снижения напряжения, снимаемого с термопары 10, ниже порогового значения.

При нештатном повышении температуры продуктов сгорания на выходе из решетки конвектора до (270±20)^oС срабатывает клапан перекрытия подачи газа крана-терморегулятора 9, чувствительный элемент которого 14 установлен около решетки в выходящем потоке продуктов сгорания.

Подача газа на КНЭ сокращается, температура продуктов сгорания на выходе из решетки снижается, что обеспечивает защиту КНЭ от перегрева и соответственно разрушения.

На нижнем каталитическом нагревательном элементе установлен термоэлектрический преобразователь 10, генерирующий электроэнергию для работы индикатора 15.

Индикатор 15 излучает свет без изменения светового потока, так как напряжение, снимаемое с термопреобразователя 16, превышает 2 В.

Отключение конвектора производится перекрытием газового баллона вентилем или установкой ручки 5 управления подачей газа на КНЭ в закрытое положение. В данном случае прекращается подача газа на КНЭ и прибор отключается.

Индикатор 15 на передней стенке конвектора в течение 2-3 мин перестает излучать свет за счет инерционности термопреобразователя.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
- использование каталитических нагревательных элементов трубчатого типа для экологически чистого сжигания углеводородных газов;
- применение пьезоэлектрического розжига горелочного устройства для запуска прибора;
- автоматическая стабилизация расхода углеводородного газа, подаваемого в конвектор;
- использование термоэлектрического преобразователя, устанавливаемого на каталитический нагревательный элемент и генерирующего электроэнергию для индикатора (эл. лампочка) режимов работы;
- применение терморегулятора для обеспечения безопасной работы конвектора.

Сущность преобразования иллюстрируется конкретной технической реализацией устройства и результатами испытаний.

Пример 1. Конвектор каталитический газовый.

Габаритные размеры конвектора, мм, не более:
Высота - 664
Ширина - 225
Длина - 534
Наружный диаметр выходного штуцера конвектора, мм - 12 - 0,2
Масса конвектора, кг, не более - 12,8
Техническая характеристика конвектора.

Номинальная тепловая мощность, кВт - 3+0,3
Потребляемое топливо - Смесь газовая (пропан-бутан)
Номинальный расход смеси газовой по объему, м³/ч:
В рабочем режиме - 0,108±0,005
В режиме розжига, не более - 0,27
Рабочее давление смеси газовой на входе конвектора, Па± - 2000 - 3000
Рабочее давление смеси газовой на входе коллектора в рабочем режиме, Па - 2000±200
Температура нагрева поверхности каталитических нагревательных элементов, ^oС - 450 - 550
Конвектор может работать в следующих режимах:
1) розжига (запуск прибора);
2) беспламенного каталитического сжигания газа (в рабочем режиме);
3) отключения подвода газа при снижении температуры поверхности КНЭ до (300±20)^oС (отключение прибора);
4) автоматического снижения расхода газа в режиме розжига при повышении температуры продуктов сгорания газа до (270±20)^oС;
Результаты испытаний конвектора
Расход сжигаемого газа - 0,108 м³/час;
Температура отходящих газов - 200^oС
Состав газов, выходящих из конвектора
СО - 2 - 3 ppm
NO - Нет
С₃Н₈+С₄Н₁₀ - 6-8 ppm
О₂ - -
Как следует из приведенного примера, предлагаемое изобретение обеспечивает достижение следующего технического результата: возможность создания устройства для экологически чистого сжигания сжиженного газа для получения тепла при отоплении бытовых помещений.

Тепловая мощность конвектора обеспечивается путем беспламенного каталитического сжигания смеси газовой в КНЭ диффузионно-конвективного типа при температуре 450-550^oС с образованием безвредных для человека продуктов сгорания: углекислого газа и паров воды. Это достигается за счет применения каталитических нагревательных элементов и автоматической стабилизации расхода газа.

Изобретение относится к бытовой энергетике, ее отраслям, связанным с бытовыми нагревательными приборами небольшой мощности, работающими на сжиженном газе и используемыми для периодического отопления помещений бытового назначения с естественной вентиляцией. Конвектор каталитический газовый для периодического отопления помещений бытового назначения с естественной вентиляцией состоит из корпуса, внутри которого расположены каталитические нагревательные элементы трубчатого типа, система запуска конвектора, стабилизатор расхода газа, термоэлектрический преобразователь, датчик терморегулятора, трубопроводы для подачи газа. Техническим результатом является создание нового типа нагревательного устройства, обеспечивающего эффективное экологически чистое сжигание углеводородных газов и безопасную эксплуатацию устройства за счет использования новых принципов организации работы прибора. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Конвектор каталитический газовый для периодического отопления помещений бытового назначения с естественной вентиляцией, состоящий из корпуса, внутри которого расположены каталитические нагревательные элементы трубчатого типа, система запуска конвектора, стабилизатор расхода газа, термоэлектрический преобразователь, датчик терморегулятора, трубопроводы для подачи газа. 2. Конвектор по п. 1, в котором каталитический нагревательный элемент представляет собой трубчатую конструкцию, состоящую из заглушенной с одной стороны газораспределительной трубки, на поверхность которой в спеченном с нею состоянии нанесен слой каталитически активного материала, обеспечивающего экологически чистое окисление углеводородного газа. 3. Конвектор по п. 1, в котором используется автоматический регулятор расхода газа. 4. Конвектор по п. 1, в котором имеется смотровое окно, световой электрический индикатор режима работы, отверстие для забора воздуха, решетка для выхода горячих газов, ручки управления подачей газа, кнопки терморегулятора и системы пьезорозжига для запуска пламенной горелки. 5. Конвектор по п. 1 или 2, в котором каталитические нагревательные элементы расположены вертикально один под другим с зазорами между ними и корпусом конвектора. 6. Конвектор по п. 1 или 2, в котором на поверхности каталитического нагревательного элемента установлен термоэлектрический преобразователь для генерации электрической энергии.