КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ИМИТАТОР Российский патент 2008 года по МПК F41H13/00 F23D14/18 

Изобретение относится к области военной техники и может быть использовано для имитации тепловых излучений военных объектов, а также для обогрева личного состава, в качестве инфракрасных маяков, прогрева техники и т.п.

Известна каталитическая печь КФП-1-180, работающая на бензине, имеющая круглую плоскую каталитическую насадку с излучающей поверхностью диаметром 180 мм. Конструкция печи на допускает возможность работы на тяжелых углеводородных топливах, транспортировку в заправленном состоянии и наклоны на углы более 25 градусов. (Каденаци Б.М., Сакеев В.И. и др. Глубокое каталитическое окисление углеводородов: сборник, - М.: Наука, 1981, т.18, стр.124-133).

По патенту Великобритании каталитический нагреватель имеет каталитическую насадку в виде цилиндра, во внутрь которого подается газовоздушная смесь из газовой горелки (Патент 1602196, Великобритания, МКН 3 F 23 D 14/18 каталитические нагреватели). Отсутствие на снабжении наших войск газового топлива делает использование такого нагревателя в средствах имитации невозможным.

Известен «имитатор тепловой каталитический» (патент РФ №2115084 6 F41Н 13/00 - прототип), выполненный в виде прямоугольного модуля и включающий конструктивно топливный бак, плоскую каталитическую насадку с системой электрического запуска и фитильно-испарительную систему.

Недостатками, выявленными в процессе эксплуатации этого имитатора в войсках, являются:

- невозможность работы на основных войсковых жидких топливах - дизельном топливе и керосине, низкая удельная теплопроизводительность;

- использование только одного способа теплопередачи - радиационного, что исключает возможность воспроизведения тепловых полей сложной формы и имеющих локальные неоднородности;

- невозможность регулировки теплопроизводительности, что не позволяет воспроизводить динамику теплового состояния реальных объектов;

- сложная, требующая дорогостоящей оснастки технология производства.

Задачами предлагаемого технического решения являются:

- обеспечение возможности работы имитатора не только на бензине, но и на других видах жидких топлив: керосине, дизтопливе, спиртах и т.п.;

- повышение удельной теплопроводительности, позволяющей сократить массогабаритные характеристики имитаторов;

- обеспечение ступенчатой и плавной регулировки теплопроизводительности, а также возможность передачи тепловой энергии не только радиационным, но и контактным способом;

- упрощение технологии и снижение стоимости производства.

Решение указанных задач достигается тем, что имитатор содержит два имеющих между собой разъемное соединение цилиндрических стакана, в одном из которых (катализаторном), имеющем перфорации в стенках, размещаются цилиндрический катализаторный блок, внутренняя полость которого является испарительной камерой, и системы электрического и огневого запуска, а в другом (топливном) - топливо, подаваемое при работе в катализаторный блок с помощью фитиля в виде шнура из термостойких продольно уложенных волокон, помещенных в сетчатую или перфорированную трубку, закрепленную в крышке стакана.

Возможность работы имитатора на тяжелых углеводородных топливах обеспечена тем, что помимо применения четырехкомпонентного содержащего палладий катализатора в конструкции испарительной камерой является внутренняя полость катализаторного блока. На фитиле фокусируется излучение всего объема катализатора, чем достигается температура, обеспечивающая испарение даже самых тяжелых фракций топлива. Высокая температура фитиля повышает его производительность по подаче топлива за счет дополняющего капиллярность явления термодиффузии.

Цилиндрическая форма катализаторного блока позволяет получить по сравнению с плоской более высокие (в 2-2,5 раза) удельные энергетические характеристики, т.к. при этом значительно улучшаются условия подвода кислорода и вывода продуктов сгорания с каждой точки поверхности катализатора. Увеличение удельной мощности имитатора достигается также тем, что переотражение части излучения стенками стакана обеспечивает оптимальный режим работы катализатора даже в условиях низких температур окружающего воздуха и сильного ветра, благодаря чему также резко повышаются экологические характеристики имитатора.

В предлагаемой конструкции регулировка теплопроизводительности обеспечивается двумя способами: при первом (ступенчатом) способе часть фитиля в полости катализатора экранируется сменной втулкой, от длины которой и зависит объем подаваемого в катализатор топлива. При втором (плавном) - перемещение вдоль оси установленного на стаканах кожуха открывает и закрывает перфорации катализаторного стакана, плавно увеличивая и уменьшая объем поступающего в катализатор воздуха. Необходимость наличия двух способов изменения теплопроизводительности вызвана тем, что максимально допустимый расход топлива на единицу объема катализатора для разных топлив может отличаться на 50-100%. Это же касается и минимального расхода, когда при смене топлива автотермическая реакция может прекращаться. Изменение расхода топлива с одновременным изменением объема подаваемого воздуха и частью катализатора, участвующей в реакции, расширяет пределы работы имитатора при соблюдении всех экологических требований.

В известных каталитических тепловых имитаторах используется лишь тепловое излучение, направляемое в сторону оптико-электронных средств разведки и наведения оружия или на подлежащие нагреву поверхности ложных объектов. В предлагаемом техническом решении поверхность имитатора имеет высокую температуру, что позволяет использовать при теплообмене не только излучение, но и теплопроводность. Передача тепла через контакт с поверхностью значительно повышает качество имитации и расширяет область применения имитатора.

Особенностью предлагаемого технического решения является технологическая простота его реализации. Конструкция имитатора практически не содержит оригинальных сложных в производстве деталей. В отличие от всех имеющихся каталитических источников тепла имитаторы для своего производства не требуют сложной технологической оснастки, т.к. в качестве основных элементов их конструкций (стаканов, соединительных втулок, крышек) могут быть использованы аэрозольные баллончики для средств бытовой химии, косметики и т.п., а также другие выпускаемые миллионными тиражами цилиндрические изделия упаковочной отрасли, в том числе и бывшие в употреблении.

На фиг.1 представлена конструкция имитатора, изготовленного с использованием баллончиков аэрозольных средств бытовой химии. Ее основу составляют два стакана: катализаторный (2) и топливный (14), соединяемые втулкой (12). Катализаторный стакан имеет перфорации (4) стенок для поступления кислорода воздуха к размещенному внутри него с радиальным зазором катализаторному блоку, представляющему собой пустотелый цилиндр, образованный двумя слоями катализатора (5) и армированный наружной (3) и внутренней (6) сетками. Вместо внутренней сетки может быть применена перфорированная металлическая трубка. Центровка катализаторного блока внутри стакана может быть обеспечена отогнутыми бортами его наружной сетки. Рядом с катализаторным блоком имеется устройство запуска имитатора огневым способом. В его состав входят: сетчатое кольцо (11), термостойкая гигроскопическая кольцевая набивка (18), отверстие (10) в стенке стакана для заливки и поджига пускового топлива. Вся сборка в стакане удерживается запрессованной в катализаторный стакан соединительной втулкой.

Система электрозапуска представляет собой уложенный между слоями катализатора проволочный электронагреватель (17), рассчитанный на напряжение 12 или 24 вольт, с клеммами (1), выведенными в торцевую (донную) часть стакана.

Топливный стакан, заполненный гигроскопическим материалом (20), имеет крышку (19), в которой закреплен фитиль, представляет собой сетчатую или перфорированную трубку (7) с помещенным в ней шнуром (8) из термостойких, продольно уложенных волокон. Для заливки топлива в крышке имеются отверстия (15), а свободный конец шнура фитиля помещен внутри топливного стакана на всю его глубину. На часть фитильной трубки, входящую в полость катализаторного блока, могут быть надеты втулки (9) различной длины, которые, экранируя фитиль, могут определять теплопроизводительность имитатора. Глухая втулка, закрывающая фитиль полностью, используется для исключения испарения топлива в неработающем имитаторе.

На донной части топливного стакана имеется кольцо (16) из материала с низкой теплопроводностью, предназначенное для предохранения рук от ожогов при работе с имитатором. Для плавной регулировки теплопроизводительности в конструкции предусмотрен кожух (13), перемещение которого вдоль оси может закрывать и открывать перфорированную часть катализаторного стакана.

Возможность изменения количества подаваемого в зону каталитической реакции окисления топлива без сменных втулок обеспечена в конструкции имитатора, представленной на фиг.2. Она отличается тем, что топливный стакан с фитилем находится внутри катализаторного и может перемещаться вдоль оси, изменяя таким образом длину фитиля, находящуюся внутри катализаторного цилиндра. Герметизация соединения стаканов, а также фиксация их взаимного положения достигаются запрессованной в катализаторный стакан уплотнительной втулкой (на фиг.2 - втулка). Такая конструкция позволяет иметь в зависимости от условий применения имитатора несколько заданных положений фитиля с помощью простых технических решений, например шариковым пружинным фиксатором, выигрывает она у вышеизложенной и с точки зрения дизайна.

Работает предлагаемый имитатор следующим образом: после присоединения заправленного топливного стакана с пропитанным топливом фитилем к катализаторному стакану запуск имитатора осуществляется электрическим или огневым способом. В первом случае на клеммы подается постоянное или переменное напряжение 12 (24) В в течение 1-2 минут. Начало работы определяется по возрастающему тепловому потоку из перфорированной части катализаторного корпуса. Во втором - необходимо через отверстие в корпусе залить 10-15 мл пускового топлива на сетку и поднести к отверстию спичку. Пары топлива, сгорая между катализатором и перфорированной стенкой стакана, обеспечат быстрый разогрев катализатора до температуры запуска (200-300°С). Начавшийся процесс автотермического глубокого окисления (беспламенного горения) продолжается либо до прекращения подачи воздуха к наружной поверхности катализатора, либо до выработки всего объема топлива. Необходимая тепловая мощность имитатора может быть достигнута установкой перед запуском соответствующей втулки на фитильной трубке, а в процессе работы - перемещением кожуха. Экстренное выключение имитатора можно выполнить разъединением стаканов между собой, что вызывает прекращение подачи топлива и быстрое охлаждение катализатора, обычное - перекрытием подачи воздуха с помощью кожуха. После выключения имитатор для исключения испарения топлива и его миграции в катализатор на фитильную трубку необходимо установить глухую втулку, после чего соединить стаканы.

Некоторые параметры конструкции имитатора могут быть определены по формулам. Диаметр фитиля, обеспечивающего подачу топлива в зону катализа, определяется по формуле

D=K₁P,

где D - диаметр фитиля,

Р - максимальная тепловая мощность имитатора,

K₁ - эмпирический коэффициент, учитывающий капиллярные характеристики фитиля.

Радиальный воздушный зазор b между катализаторным блоком и перфорированной стенкой стакана, обеспечивающий направленное движение потока воздуха, подающего в катализатор кислород и отводящего отработанные газы, а также работу огневой системы запуска, может быть определен по формуле

b=K₂D,

где D - диаметр стакана,

K₂ - эмпирический коэффициент, определяемый типом используемого для запуска топлива, теплоемкостью материала стакана, высотой катализаторного блока, размерами, формой и количеством перфораций.

Эффективность изобретения заключается в значительном повышении качества тепловой имитации за счет более полной детализации имитируемых тепловых полей, возможности расширения типажа имитируемых объектов, легко достигаемой недешифрируемости в видимом диапазоне спектра даже при установке в малогабаритных объектах, в возможности работать практически на всех видах жидких топлив, имеющихся в войсках. Кроме задач тепловой имитации, предлагаемое устройство может быть использовано как индивидуальное средство обогрева личного состава (грелка), а также для разогрева и поддержания в состоянии теплового резерва двигателей, агрегатов и узлов военной техники.

Возможность организации производства имитаторов без изготовления дорогостоящей оснастки и специального оборудования, простота конструкции и ориентированность на использование изделий упаковочной отрасли в качестве основных конструктивных элементов делают экономические показатели внедрения таких имитаторов очень высокими. Следует учитывать, что предлагаемое устройство может быть использовано и в народном хозяйстве, т.е. является средством двойного применения.

На момент составления описания изобретения изготовлено несколько экспериментальных образцов имитаторов тепловой мощностью от 140 до 500 Вт и проведены их испытания, полностью подтвердившие выше приведенные характеристики.

Изобретение относится к области военной техники и может быть использовано для имитации тепловых излучений военных объектов, а также для обогрева личного состава, использования в качестве инфракрасных маяков, прогрева техники и т.п. Предлагаемое устройство конструктивно включает в себя два имеющих разъемное соединение цилиндрических стакана, в одном из которых, имеющем перфорации в стенках, размещаются цилиндрический катализаторный блок, внутренняя полость которого является испарительной камерой, и системы электрического и/или огневого запуска, а в другом - топливо, подаваемое при работе в катализаторный блок с помощью фитиля в виде шнура из термостойких волокон, помещенных в сетчатую или перфорированную трубку. Изобретение в отличие от аналогов может работать на бензине, керосине, спирте, дизельном топливе и других жидких углеводородных топливах и позволяет регулировать теплопроизводительность, обладает возможностью передачи тепловой энергии не только излучением, но и теплопроводностью через контакт с объектом. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Каталитический тепловой имитатор, содержащий катализаторный блок, испарительную камеру и фитиль, отличающийся тем, что он выполнен в виде двух цилиндрических стаканов, имеющих между собой разъемное соединение, в одном из которых выполнены перфорации в стенках и размещены катализаторный блок, выполненный цилиндрическим с внутренней полостью, которая является испарительной камерой, и системы электрического и/или огневого запуска, а в другом - гигроскопический наполнитель и топливо, подаваемое в полость катализаторного блока при помощи фитиля.2. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что фитиль выполнен из термостойкого волоконного шнура и помещен внутри сетчатой или перфорированной трубки со сменными втулками.3. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что система огневого запуска образована закрываемым металлической сеткой кольцевым гигроскопическим термостойким наполнителем, отверстием в стенках стакана и воздушным радиальным зазором между наружной поверхностью катализаторного блока и перфорированной стенкой стакана.4. Имитатор по п.3, отличающийся тем, что он содержит кожух, выполненный с возможностью перемещения вдоль оси стаканов.5. Имитатор по п.4, отличающийся тем, что стакан с топливом и фитилем расположен внутри стакана с катализаторным блоком и имеет возможность осевого перемещения и фиксации.6. Имитатор по п.1, отличающийся тем, что стаканы выполнены из баллончиков для аэрозольных средств бытовой химии, косметики или других цилиндрических металлических изделий, в том числе и бывших в употреблении.