БЕСПЛАМЕННЫЙ БЕНЗИНОВЫЙ ОТОПИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F23D14/12 F23C3/00 F23C99/00 F24H1/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к беспламенному бензиновому отопителю и способу обеспечения процесса теплом.

Предпосылки создания изобретения

Беспламенные бензиновые отопители описаны в патенте США 7025940. Патент описывает технологический отопитель, использующий беспламенное горение, которое достигается предварительным нагревом топлива и воздуха для горения до температуры выше температуры самовоспламенения смеси. Топливо вводится в относительно малых приращениях с течением времени через множество отверстий в канале топливного газа, которые обеспечивают связь между каналом топливного газа и камерой реакции окисления. Как описано в патенте, технологическая камера находится в теплообменной взаимосвязи с камерой реакции окисления.

Беспламенные бензиновые отопители обеспечивают несколько преимуществ по сравнению с традиционными огневыми отопителями, как описано в вышеупомянутом патенте. Однако беспламенные бензиновые отопители могут столкнуться с трудностями, связанными со смешиванием топлива и окислителя в камере реакции окисления.

Максимальные температуры могут иметь место возле каждого отверстия в топливном канале, и это неравномерное нагревание вызывает неравномерное тепловое расширение топливного канала. Следовательно, топливный канал имеет тенденцию к изгибу, причем изгиб располагает отверстия топливного канала близко к стенке камеры реакции окисления и может приводить к появлению мест перегрева, которые могут привести к разрушению стенки камеры реакции окисления.

Кроме того, топливо, проходя сквозь отверстия, может проявлять реактивный эффект, когда оно попадает в камеру реакции окисления. Если стенка камеры реакции окисления располагается слишком близко к отверстию, тогда топливо будет соударяться непосредственно со стенкой. Это требует того, чтобы минимальное расстояние поддерживалось между наружной поверхностью топливного канала и внутренней поверхностью камеры реакции окисления.

Сущность изобретения

Изобретение обеспечивает беспламенный бензиновый отопитель, содержащий: окислительный канал и топливный канал, имеющий множество центраторов, прикрепленных к внешней стенке топливного канала, в котором, по меньшей мере, один центратор или участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала.

Изобретение также обеспечивает способ обеспечения тепла для технологического канала, содержащий обеспечение окислительного канала; обеспечение топливного канала, имеющего множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде из топливного канала в окислительный канал, и множество центраторов, прикрепленных к топливному каналу, в котором, по меньшей мере, один центратор или участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала; обеспечение технологического канала в теплообменной взаимосвязи с окислительным каналом; введение топлива в топливный канал; введение окислителя в окислительный канал; и введение топлива в окислительный канал через множество отверстий так, что протекает беспламенное горение в окислительном канале.

Краткое описание чертежей

Фиг.1А представляет собой двухтрубный беспламенный бензиновый отопитель с наклонными центраторами.

Фиг.1B представляет собой внешний вид топливного канала с наклонными центраторами.

Подробное описание изобретения

Изобретение обеспечивает беспламенный бензиновый отопитель, который используется в прямом переносе тепловой энергии, высвобожденной беспламенным горением топлива. Отопитель имеет множество возможных использований и применений, включая в себя нагрев подземных сооружений и нагрев технологических потоков. Беспламенные бензиновые отопители особенно полезны в сочетании с процессами, которые осуществляют эндотермические реакции, например, дегидрированием алкилароматических смесей и риформингом парового метана. Изобретение обеспечивает беспламенный бензиновый отопитель с улучшенной конструкцией центраторов, прикрепленных к внешней стенке топливного канала. Центраторы являются выступами, прикрепленными к внешней стенке топливного канала для предотвращения контакта между топливным каналом и окислительным каналом.

Настоящее изобретение решает вышеупомянутые проблемы. Использование наклонных центраторов приводит к улучшенному смешиванию топлива и воздуха внутри отопителя, снижает или устраняет максимальные температуры и помогает предотвратить соударение топлива с внутренней поверхностью окислительного канала.

Беспламенное горение в отопителе может быть выполнено предварительным нагревом потока окислителя и потока топлива достаточным, чтобы, когда два потока объединены, температура смеси превышала температуру самовоспламенения смеси, но температура смеси была ниже температуры, которая приведет к окислению при смешивании, причем ограниченной скоростью смешивания, как описано в патенте США 7025940, который включен сюда путем ссылки. Температура самовоспламенения смеси зависит от типов топлива и окислителя и соотношения топливо/окислитель. Температура самовоспламенения смесей, используемых в беспламенном бензиновом отопителе, может находиться в пределах от 850°C до 1400°C. Температура самовоспламенения может быть снижена, если катализатор окисления используется в отопителе, так как этот тип катализатора эффективно понижает температуру самовоспламенения смеси.

Топливный канал предусматривает контролируемую скорость введения топлива в окислительный канал таким образом, чтобы обеспечить требуемое тепловыделение. Тепловыделение определяется частично расположением и количеством отверстий, которые могут быть выполнены специализированно для каждого применения отопителя. Тепловыделение может быть постоянным по длине отопителя, или оно может уменьшаться или увеличиваться по длине отопителя.

Так как нет видимого пламени, связанного с беспламенным горением топлива, реакция беспламенного горения протекает при более низкой температуре, чем температура, наблюдаемая в традиционных огневых отопителях. Вследствие более низких наблюдаемых температур и эффективности прямого нагрева отопитель может быть сконструирован с использованием более дешевых материалов, приводя к сниженным капитальным расходам.

Беспламенный бензиновый отопитель имеет два основных элемента: окислительный канал и топливный канал. Окислительный канал может представлять собой трубу или магистраль, которая имеет впускное отверстие для окислителя и выпускное отверстие для продуктов окисления и проток между впускным отверстием и выпускным отверстием. Подходящие окислители включают в себя воздух, кислород и закись азота. Окислитель, который вводится в окислительный канал, может быть предварительно нагрет, чтобы, когда он смешан с топливом, смесь находилась при температуре выше температуры самовоспламенения смеси. Окислитель может нагреваться за пределами беспламенного бензинового отопителя. Альтернативно, окислитель может нагреваться внутри отопителя посредством теплообмена с любым из потоков внутри отопителя. Окислительный канал может иметь внутренний диаметр от около 2 см до около 20 см. Однако окислительный канал может быть больше или меньше, чем этот диапазон, в зависимости от требований к отопителю.

Топливный канал переносит топливо в отопитель и вводит его в окислительный канал. Топливный канал может представлять собой трубу или магистраль, которая имеет впускное отверстие для топлива и множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде из топливного канала в окислительный канал. Топливный канал может быть расположен внутри окислительного канала и окруженным им. Топливо проходит через отверстия и в окислительный канал, где оно смешивается с окислителем и приводит к беспламенному горению. Топливный канал может иметь внутренний диаметр от около 1 см до около 10 см, предпочтительно от около 1,5 см до 5 см. Однако в зависимости от конструкции топливный канал может иметь диаметр больше 10 см и меньше 1 см.

Отверстия могут быть просверлены или прорезаны в стенке топливного канала. Стенка топливного канала обычно имеет толщину от около 0,25 см до около 2,5 см. Отверстия могут иметь сечения, которые являются круглыми, эллиптическими, прямоугольными, другой формы или даже неправильной формы. Отверстия предпочтительно имеют круглое сечение.

Отверстия могут иметь площадь сечения от около 0,001 см² до около 2 см², предпочтительно от около 0,03 см² до около 0,2 см². Размер отверстий определен требуемой скоростью подачи топлива в окислительный канал, но слишком маленькие отверстия могут привести к засору. Отверстия могут быть расположены вдоль топливного канала на расстоянии от 1 см до 100 см в осевом направлении от любого другого отверстия. Отверстия предпочтительно разнесены на от 15 см до 50 см в осевом направлении. Отверстия могут быть расположены в их соответствующих радиальных плоскостях в различных расположениях по длине топливного канала. Например, положение отверстий может чередоваться через 180° в радиальной плоскости по длине топливного канала, или они могут чередоваться через 120° или 90°. Следовательно, положение отверстий в топливном канале может быть таким, что их расположение в радиальной плоскости чередуется по длине топливного канала, причем их расположения отделены на интервал от 30° до 180°. Для радиального расположения отверстий предпочтительно чередоваться через от 60° до 120° по длине топливного канала.

В одном варианте выполнения спеченная пластина может использоваться в дополнение к отверстиям, чтобы обеспечить сообщение по текучей среде из топливного канала к зоне окисления, и отверстия в спеченной пластине могут иметь диаметр приблизительно 10-100 микрон.

Различные отверстия по длине отопителя обычно имеют одинаковую площадь сечения. Альтернативно, площадь сечения отверстий может быть различной, чтобы обеспечить требуемое тепловыделение. Отверстия обычно имеют одинаковую форму. Альтернативно, отверстия могут иметь различные формы.

Расположение центраторов важно для конструкции и работы отопителя; и центраторы могут быть наклонены, чтобы давать различные профили температур и преодолевать проблемы, которые возникают из-за гидроаэродинамики и динамики смешивания системы отопителя. Каждый центратор имеет проксимальный конец, конец, наиболее близкий к топливному впускному отверстию, и дистальный конец, конец, наиболее удаленный от топливного впускного отверстия.

Центраторы могут быть треугольными, прямоугольными, полукруглыми и любой другой формы. Центраторы могут быть выполнены из или покрыты материалом, который мягче материала, используемого для окислительного канала, таким образом, центраторы не повреждают окислительный канал, когда топливный канал устанавливается или удаляется. Например, центраторы могут быть выполнены из более мягкого металла или керамики.

Топливный канал имеет продольную ось, образованную линией, соединяющей центры сечений канала. По меньшей мере, один из центраторов наклонен относительно продольной оси топливного канала. Центратор может располагаться под любым углом, который не параллелен и не перпендикулярен продольной оси топливного канала. Центратор, который не параллелен и не перпендикулярен продольной оси топливного канала, в дальнейшем называется наклонным центратором.

Наклонный центратор может быть наклонен так, что угол, образованный между центратором и продольной осью топливного канала, меньше 90°. Наклонный центратор может быть наклонен так, что угол, образованный между центратором и продольной осью топливного канала, меньше 60° или предпочтительно меньше 45°.

Расположение наклонных центраторов выше по ходу (ближе к окислительному впускному отверстию) отверстия топливного канала вызывает течение окислителя в частично тангенциальном направлении, когда он проходит отверстие топливного канала. Эта тангенциальная составляющая потока снижает реактивный эффект и уменьшает минимальное расстояние, требуемое между каналами. Частично тангенциальный поток также способствует улучшенному смешиванию и более равномерному радиальному профилю температур. Тепло распределяется более равномерно вокруг периферии топливного канала.

Наклонные центраторы могут быть прямыми или изогнутыми, чтобы обеспечить требуемые параметры потока окислителя в окислительном канале. Прямым центратором является центратор, в котором центратор расположен в одной геометрической плоскости. Изогнутый центратор, с другой стороны, имеет участки, которые расположены, по меньшей мере, в двух непараллельных геометрических плоскостях. Если центратор является изогнутым, то участок центратора может быть параллелен продольной оси топливного канала.

Фиг.1А и 1В изображают беспламенный бензиновый отопитель 10 с наклонными центраторами 16, как описано выше. Отопитель 10 имеет топливный канал 12 и окислительный канал 14. Этот тип отопителя называется двухтрубный отопитель. Топливный канал 12 является цилиндрической магистралью, которая имеет впускное отверстие 24 для топлива и множество отверстий 20. Окислительный канал 14 является цилиндрической магистралью, которая имеет впускное отверстие 26 для предварительно нагретого окислителя и выпускное отверстие 30 для продуктов горения. Альтернативно, окислитель может входить через 30 и продукты горения могут выпускаться через 26. В работе топливо входит в топливный канал 12 через впускное отверстие 24 и затем смешивается с окислителем в окислительном канале 14 после того, как он пройдет через отверстия 20. Предпочтительно наклонный центратор располагается выше по ходу (ближе к окислительному впускному отверстию) каждого отверстия 20.

Беспламенный бензиновый отопитель может функционировать при различных условиях, зависящих от конкретной конструкции отопителя и применения отопителя. Различные примеры и условия описаны в патенте США 5255742 и патенте США 7025940, которые включены сюда путем ссылки.

Беспламенный бензиновый отопитель может использоваться в устройстве дегидрирования этилбензола. Технологическое исходное сырье, содержащее пар и этилбензол, подается в реактор дегидрирования. Реактор дегидрирования содержит подходящий катализатор дегидрирования, который может являться катализатором на основе оксида железа и обеспечивает средство для спекания технологического исходного сырья с катализатором дегидрирования. Отработанная технологическая вода реактора дегидрирования выпускается из реактора дегидрирования и вводится в беспламенный бензиновый отопитель. Так как реакция дегидрирования является эндотермической реакцией, то отработанная технологическая вода реактора дегидрирования будет иметь более низкую температуру, чем температура технологического исходного сырья для реактора дегидрирования. Беспламенный бензиновый отопитель используется для нагрева отработанной технологической воды реактора дегидрирования перед тем, как она вводится в реактор дегидрирования второй ступени. Отработанная технологическая вода реактора дегидрирования выпускается из реактора второй ступени. Процесс дегидрирования может осуществляться с более чем двумя реакторами, в этом случае беспламенный бензиновый отопитель может быть помещен перед каждым дополнительным реактором.

Беспламенный бензиновый отопитель, описанный здесь, может быть использован в любом применении с любым изменением описанных особенностей расположения центратора.

Изобретение относится к беспламенному бензиновому отопителю. Беспламенный бензиновый отопитель содержит: окислительный канал и топливный канал, имеющий множество центраторов, прикрепленных к внешней стенке топливного канала, в котором, по меньшей мере, один центратор или участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала. По меньшей мере, один центратор наклонен менее чем на 90° относительно продольной оси топливного канала. По меньшей мере, один центратор изогнут так, что, по меньшей мере, участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала. Все или большинство центраторов наклонены относительно продольной оси топливного канала. Центраторы выполнены из материала, отличающегося от материала стенки окислительного канала. Центраторы покрыты материалом, отличающимся от материала стенки окислительного канала. Центратор имеет треугольную форму. Изобретение позволяет улучшить смешивание топлива и воздуха, снизить или устранить максимальные температуры, помогает предотвратить соударение топлива с внутренней поверхностью окислительного канала. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Беспламенный бензиновый отопитель, содержащий: окислительный канал и топливный канал, имеющий множество центраторов, прикрепленных к внешней стенке топливного канала, в котором, по меньшей мере, один центратор или участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала.

2. Отопитель по п.1, в котором, по меньшей мере, один центратор наклонен менее чем на 90° относительно продольной оси топливного канала.

3. Отопитель по п.1, в котором, по меньшей мере, один центратор изогнут так, что, по меньшей мере, участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала.

4. Отопитель по любому из пп.1-3, в котором все или большинство центраторов наклонены относительно продольной оси топливного канала.

5. Отопитель по любому из пп.1-3, в котором центраторы выполнены из материала, отличающегося от материала стенки окислительного канала.

6. Отопитель по любому из пп.1-3, в котором центраторы покрыты материалом, отличающимся от материала стенки окислительного канала.

7. Отопитель по любому из пп.1-3, в котором центратор имеет треугольную форму.

8. Способ обеспечения тепла в технологическом канале, содержащий:
обеспечение окислительного канала;
обеспечение топливного канала, имеющего множество отверстий, которые обеспечивают сообщение по текучей среде из топливного канала в окислительный канал, и множество центраторов, прикрепленных к топливному каналу, в котором, по меньшей мере, один центратор или участок центратора наклонен относительно продольной оси топливного канала;
обеспечение технологического канала в теплообменной взаимосвязи с окислительным каналом;
введение топлива в топливный канал;
введение окислителя в окислительный канал; и
введение топлива в окислительный канал через множество отверстий так, что протекает беспламенное горение в окислительном канале.