АВТОНОМНЫЙ МОДУЛЬ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ НАСЕЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F24H6/00 

Настоящее изобретение относится к энергетике, а конкретно к мобильным комбинированным воздухо- и водонагревателям, в частности к передвижным пламенным нагревателям, которые можно использовать в самых различных условиях окружающей среды, например на рабочих площадках, в шахтах, на промышленных складах, а также на временных или постоянных объектах гражданского и военного назначения.

Известен воздухонагреватель, содержащий питатель топлива, камеру сгорания и вентилятор, прикрепленный к камере сгорания теплообменный аппарат в форме трубы [Патент РФ №2145050, F26B 23/02, F24H 3/00, 2000].

Основными недостатками данного воздухонагревателя являются низкая энергоэффективность теплообмена, низкая мобильность, невозможность его функционирования без внешнего источника электрической энергии, что не позволяет использовать его в автономном режиме и снижает экономическую и экологическую эффективность, невозможность одновременного получения комплекса продуктов, таких как нагретый воздух, горячая вода, пар и электроэнергия, что не позволяет использовать его в качестве модуля жизнеобеспечения.

Известен также воздухонагреватель, содержащий цилиндрический корпус, снабженный опорами, внутри которого по ходу движения воздуха коаксиально установлены вентилятор, горелка с инжектором, соединенная с подводящим топливопроводом, цилиндрическая камера сгорания, совмещенная с теплообменником (RU 2611700 С1).

Основными недостатками данного воздухонагревателя являются низкая энергоэффективность теплообмена, невозможность его функционирования без внешнего источника электрической энергии, что не позволяет использовать его в автономном режиме и снижает экономическую и экологическую эффективность, невозможность одновременного получения комплекса продуктов, таких как нагретый воздух, горячая вода, пар и электроэнергия, что не позволяет использовать его в качестве модуля жизнеобеспечения.

Близким к предлагаемому изобретению является переносной воздухонагреватель с горением, содержащий транспортабельную несущую раму, корпус, закрепленный на раме, цилиндрическую камеру сгорания, расположенную в корпусе, питатель топлива, выполненный с. возможностью подачи жидкого топлива в камеру сгорания, теплообменник содержащий каналы для подогреваемого воздуха, связанные с одной стороны с внешней воздушной средой через вентиляционное отверстие с установленным на нем вентилятором, а с другой стороны - с выходным отверстием в корпусе для нагретого воздуха, а также дымовые каналы, связанные с одной стороны с камерой сгорания, а с другой стороны с выхлопным отверстием в корпусе, к которому присоединена выхлопная труба (US 2016/0178237 А1).

Основным недостатками данного воздухонагревателя являются невозможность его функционирования без внешнего источника электрической энергии, что не позволяет использовать его в автономном режиме и снижает экономическую и экологическую эффективность, невозможность одновременного получения комплекса продуктов, таких как нагретый воздух, горячая вода, пар и электроэнергия, что не позволяет использовать его в качестве модуля жизнеобеспечения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение возможности одновременного получения комплекса продуктов, таких как нагретый воздух, теплая вода, горячая вода, пар и электроэнергия, что позволит использовать его в качестве модуля жизнеобеспечения, а также использования в автономном режиме для повышения экономической и экологической эффективности.

Технический результат достигается предлагаемым автономным модулем обеспечения жизнедеятельности населения, включающим транспортабельную несущую раму, корпус, закрепленный на раме, цилиндрическую камеру сгорания, расположенную в корпусе, питатель топлива, выполненный с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, теплообменник содержащий каналы для подогреваемого воздуха, связанные с одной стороны с внешней воздушной средой через вентиляционное отверстие с установленным на нем вентилятором, а с другой стороны - с выходным отверстием в корпусе для нагретого воздуха, а также дымовые каналы, связанные с одной стороны с камерой сгорания, а с другой стороны с выхлопным отверстием в корпусе, к которому присоединена выхлопная труба. Новым является то, что внутри и на цилиндрической поверхности камеры сгорания расположены соответственно каналы для воды меньшего сечения, чем каналы для подогреваемого воздуха, соединенные входными трубопроводами с водяным насосом, размещенным внутри корпуса, вход которого связан с емкостью для воды, каналы для воды соединены с выходными трубопроводами, проходящими через отверстие в корпусе для вывода нагретой воды и пара, к упомянутым трубопроводам через регулировочные вентили подсоединены штуцеры для подсоединения внешних трубопроводов, внутри корпуса размещен топливный генератор электроэнергии, который получает топливо от встроенного или внешнего топливного бака, электрически соединен с вентилятором, питателем топлива, водяным насосом и автоматическим выключателем, выход которого связан с электроустановочным соединением для подключения внешнего потребителя, мощность генератора определяется формулой:

P_г=P_в+P_пт+P_вн+P_вп,

где: Р_в - номинальная мощность вентилятора, Вт; Р_пт - номинальная мощность питателя топлива, Вт; Р_вн - номинальная мощность водяного насоса, Вт; Р_вп - мощность, необходимая внешнему потребителю, Вт, номинальный ток автоматического выключателя, А определяется формулой:

где: U_нг - номинальное напряжение генератора, В,

часть каналов для воды, расположенных внутри камеры сгорания, соединены последовательно, а остальные каналы для воды, расположенные внутри камеры сгорания, соединены параллельно, входные концы упомянутых соединений связаны с водяным насосом, а выходные концы - с трубопроводами для вывода нагретой воды и пара.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены схематичные изображения мобильного автономного модуля жизнеобеспечения с различным соединением каналов для воды, расположенных внутри камеры сгорания. При этом на фиг. 1 показано параллельное соединение, а на фиг. 2 - последовательное соединение каналов для воды.

Предлагаемый автономный модуль обеспечения жизнедеятельности населения содержит транспортабельную несущую раму 1, корпус 2, закрепленный на несущей раме 1, цилиндрическую камеру сгорания 3, расположенную в корпусе 2, питатель топлива 4, выполненный с возможностью подачи топлива 5 в камеру сгорания 3, теплообменник 6 с упомянутой камерой сгорания 3, содержащий каналы 7 для подогреваемого воздуха 8, связанные с одной стороны с внешней воздушной средой 9 через вентиляционное отверстие 10 с установленным на нем вентилятором 11, а с другой стороны - с выходными отверстиями 12 в корпусе 2 для нагретого воздуха 13, а также дымовой канал 14, связанный с одной стороны с камерой сгорания 3, а с другой стороны с выхлопным отверстием 15 в корпусе 2, к которому присоединена выхлопная труба 16. Каналы 7 для подогреваемого воздуха 8 аксиально и равномерно концентрически распределены вдоль цилиндрической поверхности 18 камеры сгорания 3. Новым является то, что внутри и на цилиндрической поверхности 18 камеры сгорания 3 расположены соответственно каналы для воды 17 и каналы для воды 17', меньшего сечения, чем каналы 7 для подогреваемого воздуха 8, соединенные входными трубопроводами 19 с водяным насосом 20, размещенным внутри корпуса 2, вход которого связан с емкостью для воды 21. Каналы для воды 17 и 17' соединены с выходными трубопроводами 22 и 22', проходящими через отверстия в корпусе 2 для вывода нагретой воды и пара, к упомянутым трубопроводам через регулировочные вентили 23 и 23' подсоединены штуцеры 24 и 24' для подсоединения внешних трубопроводов потребителя. Теплообменник состоит из камеры сгорания 3, каналов для подогреваемого воздуха 7, каналов для воды 17 и 17'.

Каналы для воды 17, расположенные внутри камеры сгорания 3, аксиально и равномерно концентрически распределены вдоль цилиндрической поверхности 18 камеры сгорания 3. При этом на фиг. 1 показано параллельное соединение каналов для воды 17, а на фиг. 2 - последовательное соединение данных каналов с помощью замыкающего трубопровода 22". Каналы для воды 17', расположенные на цилиндрической поверхности 18 теплообменника 6, наложены на указанную поверхность в форме спирали, ось которой совпадает с осью цилиндрического теплообменника 6.

Внутри корпуса 2 размещен топливный генератор электроэнергии 25, который связан топливопроводом 26 с встроенным или внешним топливным баком 27, содержащим топливо 5, электрически соединен с помощью линий электропередачи 28 с вентилятором 11, питателем топлива 4, водяным насосом 20 и автоматическим выключателем 29, выход которого связан с электроустановочным соединением 30 для подключения внешнего потребителя, мощность Р_г топливного генератора электроэнергии 25 определяется формулой:

где: Р_в - номинальная мощность вентилятора 11, Вт; Р_пт - номинальная мощность питателя топлива 4, Вт; Р_вн - номинальная мощность водяного насоса 20, Вт; Р_вп - мощность, необходимая внешнему потребителю, Вт, номинальный ток автоматического выключателя 29, А определяется формулой:

где: U_нг - номинальное напряжение генератора, В, часть каналов для воды 17, расположенных внутри камеры сгорания 3, соединены последовательно (показано на фиг. 2), а остальные каналы для воды 17, расположенные внутри камеры сгорания 3, соединены параллельно (показано на фиг. 1), входные концы упомянутых соединений связаны с водяным насосом 20, а выходные концы - с трубопроводами для вывода нагретой воды и пара 22 и 22'. К питателю топлива 4 подсоединены топливопровод 26 и воздухопровод 32. Наибольший эффект имеет место при размещении параллельно соединенных каналов для воды 17 и последовательно соединенных каналов для воды 17 в общей камере сгорания 3 одного автономного модуля обеспечения жизнедеятельности населения, т.е. если фиг.1 и фиг.2 объединены.

Автономный модуль обеспечения жизнедеятельности населения, представленный на фиг. 1 и фиг. 2, работает следующим образом. Питатель топлива 4 получает электропитание от топливного генератора 25 по линии электропередачи 28 и подготавливает топливно-воздушную смесь 31 из топлива 5, поступающего из топливного бака 27 по топливопроводу 26 и воздуха, поступающего по воздухопроводу 32 из внешней воздушной среды 9. Затем топливно-воздушная смесь 31 поступает в камеру сгорания 3, где производится ее воспламенение с использованием известного электроискрового способа или вручную. В процессе горения топливно-воздушной смеси выделяется тепло и продукты сгорания. Продукты сгорания выбрасываются через дымовой канал 14 и далее - через выхлопную трубу 16 во внешнюю среду. Выделившееся в процессе горения тепло предается через стенки каналов 7 подогреваемому воздуху 8, проходящему через каналы 7, а также воде, проходящей по каналам для воды 17 и 17'. Из корпуса 2 через выходные отверстия 12 выходит нагретый воздух 13. Поток подогреваемого воздуха 8, проходящего через каналы 7, обеспечивается работой вентилятора 11, получающего электропитание от топливного генератора 25 по линии электропередачи 28 и засасывающего воздух 8 из внешней воздушной среды 9 через вентиляционное отверстие 10 (фиг. 1).

Вода всасывается водяным насосом 20, получающим электропитание от топливного генератора 25 по линии электропередачи 28, из емкости для воды 21 и подается по входным трубопроводам 19 в каналы для воды 17, 17'. Вода, протекающая по каналам 17', размещенным на внешней цилиндрической поверхности 18 камеры сгорания 3 нагревается от теплоты, полученной от горения топливно-воздушной смеси 31 до температуры, примерно, 40-50°С (теплая вода) и выдается потребителю через выходные трубопроводы 22, регулировочные вентили 23, штуцеры 24. Вода, протекающая по каналам 17, размещенным внутри камеры сгорания 3, нагревается от теплоты, полученной от горения топливно-воздушной смеси 31 до температуры, примерно, 70-80°С (горячая вода) и выдается потребителю через выходные трубопроводы 22', присоединенные через регулировочные вентили 23' к штуцерам 24'. Регулировкой вентиля 23', связанного с каналами 17, размещенными внутри камеры сгорания 3, можно регулировать скорость потока воды (подачу) в каналах. В зависимости от скорости потока воды будет меняться температура воды, выдаваемой потребителю (чем ниже скорость потока, тем выше температура воды). При снижении скорости потока воды ниже некоторого граничного значения, вода нагреется до температуры более 100°С и потребитель получит водяной пар (фиг. 1).

Для наиболее эффективного получения водяного пара с точки зрения производительности воду пропускают через последовательное соединение каналов для воды 17, размещенных внутри камеры сгорания 3 (показано на фиг. 2). При этом путь прохождения воды через каналы кратно увеличивается, поэтому нагрев воды до температуры парообразования будет происходить при большей подаче, а, следовательно, количество вырабатываемого пара также кратно возрастет.

Для одновременного получения горячей воды и пара внутри камеры сгорания 3 следует пропускать воду одновременно по параллельному соединению каналов для воды 17 внутри камеры сгорания 3 (получение горячей воды) (фиг. 1) и по последовательному соединению каналов для воды 17 внутри камеры сгорания 3 (получение водяного пара) (фиг. 2).

При одновременном пропускании воздуха по каналам 7 и пропускании воды через последовательное и параллельное соединения каналов 17 внутри камеры сгорания, а также через каналы 17', размещенные на цилиндрической поверхности 18 камеры сгорания 3, получаем одновременно четыре продукта: нагретый воздух, теплая вода, горячая вода, водяной пар. Кроме того, потребитель может использовать также часть мощности топливного электрогенератора Р_вп (см. формулу 1), при превышении которой ток, получаемый потребителем, превысит значение I_ав (см. формулу 2) и сработает автоматический выключатель 29.

Таким образом, автономный модуль обеспечения жизнедеятельности населения позволяет получить потребителю одновременно пять продуктов (пентагенерация): нагретый воздух, теплая вода, горячая вода, водяной пар, электроэнергия.

Настоящее изобретение относится к энергетике, а конкретно к мобильным комбинированным воздухо- и водонагревателям, в частности к передвижным пламенным нагревателям, которые можно использовать в самых различных условиях окружающей среды. Автономный модуль обеспечения жизнедеятельности населения включает транспортабельную несущую раму, корпус, закрепленный на раме, цилиндрическую камеру сгорания, расположенную в корпусе, питатель топлива, выполненный с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, теплообменник, содержащий каналы для подогреваемого воздуха, связанные с одной стороны с внешней воздушной средой через вентиляционное отверстие с установленным на нем вентилятором, а с другой стороны - с выходным отверстием в корпусе для нагретого воздуха, а также дымовые каналы, связанные с одной стороны с камерой сгорания, а с другой стороны с выхлопным отверстием в корпусе, к которому присоединена выхлопная труба. Новым является то, что внутри и на цилиндрической поверхности камеры сгорания расположены соответственно каналы для воды меньшего сечения, чем каналы для подогреваемого воздуха, соединенные входными трубопроводами с водяным насосом, размещенным внутри корпуса, вход которого связан с емкостью для воды, каналы для воды соединены с выходными трубопроводами, проходящими через отверстия в корпусе для вывода нагретой воды и пара, к упомянутым трубопроводам через регулировочные вентили подсоединены штуцеры для подсоединения внешних трубопроводов, каналы для воды, расположенные на цилиндрической поверхности теплообменника, наложены на указанную поверхность в форме спирали, ось которой совпадает с осью цилиндрического теплообменника, внутри корпуса размещен топливный генератор электроэнергии, который связан топливопроводом с встроенным или внешним топливным баком, электрически соединен с помощью линий электропередачи с вентилятором, питателем топлива, водяным насосом и автоматическим выключателем, выход которого связан с электроустановочным соединением для подключения внешнего потребителя, мощность генератора определяется формулой P_г=P_в+P_пт+P_вн+P_вп, где Р_в - номинальная мощность вентилятора, Вт; Р_пт - номинальная мощность питателя топлива, Вт; Р_вн - номинальная мощность водяного насоса, Вт; Р_вп - мощность, необходимая внешнему потребителю, Вт, номинальный ток автоматического выключателя, А, определяется формулой

где U_нг - номинальное напряжение генератора, В,

часть каналов для воды, расположенных внутри камеры сгорания, соединены последовательно, а остальные каналы для воды, расположенные внутри камеры сгорания, соединены параллельно, входные концы упомянутых соединений связаны с водяным насосом, а выходные концы - с трубопроводами для вывода нагретой воды и пара. Технический результат заключается в получении потребителем одновременно пяти продуктов (пентагенерация): нагретый воздух, теплая вода, горячая вода, водяной пар, электроэнергия. 2 ил.

Автономный модуль обеспечения жизнедеятельности населения, содержащий транспортабельную несущую раму, корпус, закрепленный на раме, цилиндрическую камеру сгорания, расположенную в корпусе, питатель топлива, выполненный с возможностью подачи топлива в камеру сгорания, теплообменник с упомянутой камерой сгорания, содержащий каналы для подогреваемого воздуха, связанные с одной стороны с внешней воздушной средой через вентиляционное отверстие с установленным на нем вентилятором, а с другой стороны - с выходными отверстиями в корпусе для нагретого воздуха, а также дымовой канал, связанный с одной стороны с камерой сгорания, а с другой стороны с выхлопным отверстием в корпусе, к которому присоединена выхлопная труба, отличающийся тем, что внутри и на цилиндрической поверхности камеры сгорания расположены соответственно каналы для воды меньшего сечения, чем каналы для подогреваемого воздуха, соединенные входными трубопроводами с водяным насосом, размещенным внутри корпуса, вход которого связан с емкостью для воды, каналы для воды соединены с выходными трубопроводами, проходящими через отверстия в корпусе для вывода нагретой воды и пара, к упомянутым трубопроводам через регулировочные вентили подсоединены штуцеры для подсоединения внешних трубопроводов, каналы для воды, расположенные на цилиндрической поверхности теплообменника, наложены на указанную поверхность в форме спирали, ось которой совпадает с осью цилиндрического теплообменника, внутри корпуса размещен топливный генератор электроэнергии, который связан топливопроводом с встроенным или внешним топливным баком, электрически соединен с помощью линий электропередачи с вентилятором, питателем топлива, водяным насосом и автоматическим выключателем, выход которого связан с электроустановочным соединением для подключения внешнего потребителя, мощность генератора определяется формулой:

P_г=P_в+P_пт+P_вн+P_вп,

где: Р_в - номинальная мощность вентилятора, Вт; Р_пт - номинальная мощность питателя топлива, Вт; Р_вн - номинальная мощность водяного насоса, Вт; Р_вп - мощность, необходимая внешнему потребителю, Вт, номинальный ток автоматического выключателя, А, определяется формулой:

где: U_нг - номинальное напряжение генератора, В, часть каналов для воды, расположенных внутри камеры сгорания, соединены последовательно, а остальные каналы для воды, расположенные внутри камеры сгорания, соединены параллельно, входные концы упомянутых соединений связаны с водяным насосом, а выходные концы - с трубопроводами для вывода нагретой воды и пара.