Способ получения горячего воздуха и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК F24H1/10 

Из6б|ретение относится к способу получения горячего воздуха, согласно которому горячие газы получают в нагревательном пространстве, причем к ним добавляют воду с трм, чтобы она испарялась и смешивалась с газами.

Таким образом, изобретение относится к генераторам горячего воздуха прямого действия, у которых смесь газа и водяного пара подается к нагреваемому объекту по одной и той же трубе.

В известных генераторах горячего воздуха прямого действия с горячими топочными газами смешивается лишь так называемый вторичный воздух, а в системах с воздушной циркуляцией - смесь топочных газов, возвращающихся из процесса, тогда как в известных парогенераторах прямого действия вода смешивается с горячими топочными газами в самой топке.

Недостатком известнУх генераторов горячего воздуха является необходимость в чрезвычайно больших количествах воздуха для передачи энергии в системе, где в качестве рабочей среды использован воздух. Изза этого вентиляторы, вентиляторные установки и теплораспределительные трубопроводные системы должны быть очень большими. Кроме того, типичной особенностью известной системы является сравнительно малое давление воздуха, подаваемого вентилятором, оно обычно ниже 0,01 бар. По причине низкого давления нагреваемые газы не могут проникать в исходные материалы, состоящие из зерен малого размера, например, гладких каменных частиц размером 0-8 мм. Для нагрева исходных материалов, содержащих мелкие частицы, требуются дорогостоящие теплораспределительные устройства, легко подверженные закупорке. Кроме того, при

использовании таких материалов возникает трудная проблема пыли из-за больших количеств воздуха, а также большие энергетические потери из-за больших объемов уходящего воздуха, .

Кроме того, недостатком известных парогенераторных систем прямого действия является необходимость в большом количестве воды в сравнении с эффектом, который обеспечивает такая система. Причина состоит в том, что вода и топочные газы не полностью смешиваются и текут по одной и той же трубке частично отдельно друг от друга, В результате парогенераторы такого типа применяются в основном для получения горячей воды с помощью теплообменников. Известные системы пригодны для прямого нагрева исходных материалов лишь в тех процессах, которые допускают, применение больших, количеств воды. Другой недостаток известных систем в том, что их конструкция не допускает высоких температур. Такие системы могут применяться лишь при сгорании газа, так как подача воды в топку с нефтяным питанием приводит к охлаждению пространства сжигания, что в свою очередь ведет к неполному сгоранию, вредному BO многих отношениях.

Цель изобретения - повышение эффективности.

Указанная цель достигается тем, что горячие газы проходят из нагревательного пространства в вихревую камеру и им придается вихревое движение, в вихревую камеру практически рядом с центральной осью камеры подается вода таким образом, что вода механически смешивается с горячими газами во время перемещения к периферии камеры под действием вихревого движения газов и испаряется вследствие тепловой анергии, заключенной в этих газах, смесь горячих газов и испаренной воды вьшускается из вихревой камеры практически рядом с центральной осью камеры с противоположной ее стороны относительно точки подачи воды.

В предлагаемом устройстве в нагревательном пространстве предусмотрена выпускная труба для горячих газов (газоход), выпускная труба соединяется с периферией вихревой камеры с тем, чтобы придать горячим газам вихревое движение, в вихревой камере предусмотрены средства подачи воды, открывающиеся в камеру близ ее центральной оси, а также выпускной трубопровод для смеси испаренной воды и горячих газов, причем упомянутый трубопровод начинается рядом с центральной осью у противоположной стороны камеры

относительно впускного отверстия средства подачи воды.

Таким образом, с помощью малых количеств воздуха могут передаваться большие

теплоемкости. При этом количество воздуха составляет 1/20 по сравнению с известными системами, например в генераторе горячего воздуха на 500 кВт используется 14000 м воздуха в 1 ч, тогда как с помощью предлагаемой системы те же 500 кВт обеспечиваются при 690 м воздуха в 1 ч. Кроме того, при меньшей мощности вентилятора могут переноситься большие теплоемкости, например для переноса теплоемкости 500

5 кВт прежде требовалась мощность вентиляторной установки в 90 кВт, а при использовании предлагаемой системы требуется лишь 15 кВт. Таким образом, экономия на мощности вентилятора равна 75 кВт. Благодаря

0 меньшему количеству воздуха можно использовать теплораспределительнЫе трубы значительно меньших размеров, чем в известных системах, например при мощности 500 кВт потребуется вентиляторный трубопровод диаметром 500 мм, а при использовании предлагаемой системы требуемый диаметр равен лишь 100 мм.

Так как в предлагаемом устройстве используется смесь горячих газов и воды, то

0 конденсация смешанной с газом воды обеспечивает более полную передачу энергии нагревательному материалу (в нашем примере этим материалом является песок). В изобретении нет каких-либо проблем с

5 пылью, поскольку горячие газы увлажнены и, кроме того, количество воздуха мало. В предлагаемом техническом решении можно использовать большие давления, чем в известных системах. В нашем примере энергия может подаваться в материал с малым размером частиц без применения дорогостоящих и громоздких средств распределения воздуха, при этом давление может быть увеличено в.пять раз по сравнению с известной системой, а именно давления равны 0,1 и 0,5 бар. В нашем примере в устройстве по изобретению вода подавалась в вихревую камеру при 500 кВт со скоростью примерно 5 л/мин. Соответственно при равной

0 производительности количество воды, необходимое для известного парогенератора, составляет примерно 13 л/мин. Полученная разность является следствием того, что в предлагаемом устройстве температура смеси выше и в вихревой камере генератора может происходить полное смешивание и перегрев воды горячими топочными газами. Генератор горячего воздуха по изобретению нельзя назвать паровым котлом для парогенератором,так как вода испаряется

не в водяной рубашке, не в системе водяных труб или в топке, а в вихревой камере при объединенном действии центробежной и тепловой энергии. Благодаря такой особенности генератор может работать с энергией любого вида, если только в вихревую камеру подаются горячие газы, Возможно также применение для нагрева воздуха прямого электроподогрева или аккумулятора. Система с вихревой камерой по данному изобретению дает возможность применения печей с полностью сухим дутьем, например массовые или кирпичные печи с питанием нефтью, газом, торфом и т.д. Возможно применение и электропитания. Аккумуляторное питание означает, что тепловая энергия накапливается, например, в камен ном материале, откуда она с помощью воздуха как рабочей среды передается в вихревую камеру.

В предлагаемой системе для достижения требуемой вентиляторной температуры использована автоматическая регулировка, температуры, обеспечивающая поступление требуемого количества воды. Благодаря этому можно подавать просто горячий воздух без какого-либо охлаждения воды или водяной рубашки, что используется в известных парогенераторных системах, когда исчерпывается накопленная энергия. Другое достоинство печей с сухим питанием состоит в исключении опасности замораживания при условии, что труба водяной пОдачи не замерзает. Еще одно достоинство предлагаемого устройства заключено в том, что в нем нет резервуаров высокого давления, поскольку водное пространство является открытым, либо оно вообще не предусматривается. Контроль за сгоранием нефТИ или газа в генераторе горячего воздуха по данному изобретению может производиться как вручную, так и автоматически. Контроль может осуществляться путем пропускания сжатых топочных газов через чистую воду, благодаря чему из потемнения воды можно судить, правильно ли горит пламя или нет. Контрольный сосуд может располагаться в пределах поля зрения пользователя с тем, чтобы непрерывно или периодически контролировать сгорание. Заметим, что незначительный избыток воздуха не является недостатком, так как нагрев осуществляется настоящими топочными газами. Поэтому контроль предназначен в основном для того, чтобы следить за чистотой сгорания, а это крайне легко сделать при водном анализе, так как самое малое количество нефти будет выглядеть как пленка на поверхности воды, очень заметна в воде и сажа. Появление сажи при

сгорании газа вызывается недостаточной подачей воздуха, что будет видно из анализа воды. Достоинством предлагаемого технического решения является то, что в системе очень легко предусмотреть предохранительный клапан. Ответвление для предохранительного клапана можно отвести от выпускного трубопровода. При этом предохранительный клапан настраивается на предельную точку, когда количество воздуха от вентилятора горелки падает до минимума и идет сгорание с недостатком воздуха. Предохранительный клапан можно настроить и ниже точки открывания предохранительного клапана поршневого компрессора, тогда частичное открывание Предохрани,тельного клапана компрессора не ведет к уменьшению подачи воздуха. Кроме того, предусмотрен термостат, действующий в качестве детектора утечки для предохранительного клапана со стороны наддува, если температура в трубопроводе предохранительного клапана становится слишком высокой, термостат расцепляется. При мгновенных скачках давления расцепление термостата не происходит, благодаря чему предотвращаются нежелательные перерывы в работе. Такая конструкция предохранительного клапана обеспечивает чрезмерно гибкое применение устройства по сравнению с известными системами.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство: общий вид сбоку; на фиг. 2 - то же, в другой проекции.

В устройстве {фиг. 1) нагревательное пространство 1 является печью. Вихревая камера 2 сообщается с печью через выпускной газоход 3. Внутри стенки печи образовано открытое водное пространство 4, окружающее эту печь. В печи также предусмотрена так называемая жаровая труба 5, предупреждающая передачу тепла за счет излучения от пламени в печи к воде. Водное пространство 4 сообщается с вихревой камерой 2 за счет трубного соединения 6, тогда как отвод газов из вихревой камеры осуществляется через выпускной канал трубопровод 7.

Существенная особенность изобретения заключена в том, что печь не служит для испарения воды, заключенной в водном пространстве 4, как в известных парогенераторах. Температура воды в водном пространстве 4 всегда ниже 100° С, т.е. ниже точки парообразования воды. Избыточный нагрев воды, заключенной в водном пространстве 4, предупреждается за счет жаровой трубы 5, что предупреждает перенос теплоты излучения пламени к холодной воде. Жаровая труба 5 установлена на таком

расстоянии от водного пространства 4, что не превышается максимальная температура, допустимая для материала жаровой трубы, т.е. вода, заключенная в водном пространстве А, действует как охладитель для жаровой трубы 5. Особенно предпочтительно, примёйение жаровой трубы 5 при нефтяном питании, так как жаровая труба поднимает температуру в пространстве горения до температуры, превышающей 1000° С, благопрепятствуя полному сгоранию нефти. Вследствие применения жаровой трубы 5 достигаются условия, соответствующие условиям в керамической камере сгорания. Жаровая труба 5 выполняется из тонкого материала, поскольку уже через несколько секунд после возгорания пламени температура в пространстве сгорания поднимается до максимального значения.

Устроенное внутри стенки печи водное пространство 4 сообщается с вихревой камерой 2 через перепускную трубу 8 большого диаметра. При этом получается открытая конструкция, благодаря чему водное пространство ни при каких условиях не оказывается закрытым и давление в водном пространстве никогда не превышает максимального давления в воздушном вентиляторе.

Другая существенная особенность изобретения заключена в использовании вихревой камеры 2 для смешивания горячих газов и воды. Горячие газы поступают из печи через сравнительно узкий выпускной трубопровод 3 в вихревую камеру. Конец выпускного трубопровода 3 размещен на периферии вихревой камеры, в результате чего газам придается вихревое движение. Под действием центробежной силы горячие газы прижимаются к периферии вихревой камеры. Подача воды в вихревую камеру 2 происходит через трубу и клапан 9 у нижней области водного пространства, вода поступает в центр вихревой камеры, т.е. близ центральной оси камеры 10, причем для дозировки служит периодическая или непрерывная регулировка клапана 9. Как только вода попадает в вихревую камеру, она увлекается к периферии, где она приобретает вихревое движение вместе с горячими газами. Так как вода тяжелей горячих газов, она не может выйти из вихревой камеры до тех пор, пока полностью не испарится и не соединится с горячими газами. Смесь пара с газом в вихревой камере можно перегреть до температуры более , при1 этом количество воды очень мало по сравнению с теплопроизводительностью. Этот момент очень важен, поскольку из-за конденсации воды в процессе нагрева возникают проблемы с нагреваемым материалом либо с окружающей средой. В принципе температуру смеси можно непрерывно регулировать в пределах 80-400° С. При более низких температурах устройство действует как генератор горячей воды либо как парогенератор.

Регулировку количества воды можно

0 производить в функции температуры смеси с помощью водяного клапана или дозаторного устройства, действующего непрерывно или на отрезках времени. Если дозаторное устройство является магнитным клапаном

5 или схожим приспособлением, то клапан 9, подающий воду в вихревую камеру, и клапан 11, подающий воду в водное пространство 4, открываются одновременно. Регулировка упомянутых потоков воды осуществляется так, чтобы они соответствовали друг другу, т.е. чтобы количество воды, отбираемой от водного пространства 4, было равно количеству воды, добавляемой к этому же пространству. Если количество воды , подаваемой в вихревую камеру, меньше количества воды, подаваемой в водное пространство 4, то вода течет в вихревую камеру 2 через перепускную трубу 8, вследствие чего автоматически достигается состояние равновесия. Перепускная труба 8 соединяется с вихревой камерой в той же точке, что итруба 6. Преимуществом такой конструкции является то, что можно непрерывно пополнять воду, находящуюся в водном пространстве 4, при этом поверхность воды «8 водном пространстве всегда находится на правильном уровне. Если произойдет чрезмерное опускание поверхности воды, заключенной, в водном пространстве

0 4, то поверхностный электрод открывает клапан 11 и поверхность воды поднимается до нужного уровня. Заполнение водного пространства 4 всегда происходит по команде от электрода 12, когда он обнаруживает отсутствие воды вне зависимости от работы горелки либо от потребности температурного регулятора в воде.

Если при выключении устройства сконденсировавшаяся вода затекает в вихревую

0 камеру 2 и выпускной трубопровод 3, то при последующем включении устройства происходит удаление воды таким же образом, что и воды, подаваемой в вихревую камеру. Соответственно предусмотрена автоматическая возвратная система для сконденсировавшейся воды.

Рассмотренная система водяного регулирования также обеспечивает крайне точное регулирование температуры выводимой смеси. В случае применения пропорционального интегрально-дифференциального регулятора можно достичь точности регулирования в 1 %, т.е. будет происходить чрезвычайно точный контроль качества воды.

Из вихревой камеры смесь выгружается через выпускной трубопровод 7, Выпускной трубопровод 7 соединен с вихревой камерой 2 рядом с ее центральной осью 10 на противоположной стороне от трубы б и перепускной трубы 8. Такое расположение хорошо видно на фиг. 2. Через трубопровод 7 смесь может быть подана к месту применения. В данном случае местом применения является песчаная подушка 13.

. Достоинством способа и устройства по данному изобретению является возможность очень точного регулирования всех количеств воды. Кроме того, в вихревой камере происходит почти полное смешение воды с горячими газами. В результате требуемое количество воды оказывается малым по сравнению с производительностью. Благодаря перечисленным свойствам смесь эквивалента перегретому пару при очень, высоком давлении, даже если устройство используется как генератор горячего воздуха и давление пара ниже 1 бар и по большей части ниже 0,5 бар.

Если создаваемое в процессе противодавление является большим и склонным к изменению, то в качес:тве вентилятора используется ротационный поршневой компрессор, у которого количество воздуха меняется очень незначительно с противодавлением. Ротационный поршневой компрессор применяют в диапазоне давлений около 1 бар. Если противодавление ниже 0,5 бар, в качестве воздуходувки можно использовать вентиляторы высокого давления, у них количество воздуха сильно зависит от противодавления. В случае применения вентиляторов требуется, чтобы были точно известны вариации противодавления и эти вариации происходили лишь в узком диапазоне.

Устройство работает следующим образом.

Воздух для горения проходит через фильтр и звукопоглотитель 14 в ротационный поршневой компрессор 15. Выключатель 16 давления служит для достижения требуемого давления воздуха для горения, для запуска горелки удаляется задвижка, с этого начинается исходный зтап. Автоматика горелки включает трансформатор 17 воепламенения с тем, чтобы он способствовал процессу зажигания. Включается нефтяной насос 18, а спустя некоторое время открывается магнитный клапан 19 для нефти. Как только сжатия под давлением примерно 20

бар нефть вых.одит из отверстия горелки 20. она воспламеняется высоковольтной искрой от трансформатора. Фоторезистор 21 служит для обнаружения пламени. Давление нефти регулируется регулятором 22.

После воспламенения в печи внутри жаровой трубы 8 начинает гореть пламя. Между жировой трубой 5 и водным пространством предусмотрен воздушный зазор примерно в 10 мм. Температура в печи очень высока, но благодаря такой конструкции вода в водном пространстве 4 не воспринимает теплоту лучеиспускания и теплопередача идет за счет теплопроводности, при этом температура воды не может подняться до температуры испарения, она всегда ниже 100° С при нормальной работе. Вода в водном пространстве 4 начинает циркулировать с открыванием клапана 9, размещенного в трубном соединении 6 между вихревой камерой 2 и водным пространством, одновременно открывается и клапан 11. В результате холодная вода непрерывно поступает в водное пространство 4 и поверхность воды поддерживается на неизменном уровне. Если водный поток через клапан 11 превышает водный поток, поступающий через клапан 9 в вихревую камеру, то по перепускной трубе 8 в вихревую камеру 2 поступает избыточный водный поток. Клапаны 9 и 11 управляются от пропорционального интегрально-дифференциального регулятора 23 температуры в ответ на результаты замера от датчика температуры, Если же уровень поверхности воды, заключенной в водном пространстве 4, оказывается ниже электрода 12, то открывается лишь клапан 11.;

Подача к горелке воздуха дЛя сгорания осуществляется на первично-вторичном принципе таким способом, что количество воздуха регулируется шарнирным клапаном 24, управляемым вручную. Если клапан 24 дросселируется, то увеличивается поток первичного воздуха, когда клапан открывается, увеличивается поток вторичного воздуха. Полученные при сгорании горячие газы идут через выпускную трубу 3 в вихревую камеру 2. В вихревой камере горячие газы приобретают вращательное движение, при этом к вихревому движению присоединяется вода,также подаваемая в вихревую камеру, вода течет от .центра камеры к ее периферии и остается там до испарения изза совместного действия центробежной энергии и Теплоты. Смесь воды и газа выпускается из вихревой камеры через выпускной трубопровод 7,

Непрерывное измерение температуры смеси производится температурным дafчv ком 23 регулятора температуры, расположенным на выпускной трубе 7, при необходимости в соответствии с изложенным производится добавка воды. Выключатель 25 давления отключает горелку в случае, когда уставка выключателя превышается в течение определенного отрезка времени. Информацию о давлении можно заслать в блок управления с помощью датчика 26 давления. В свою очередь термостат 27 защиты от избыточного тепла расцепляется по превышении его уставки. Если в ходе процесса противодавление превысит уставку предохранительного клапана 28, то открывается дутьевой канал, соединенный с атмосферой, тогда как термостат 29 с некоторой временной задержкой отключает горелку. Термостат 29 избыточного давления также расцепляется при утечке в предохранительном клапане 28, тогда термостат действует в качестве так называемого детектора утечки.

Врассмотренном варианте реализации газовая смесь из вихревой камеры 2 поступает к нагреваемому материалу, например к песчаной подушке 13, и проникает туда, причем в песчаной подушке происходит конденсация воды, содержащейся в смеси, с высвобождением тепловой энергии. В то же время появление влаги предотвращает появление пыли и высушивание песчаной подушки. В песчаной подушке также происходит конденсация воды, полученной в процессе сгорания, так что эффективность сжигания может оказаться равной 100 и более процентам из расчета на заданную удельную теплоемкость нефти.

Естественно для этого требуется, чтобы топочные газы охлаждались ниже точки росы топочных газов. Охлаждение такого типа обеспечивается при смешивании с мороженым песком.

Контроль за горением можно вести автоматически с помощью прозрачного резервуара 30. При этом горячие газы автоматически проходят через воду, заключенную в резервуаре, на интервалах, задаваемых клапаном 31 с тем. чтобы неполное сгорание можно было незамедлительно обнаружить по изменению цвета чистой воды. Число резервуаров выбирается смотря по необходимости.

Для замера количества воды, подаваемой в водное пространство 4, а также давления служат соответствующие средства 32 и 33. Температура в водном пространстве 4

контролируется ограничителем 34. Ограничитель 34 отрегулирован на 93° С, по превышении этой температуры ограничитель выключает горелку.

Возможны самые различныемодификации изобретения. Нагревательное пространство 1 не обязательно должно быть печью или топкой, возможно применение в иных конструкциях, например, злектрообогрева. Нагревательное пространство 1 также

можно заменить с помощью какого-либо иного процесса, при котором горячие газы выходят в вихревую камеру. Подачу воды в вихревую камеру также можно организовать из подходящего контейнера и т.д.

Формула изобретения

1.Способ получения горячего воздуха путем генерирования горячих газов в нагревательном пространстве, тангенциальной подачи их в вихревую камеру для получения закрученного потока с последующим их отводом через центральную зону последнего, ввода воды в горячие газы для ее нагрева в

процессе смешения, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, воду вводят в центральную часть закрученного потока, нагрев в процессе смешения осуществляют в закрученном потоке газов до полного ее ирпарения и отвод осуществляют в виде смеси полученного пара с газом.

2.Устройство для получения горячего воздуха, содержащее нагревательное пространство для получения горячих газов, подключенное тангенциально выпускным газоходом к периферии вихревой камеры, снабженной по оси одного из торцов отверстием для отвода смеси пара и газа и соединенной с устройством для добавления воды к горячим газам, о тли чающееся тем, что, с целью повышения эффективности, вихревая камера соединена с устройством для добавления воды к горячим газам по оси

своего другого торца против отверстия для отвода смеси пара и газа.

/

Фиг.1

Изобретение относится к способу получения горячего воздуха, при котором смесь газа и водяного пара подается к нагреваемому объекту по одной и той же трубе. Цель - повышение эффективности. Газы генерируются в нагревательном пространстве и тангенциально подаются в вихревую камеру для получения закрученного потока. Вода вводится в центральную часть закрученного потока и нагревается потоком газов до полного испарения. Отвод осуществляют в виде смеси полученного пара с газом через выпускной трубопровод. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

25 26