Способ получения горячего воздуха и устройство для его осуществления

)5 Е 24 Н 1/10 ПИСАНИЕ К ПАТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Ой Партек АБ (Н)(56) Авторское свидетельство СССМ 1002745, кл, Е 24 Н 1/00, 1981,Изобретение относится к способу получения горячего воздуха, согласно которому горячие газы получают в нагревательном пространстве, причем к ним добавляют воду с тем, чтобы она испарялась и смешиваласьс 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,(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОРЯЧЕГО ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к способу получения горячего воздуха, при котором смесь газа и водяного пара подается к нагреваемому обьекту 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. Недостатком известных генераторов горячего воздуха является необходимость в чрезвычайно больших количествах воздуха для передачи энергии в системе, где в качестве рабочей среды использован воздух. Из- а эа этого вентиляторы, вентиляторные установки и теплораспределительные тру- д бопроводные системы должны быть очень у большими. Кроме того, типичной особенностью известной системы является срав еивиЬ нительно 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 тепло- распределительные устройства, легко подверженные закупорке, Кроме того, прииспользовании таких материалов возникает трудная проблема пыли из-за больших количеств воздуха, а также большие энергетические потери из-эа больших обьемов 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 со стоит 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 получе ния горячей воды с помощью теплообменников. Известные системы пригодны для прямого нагрева исходных материалов лишь в тех процессах, которые допускают. .применение больших. количеств воды, Дру гой 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 25 к охлаждению пространства сжигания, что в свою очередь ведет к неполному сгоранию, вредному во многих отношениях.Цель изобретения - повышение эффективности, 30Указанная 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 35 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 40 тепловой энергии, заключенной в этих газах, смесь горячих газов и испаренной воды выпускается из вихревой камеры практически рядом с центральной осью камеры с противоположной ее стороны относительно 45 точки подачи воды. В предлагаемом устройстве в нагревательном пространстве предусмотрена выпускная труба для горячих газов (газоход), 50 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 55 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 120 по сравнению с известными системами, например в генераторе горячего воздуха на 500 кВт используется 14000 мз воздуха в 1 ч, тогда как с помощью предлагаемой системы те же 500 кВт обеспечиваются при 690 м воздуха в 1 ч, Кроме тога, при меньшей мощности вентилятора могут переноситься большие теплоемкости, например для переноса теплоемкости 500 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 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 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 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 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 испаряется510 15 20 30 35 40 45 50 55 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 каменном материале, откуда она с помощью воздуха как рабочей среды передается в вихревую камеру,аВ 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 предохранительного клапана компрессора не ведет к уменьшению подачи воздуха. Кроме того, предусмотрен термастат, 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 парообраэования 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 такомрасстоянии от водного пространства 4, что не превышается максимальная температура, допустимая для материала жаровой трубы, т.е. вода, заключенная в водном пространстве 4, действует как охладитель для жаровой трубы 5. Особенно предпочтительно, применение 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 горячи. ми 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 400 С; при этом количество воды очень мало по сравнению с теплопроизводительностью. Этот момент очень важен, поскольку из-за конденсации воды в процессе нагрева возникают проблемы с нагреваемымматериалом либо с окружающей средой. Впринципе температуру смеси можно непре 5 рывно регулировать в пределах 80 - 400 С,При более низких температурах устройстводействует как генератор горячей воды либокак парогенератор.Регулировку количества воды можно10 производить в функции температуры смесис помощью водяного клапана или дозаторного устройства, действующего непрерывноили на отрезках времени. Если дозаторноеустройство является магнитным клапаном15 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 осу 20 ществляется так, чтобы они соответствовали друг другу, т.е, чтобы количество воды,отбираемой от водного пространства 4, было равно количеству воды, добавляемой кэтому же пространству, Если количество во 25 ды, подаваемой в вихревую камеру, меньше количества воды, подаваемой в водноепространство 4, то вода течет в вихревуюкамеру 2 через перепускную трубу 8, вследствие чего автоматически достигается со 30 стояние равновесия, Перепускная труба 8соединяется с вихревой камерой в той жеточке, что итруба б, Преимуществом такойконструкции является то, что можно непрерывно пополнять воду, находящуюся в вод 35 ном пространстве 4, при этом поверхностьводы в водном пространстве всегда находится на правильном уровне. Если произойдет чрезмерное опускание поверхностиводы, заключенной в водном пространстве40 4, то поверхностный электрод открываетклапан 11 и поверхность воды поднимаетсядо нужного уровня, Заполнение водногопространства 4 всегда происходит по команде от электрода 12, когда он обнаружи 45 вает отсутствие воды вне зависимости отработы горелки либо от потребности температурного регулятора в воде.Если при выключении устройства сконденсировавшаяся вода затекает в вихревую50 камеру 2 и выпускной трубопровод 3, топри последующем включении устройствапроисходит удаление воды таким же образом, что и воды, подаваемой в вихревуюкамеру, Соответственно предусмотрена ав 55 томатическая возвратная система для сконденсировавшейся воды,Рассмотренная система водяного регулирования также обеспечивает крайне точное регулирование температуры выводимойсмеси, В случае применения пропорцио20 25 30 них количество воздуха сильно зависит от 40 50 ка горелки включает трансформатор 17 вос нального интегрально-диФференциального регулятора можно достичь точности регулирования в 10/ 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 6 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 качестве 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 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 этап. Автоматипламенения 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 51015 бар нефть выходит 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 выпуск-. ной трубопровод 7,Непрерывное измерение температуры смеси производится температурным датчиком 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 протиаодавление 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.путем генерирования горячих газов в нагре 25 вательном пространстве, тангенциальной подачи их в вихревую камеру для получения 30 35 5 10 15 20 40 45 50 Для замера количества воды, подаваемой в водное пространство 4, а также давления служат соответствующие средства 32 и ЗЗ. 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, электрообогрева, 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 закрученного потока с последующим их отводом через центральную зону последнего, ввода воды в горячие газы для ее нагрева в процессе смешения, о т л и ч а ю щ и й с я 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 испарения 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, отл ич а ю ще е с ятем, 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 парэ и газа,1715213 б орректор М.МаксимишинецТехред М,Моргент Редактор С.Пекар ьский комбинат "Патент", г, ужгород, ул,Гагарина, 10 роизводственно-и Заказ 706 Тираж Подпи ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и от 113035, Москва, Ж, Раущская наб 4еытиям при ГКНТ ССС