Автономная тепловая пушка

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах децентрализованного отопления для нагревания воздуха в бытовых и производственных помещениях.

Известен нагреватель воздуха, содержащий корпус с сетчатыми входом и выходом, кожухом, образующим с корпусом теплозащитную полость, размещенный внутри корпуса на стойках осевой вентилятор с электродвигателем, соосные вентилятору теплоэлектронагревательные элементы, выполненные в виде спиралей, закрепленных на кронштейнах, систему управления, связанную электрически с источником питания [Патент РФ №2122689, F24H3/04, F24D13/00, 1998].

Основным недостатком известного воздушного нагревателя является невозможность нагрева воздуха и его подачи без внешнего источника электрической энергии и обусловленное этим ее значительное потребление, что снижает эффективность его работы.

Более близким к предлагаемому изобретению является газовый воздухонагреватель (газовая тепловая пушка), содержащий газосжигающее устройство (горелку), камеры сгорания газа и смешения очищенных продуктов сгорания с нагреваемым воздухом, вентилятор-нагнетатель с электродвигателем, прикрепленный к камере сгорания теплообменный аппарат в форме трубы, на внешней поверхности которой смонтированы сетчатые интенсификаторы, на конце теплообменного аппарата установлен каталитический насадок, на входе в который выполнен газоподающий патрубок для подвода дополнительного объема газа [Патент РФ №2145050, F26B23/02, F24H3/00, 2000].

Основными недостатками известного газового воздухонагревателя являются невозможность подачи воздуха без внешнего источника электрической энергии и регенерации каталитического насадка, что не позволяет использовать его в автономном режиме и снижает экономическую и экологическую эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности автономной тепловой пушки.

Технический результат достигается предлагаемой автономной тепловой пушкой, включающей цилиндрический корпус, снабженный опорами, внутри которого по ходу движения воздуха коаксиально установлены вентилятор с электродвигателем, горелка с инжектором, соединенная с подводящим газопроводом, цилиндрическая камера сгорания, совмещенная с теплообменником, внутренний торец которой герметически соединен с инжектором, наружный торец выступает на расстояние L от торца корпуса, образуя участок, перфорированный продольными щелями, а между наружной поверхностью цилиндрической камеры сгорания и стенкой цилиндрического корпуса, расположена кольцевая тепловая камера, сзади цилиндрического корпуса расположен насадок для очистки продуктов сгорания, состоящий из наружной и внутренней перфорированных оболочек с полостью между ними, внутренняя оболочка которого выступает своим торцом на расстояние L от наружной оболочки, образуя участок, перфорированный также продольными щелями, который надет на аналогичный участок цилиндрической камеры сгорания, причем вышеупомянутая полость заполнена гранулами металлургической пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм, при этом поверхность цилиндрической камеры сгорания–теплообменника кроме перфорированного участка выполнена с горизонтальными прямоугольными гофрами, образующими горизонтальные прямоугольные гнезда, в которые частично утоплены термоэлектрические звенья, состоящие из прямоугольных вставок, выполненных из термостойкого диэлектрического материала (например, керамики), внутри которых помещены ряды, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых представляет собой пару параллельных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой с образованием некоторого зазора шириной Δ, причем термоэлектрические звенья установлены в гнездах таким образом, чтобы большая часть каждого термоэмиссионного преобразователя в рядах омывалась приточным воздухом, подаваемым вентилятором, термоэлектрические звенья у инжектора попарно соединены между собой перемычкой, а перед перфорированным участком электрическим конденсатором, образуя термоэлектрические секции, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой тоже через электрические конденсаторы, образуя термоэлектрический блок в форме разомкнутого кольца, а первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов термоэлектрического блока соединены с токовыводами, которые, в свою очередь, соединены через преобразователь и аккумулятор с электродвигателем вентилятора.

На фиг. 1–4 представлены общий вид и разрезы автономной тепловой пушки (АТП), на фиг.5–8–узлы стыковки очистной насадки и термоэлектрических звеньев с камерой сгорания АТП.

Предлагаемая АТП содержит цилиндрический корпус 1, снабженный опорами 2, внутри корпуса по ходу движения воздуха коаксиально установлены вентилятор 3 с электродвигателем 4, горелка 5 с инжектором 6, соединенная с подводящим газопроводом (на фиг. 1–8 не показан), цилиндрическая камера сгорания, совмещенная с теплообменником (КСТО) 7, внутренний торец которой герметически соединен с инжектором 6, наружный торец выступает на расстояние L от торца корпуса трубы 1, образуя участок 8, перфорированный продольными щелями 9, а между наружной поверхностью КСТО 7 и стенкой корпуса 1 расположена кольцевая тепловая камера 10, сзади цилиндрического корпуса 1 размещается насадок для очистки продуктов сгорания 11, состоящий из наружной и внутренней перфорированных оболочек 12 и 13 соответственно, с полостью 14 между ними, внутренняя оболочка 13 которого выступает своим торцом на расстояние L от наружной оболочки 12, образуя участок 15, перфорированный также продольными щелями 9, который надет на участок 8 КСТО 7, причем полость 14 заполнена гранулами металлургической пемзы 16, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм, при этом поверхность КСТО 7 кроме участка 8 выполнена с горизонтальными прямоугольными гофрами, образующими горизонтальные прямоугольные гнезда 17, которые увеличивают внешнюю поверхность КСТО 7 в несколько раз по сравнению с цилиндрической, что значительно увеличивает скорость теплопередачи через стенку КСТО. В гнезда 17 частично утоплены термоэлектрические звенья (ТЭЗ) 18, состоящие из прямоугольных вставок 19, выполненных из термостойкого диэлектрического материала (например, керамики), внутри которых помещены ряды 20, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 21. Каждый ТЭП 21 представляет собой пару параллельных проволочных отрезков 22 и 23, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой с образованием некоторого зазора шириной Δ (значение Δ выбирается из условий надежной изоляции отрезков 22 и 23), причем ТЭЗ 18 установлены в гнездах 17 таким образом, чтобы большая часть каждого ТЭП 21 рядов 20 омывалась приточным воздухом, подаваемым вентилятором 3, причем ТЭЗ 18 у инжектора 6 попарно соединены между собой перемычкой 24, а перед участком 8 электрическим конденсатором 25, образуя термоэлектрические секции (ТЭС) 26, которые, в свою очередь, последовательно соединены между собой тоже через электрические конденсаторы 27, образуя термоэлектрический блок (ТЭБ) 28 в форме разомкнутого кольца, а первый и последний из вышеупомянутых конденсаторов 27 ТЭБ 28 соединены с токовыводами 29 и 30, которые, в свою очередь, соединены через преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1–8 не показаны) с электродвигателем 4.

В основу работы предлагаемой АТП положено использование эффекта термоэлектричества для обеспечения работы вентилятора и гранулированного доменного шлака в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов из КСТО 7. Так как в ТЭЗ 18 помещены ряды 19, состоящие из ТЭП 21, изготовленных из проволочных отрезков 22 и 23, выполненных из металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве одних спаянных концов, помещенных в гнезда 17, и охлаждении противоположных приточным воздухом из вентилятора 3, в ТЭЗ 18 возникает термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М: Наука, 1970, с. 502–506].

Использование гранулированного доменного шлака (металлургической пемзы) 16 в качестве адсорбента основано на высоком значении его модуля основности, который придает гранулам металлургической пемзы 15 основные свойства [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. –М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163], позволяющие сорбировать на поверхности шлака вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся вредные компоненты газообразных продуктов сгорания топлива АТП (природного газа или солярового масла), а именно оксиды азота (NO_x), оксиды серы (SO_x), оксиды углерода (СО).

Автономная тепловая пушка (АТП), представленная на фиг. 1–8, работает следующим образом. Топливо, например природный газ, из газового баллона или газопровода (на фиг. 1–8 не показаны) поступает в горелку 5, откуда струя газа поступает в инжектор 6, засасывая воздух, необходимый для горения, после чего газовоздушная смесь направляется в КСТО 7, где в начальном участке КСТО 7 происходит ее зажигание и горение, а далее до конечного участка 8 происходит охлаждение образовавшихся горячих выхлопных газов приточным воздухом, подаваемым вентилятором 3, выхлопные газы далее поступают в насадок для очистки продуктов сгорания 11, полость 14 которого заполнена гранулами металлургической пемзы 16, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм. Поток выхлопных газов проходят через отверстия в перфорированной внутренней оболочки 12 насадка 11 и многократно попадают на поверхность гранул 16 и вовнутрь их, затем очищается от вредных примесей (NO_x, SO_x, СО), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 16. Адсорбированные из отработавших газов оксиды азота и серы в порах гранул 16 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента–гранул 16 шлаковой пемзы [Неницеску К. Общая химия. – М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом (кислород присутствует в выхлопных газах в результате избытка воздуха, подаваемого на сжигание топлива) со скоростью, большей, чем в газовой фазе, с образованием легко растворимых в воде NO₂ и SО₃. Полученные оксиды азота и серы, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды, образующейся в порах гранул 16 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в выхлопных газах, с образованием соответствующих кислот HNO₃ и H₂SO₄. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 16 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные выхлопные газы через отверстия перфорированной наружной оболочки 13 выбрасываются наружу, где смешиваются с нагретым воздухом, поступающим из КСТО 7. Одновременно приточный воздух, подаваемый вентилятором, движущийся в кольцевой тепловой камере 10, нагревается до требуемой температуры за счет теплопередачи через стенку КСТО 7 горячими газообразными продуктами сгорания и выбрасывается в отапливаемое помещение.

Параллельно вышеописанным процессам охлаждения продуктов сгорания и нагрева приточного воздуха, скорость которых за счет наличия гофр на поверхности КСТО 7 больше в несколько раз по сравнению с цилиндрической, газообразные продукты сгорания нагревают горизонтальные прямоугольные гнезда 17 корпуса КСТО 7, выполненного из коррозионно-стойкого материала с высокой теплопроводностью, и соответственно, спаи термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 21 ТЭЗ 18, противоположные концы которых охлаждаются приточным воздухом, движущимся в кольцевой камере нагрева 10. В результате нагрева спаянных концов проволочных отрезков 22 и 23 ТЭП 21 в рядах 19 ТЭЗ 18, расположенных в гнездах 17, горячими продуктами сгорания и охлаждении других спаянных концов ТЭП 21, расположенных в кольцевой камере нагрева 10, приточным воздухом, в рядах 19 ТЭЗ 18 каждой ТЭС 26 образуется термоэлектричество, которое суммируется в ТЭБ 28 и через токовыводы 29 и 30, преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1–8 не показаны) подается в электродвигатель 4. При этом проволочные отрезки 22 и 23 ТЭП 21 рядов 19 изолированы от непосредственного контакта с продуктами сгорания и воздухом слоем диэлектрического коррозионно-стойкого материала прямоугольных вставок 18, что предохраняет металлы М1 и М2 пар 22 и 23 ТЭП 21 от коррозии и появления между ними короткого замыкания. Выполнение вставок 18 прямоугольной формы, утопленных в прямоугольные гнезда 17, обеспечивает их прочную стыковку с поверхностью гнезд 17. Кроме того, включение в конструкции ТЭС 26 и ТЭБ 28 АТП последовательно соединенных между собой через конденсаторы 25 и 27, значительно снижает электрическое сопротивление ТЭБ 28 и, соответственно, увеличивает силу тока на токовыводах 29 и 30.

Регулирование процесса очистки выхлопных газов и режима работы АТП осуществляется изменением живого сечения щелей 9 путем поворота насадка 11 и изменением расхода топлива, подаваемого в горелку 5. Если очистка выхлопных газов не требуется, то АТП можно использовать без насадка 11.

По окончании работы АТП производится регенерация адсорбента – гранулированного доменного шлака 16, для осуществления которой с КСТО 7 снимается насадок 11, после чего адсорбент промывается водой.

Величина разности электрического потенциала на токовыводах 29 и 30 АТП зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 22 и 23 ТЭП 21, от числа их в ТЭЗ 8, числа ТЭС 26 в ТЭБ 28 и количества ТЭБ 28. Полученный электрический ток обеспечивает работу электродвигателя 4 вентилятора 3 и автономность работы АТП.

Таким образом, предлагаемая автономная тепловая пушка обеспечивает нагрев воздуха для децентрализованного отопления помещений, очистку выхлопных газов и генерацию электрической энергии за счет эффекта термоэлектричества, что позволяет использовать ее в автономном режиме и повышает экономическую и экологическую эффективность.