УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА РАБОЧИХ ТЕЛ

Устройство относится к теплоэнергетике и строительству и может быть использовано в качестве источника тепловой энергии для нагрева любых рабочих тел, обнаружения внутренних дефектов в рабочих телах тепловым методом неразрушающего контроля, при аварийных и ремонтно-строительных работах для обогрева, отогрева мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия и других строительных материалов. Устройство может применяться при энергетических и технических обследованиях различных строительных элементов зданий, сооружений, строений.
Известно устройство (Пат. 2208741 RU F24D 5/08), содержащее корпус, внутренняя сторона которого выполнена с полостью, чтобы задать канал, в котором установлена топочная труба; при этом отопительный агрегат имеет горелку, связанную с первым концом трубы, и первое вентиляторное средство, связанное с трубой, для перемещения газообразных продуктов сгорания по трубе от первого конца ко второму ее концу; корпус имеет отверстие на своей верхней поверхности, отверстие связано со вторым вентиляторным средством для направления воздуха в канал внутри корпуса, и теплообменную пластину, установленную между трубой и отверстием, при этом тепло-обменной пластине придана такая форма, что она окружает верхнюю поверхность трубы с тем, чтобы поглощать излучение от нее и исключить проникновение воздуха из отверстия непосредственно на трубу, в результате чего воздух нагревается теплообменной пластиной до прохождения вниз через нижний конец канала.
Недостатки устройства заключаются в том, что величина теплового потока, создаваемого движением подогретого воздуха за счет его нагрева от теплообменной пластины, будет всегда меньше величины теплового потока, создаваемого движением горячих дымовых газов (как предложено в заявленном решении), то теплопроизводительность устройства будет невысокой и не обеспечит прогрев рабочего тела (например, оттаивание массы смерзшегося грунта в зимний период). Кроме того, устройство не использует теплоту уходящих газов, что значительно снижает КПД установки.
Известно устройство (Пат. 2161672 RU E01C 23/14), содержащее корпус, в котором расположена камера, имеющая входное отверстие для приема горячего газа от горелки и излучающую поверхность с множеством отверстий. Отверстия в излучающей поверхности имеют такие размеры, чтобы горячий газ нагревал излучающую поверхность для создания радиационного теплопереноса к асфальтовому покрытию и проходил сквозь отверстия для создания конвенционного теплопереноса к асфальтовой поверхности.
Недостатки устройства заключаются в том, что тепловой поток создается только за счет излучения от специальной поверхности, нагреваемой дымовыми газами, подобное устройство обладает меньшим КПД по сравнению с заявленным решением в виду только одной составляющей теплопередачи - лучистой. Конвективный поток здесь если и возникает, то незначительный.
Известно устройство (Пат. 129608 RU F24H 3/00), содержащее корпус с расположенной в нем дымогарной трубой, на одном конце которой смонтирована газовая горелка с каналами для подачи газа и воздуха, на другом конце - вентилятор, воздухоподогревателем, а также отражательным экраном, при этом труба имеет U-образную или П-образную форму; воздухоподогреватель соединен одним каналом с воздухоподводящей трубой к газовой горелке, а другим каналом - посредством газоотводящей трубы с вентилятором на входе и с неподвижным или вращающимся рассекателем на выходе, который, в свою очередь, размещен между дымогарной трубой и отражательным экраном, и выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов.
Недостатком данного устройства является быстрый перегрев и выход из строя вентилятора, создающего конвективное движение горячих газов, а размещение оборудования в едином корпусе повышает вес устройства и усложняет его работу. Кроме того, такое устройство должно быть подключено к электросети, что в условиях эксплуатации невыполнимо.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство (Пат. 137969 F24H 3/00), содержащее корпус с рукоятями, с расположенными в нем газовой горелкой, вентилятором для подачи воздуха и завихрителем дымовых газов, при этом корпус устройства представлен теплоизолированной снизу платформой, на которой размещены соединенные электрически электрогенератор и теплогенератор. Теплогенератор включает в себя камеру сгорания, воздушную решетку, систему регулирования мощности и систему подачи газового топлива, при этом теплогенератор на выходе соединен с поворотным патрубком, другим концом выходящим под платформу, на конце которого размещен завихритель. Платформа может размещаться на поверхности земли при помощи меняющих высоту ног, при этом по всему периметру платформы до поверхности земли размещена защитная юбка, а над платформой установлен съемный тент.
К основным недостаткам устройства относится то, что горизонтальное расположение теплогенератора и поворотный патрубок создают увеличение пути движения дымовых газов и понижение их температуры под платформой (падение температуры составляет от 90 до 70% от номинальной). При этом труба отвода выхлопных газов электрогенератора организована в верхней части платформы в зону работы персонала, обслуживающего установку, что создает сложности в ее обслуживании в течение продолжительной работы и влияет на самочувствие людей. Кроме того, указанное устройство не может работать при остановленном электрогенераторе и требует либо его запуск для включения теплогенератора, либо подключение к электросети. Такое устройство сложно или невозможно извлекать и погружать в котлован оттаиваемого грунта за рукояти на глубину выше полуметра в виду небольшого зазора между установкой и стенами котлована.
Целью разрабатываемого устройства является повышение качества, надежности и эффективности устройств, применяемых для нагрева рабочих тел, усовершенствование методов поверхностного обогрева и отогрева мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия радиационно-конвективным способом, при минимальных затратах энергии и времени, с учетом требований экологической безопасности, связанных с выбросами отработанных газов в воздушный бассейн, обнаружение и исследование дефектов в рабочих телах.
Поставленная цель достигается тем, что теплогенератор размещен перпендикулярно платформе, обеспечивая тем самым минимальные тепловые потери в окружающую среду и высокую температуру дымовых газов в рабочую зону под платформу. На кожухе устройства устроены специальные уши, к которым пристегиваются ремни для погружения установки на любую глубину и ее обратное извлечение из котлована. Для доступа воздуха в теплогенератор на кожухе устройства организован по крайней мере один защитный колпак, обеспечивающий изоляцию от сильного ветра, осадков и регулирующий подачу воздуха на сгорание. Автономная работа устройства (период запуска и заправки электрогенератора топливом) организована за счет присоединения аккумулятора электрической энергии к системе регулирования мощности.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки, состоящей из теплоизолированной снизу платформы 1, на которой размещен электрогенератор 2 и теплогенератор, включающий в себя теплоизоляционный корпус 3, вентиляторный блок 4, горелочное устройство 5, камеру сгорания 6, воздушную решетку 7, систему регулирования мощности 8 и систему подачи газового топлива 9. Теплогенератор размещен перпендикулярно платформе 1, один конец которого проходит ее насквозь и заканчивается завихрителем 10. Электрогенератор 2 снабжен крышкой для заполнения жидким топливом 11, трубой отвода выхлопных газов 12 и патрубком подачи воздуха 13. Платформа 1 устанавливается горизонтально на неровную поверхность земли при помощи выдвигающихся из платформы и меняющих высоту ног 14, при этом по всему периметру платформы до поверхности земли размещена защитная юбка 15. Для снабжения газовым топливом предусмотрен отдельно стоящий баллон 16. Для перемещения платформы 1 устроены рукояти 17 и специальные уши 18 для ремней. Для защиты оборудования платформы 1 устроен съемный или раскрывающийся кожух 19. На корпусе устройства организован по крайней мере один защитный колпак 20. Для автономной работы устройства на платформе 1 размещен аккумулятор электрической энергии 21, соединенный с системой регулирования мощности 8.
Для создания горячего теплоносителя I, состоящего из дымовых газов II от сгорания газового топлива III и воздуха IV в электрогенераторе 2 предусмотрено сжигание жидкого топлива V с отводом выхлопных газов VI.
На фиг. 2 изображена схема размещения установки на поверхности земли для прогрева ограниченной зоны F.
Устройство работает следующим образом.
Платформу 1 переносят с помощью рукоятей 17, устанавливают строго горизонтально с помощью выдвигающихся и меняющих высоту ног 14 на поверхности земли в зоне прогрева F. Баллон 16 размещают на расстоянии не менее 1 метра от базовой части и соединяют с ней газовым резиновым или резино-полимерным шлангом (условно не показан), после чего открывают газовый редуктор баллона (условно не показан).
Заправка электрогенератора 2 осуществляется через крышку для заполнения жидким топливом 11. Запуск выполняется с помощью блока управления (условно не показан). За счет сгорания топливно-воздушной смеси, состоящей из жидкого топлива V и воздуха IV вырабатывается электрическая энергия, которая обеспечит работу теплогенератора. Образующиеся продукты сгорания удаляются через трубу отвода выхлопных газов 12.
После запуска электрогенератора 2 и выхода его на стационарньш режим производят включение теплогенератора и выбирают режим нагрева через систему регулирования мощности 8 и систему подачи газового топлива 9. Включается вентиляторный блок 4, нагаетающий воздух IV из окружающей среды через воздушную решетку 7 к горелочному устройству 5. Одновременно к нему через систему подачи газового топлива 9 из баллона 16 подается газовое топливо III, где смешивается с воздухом, образуя газо-воздушную смесь, которая горит в камере сгорания 6. При этом выделяются дымовые газы II, которые направляются вдоль камеры сгорания на выход из теплогенератора, смешиваются с воздухом IV, образуя горячий теплоноситель I.
Из теплогенератора горячий теплоноситель I направляется под платформу 1, при этом на выходе расположен завихритель 10, в котором поток горячего теплоносителя I закручивается, тем самым создается циркуляционное движение среды в пространстве, ограниченном защитной юбкой 15. После выхода теплогенератора на стационарный режим контролируется производительность установки с помощью системы регулирования мощности 9.
По мере углубления установки в прогреваемый грунт F установка опускается в разрабатываемый котлован и извлекается с помощью ремней (условно не показаны), прикрепленных к специальным ушам 18.
При использовании устройства в качестве источника тепловой энергии при техническом и энергетическом обследовании различных строительных элементов зданий, сооружений, строений производится теплопередача в обследуемый материал, при этом по характеру распределения теплового потока определяются его теплотехнические качества и скрытые дефекты. Обследование производится в соответствии с методом определения плотности тепловых потоков (ГОСТ 25380-82), проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции жилых, общественных, производственных и сельскохозяйственных зданий и сооружений при экспериментальном исследовании и в условиях их эксплуатации, а также методом неразрушающего контроля теплового вида (ГОСТ 18353-79), применяемым при исследовании тепловых процессов в изделиях.
Достоинством предложенного устройства является то, что, по сравнению с другими средствами нагрева, отогрева, обогрева рабочих тел, например, мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия, предложенное устройство работает автономно без подключения к системам энергоснабжения, не зависит от качества поверхности размещения установки (вплоть до 30%-ном уклоне поверхности) и ее состояния (лед, вода, песок). При этом осуществляется быстрая скорость и большая глубина прогрева рабочего тела. Предложенное устройство мобильно и может обслуживаться бригадой в количестве двух человек.
Таким образом, предложенное устройство позволяет решить задачу нагрева, отогрева, обогрева рабочих тел (мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия) конвективным способом при аварийных и ремонтно-строительных работах, повысить качество, надежность и эффективность устройств подобного класса, применяемых для нагрева любых рабочих тел, проводить энергетические и технические обследованиях различных строительных элементов зданий, сооружений, строений, проводить дефектоскопию рабочих тел.
Как показали расчетно-экспериментальные исследования устройства для конвективного оттаивания мерзлого песчаного грунта, проводимые кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» при ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный университет», глубина оттаивания увеличивается по зависимостям, сходным с зависимостями, определяемыми аналитическими и численными расчетами по различным известным математическим моделям и экспериментальным данным. При этом конвективный способ нагрева позволяет в несколько раз быстрее осуществить оттаивание рабочих тел по сравнению со способами на базе теплопроводности.
Так, например, при подводимой к песчаному грунту тепловой энергии в количестве 30 кВт в течение 0,5 ч, глубина прогрева мерзлого грунта влажностью 40% с начальной температурой (-8)°C при наружной температуре воздуха (-6)°C составила 310 мм, что, примерно, на 20% глубже, чем в прототипе и в 30-40 раз быстрее, чем при применении устройств, основанных на теплопередаче за счет теплопроводности (термоматы). Кроме того, устройство может быть заглублено в грунт более чем на 2 метра; оперативно опущено и поднято для удаления оттаявшего грунта.