ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ
AIR HEATER

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для нагрева воздуха, подаваемого для отопления помещений широкого спектра назначений.
Известен воздухонагреватель газовый смесительный, содержащий цилиндрический корпус, горелочное устройство, установленное внутри концентрично с корпусом, вентилятор подачи нагреваемого воздуха и его завихритель (Пат. 2196942 РФ, опубл. 20.01.2003; заявл 09.10.2000, №2000125408, опубл. 10.09.2002; аналог). Его недостатком, резко снижающим область возможного применения, является смешение нагреваемого воздуха с газообразными продуктами сгорания топлива. При прочих равных условиях для получения более горячей газо-воздушной смеси необходимо увеличивать долю содержащихся в нем дымовых газов. При декларированном снижении содержания окиси углерода и окислов азота совершенно ясно, что и содержание кислорода в такой газо-воздушной смеси будет значительно ниже нормы. Такую смесь нельзя подавать, например, в шахту, производственные помещения, где работают люди.
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом, принятым в качестве прототипа, является воздухонагреватель рекуперативный револьверного типа, содержащий цилиндрический корпус и цилиндрическую камеру сгорания, установленные концентрично, конвективную поверхность нагрева, выполненную из труб, установленных равномерно вокруг камеры сгорания параллельно ее оси, спиральный канал в межтрубном пространстве конвективной поверхности нагрева, огибающий снаружи камеру сгорания от патрубка подвода воздуха до патрубка его отвода, газовую горелку и патрубок отвода дымовых газов (Пат. 2520274 РФ, опубл. 20.06.2014, заявл. 07.12.2012, №2012155298; прототип).
Недостатком прототипа является то, что при сжигании топлива газообразные продукты сгорания, дойдя до торцевой стенки камеры сгорания, поворачивают (реверсируют) в обратную сторону и выходят из камеры в пространстве между факелом и внутренней поверхностью цилиндрической камеры. Так как светимость реверсивных газообразных продуктов сгорания значительно ниже светимости факела, то они фактически экранируют факел от внутренней поверхности камеры сгорания, снижая тем самым радиационный теплообмен. Кроме того, регулирование температуры нагрева воздуха ограничено диапазоном регулирования производительности применяемого горелочного устройства.
Эти недостатки снижают эффективность работы воздухонагревателя.
Целью изобретения является повышение эффективности работы воздухонагревателя за счет вовлечения в теплообмен между продуктами сгорания топлива и нагреваемым воздухом радиационной составляющей и расширения диапазона регулирования температуры воздуха.
Поставленная цель достигается тем, что в воздухонагревателе, содержащем цилиндрический корпус и цилиндрическую камеру сгорания, установленные концентрично, конвективную поверхность нагрева, выполненную из труб, установленных равномерно вокруг камеры сгорания параллельно ее оси, спиральный канал в межтрубном пространстве конвективной поверхности нагрева, огибающий снаружи камеру сгорания от патрубка подвода воздуха до патрубка его отвода, горелочное устройство и патрубок отвода дымовых газов, в соответствии с техническим решением в качестве горелочного устройства установлена циклонная топка, камера сгорания преобразована в камеру догорания, между циклонной топкой и камерой догорания установлен соединительный газоход, ось цилиндрического корпуса ориентирована вертикально, между цилиндрическим корпусом и камерой догорания установлена аналогичным образом промежуточная труба, делящая конвективную поверхность нагрева на две - первую, расположенную между стенками промежуточной трубы и камеры догорания, и вторую, расположенную между стенками промежуточной трубы и цилиндрического корпуса, в верхней части промежуточной трубы между последними витками промежуточной трубной доски, образующей спиральный канал, выполнен проем, соединяющий воздушные пространства второй конвективной поверхности нагрева и первой, в нижней части промежуточной трубы выполнен проем, соединяющий в створе с выходным патрубком воздушное пространство первой конвективной поверхности нагрева с воздушным пространством второй, спиральный канал в межтрубном пространстве второй конвективной поверхности нагрева выполнен восходящим от входного патрубка до верхнего проема в промежуточной трубе, спиральный канал в межтрубном пространстве первой конвективной поверхности нагрева выполнен нисходящим, от верхнего отверстия в промежуточной трубе до нижнего, а соединительный газоход снабжен двумя и более патрубками с посадочными местами для крепления циклонных топок.
Сущность изобретения поясняется схемами. На фиг. 1 показан воздухонагреватель (общий вид); на фиг. 2 - то же (вид в плане); на фиг. 3 - компоновка воздухонагревателя (продольный разрез); на фиг. 4 - компоновка наружной, промежуточной и внутренней труб воздухоподогревателя (аксонометрическая проекция); на фиг. 5 - промежуточная труба (аксонометрическая проекция).
Воздухонагреватель содержит корпус 1, верхнюю крышку 2 с патрубком отвода дымовых газов, накрывающую корпус, нижнюю крышку 3, опоры 4, основание 5, циклонную топку 6 (две, три, четыре), соединительный газоход 7, патрубок подвода холодного 8 и отвода нагретого 9 воздуха.
В корпусе 1, выполненном из отрезка металлической трубы, ориентированного вертикально, концентрично ему установлена внутренняя труба 10 и промежуточная труба 11. Внутреннее пространство трубы 10 представляет собой камеру догорания 12; пространство между внутренней трубой 10 и промежуточной трубой 11 - воздушное пространство 13 первого конвективного пакета по ходу дымовых газов; пространство между промежуточной трубой 11 и корпусом 1 - воздушное пространство 14 второго по ходу дымовых газов конвективного пакета.
Воздушные пространства 13 и 14 сверху перекрыты трубной доской 15, снизу - аналогичной доской 16, в сквозные отверстия которых вставлены трубы 17, образующие поверхность нагрева первого конвективного пакета, и 18 - второго конвективного пакета. Внутреннее пространство труб 17 и 18 представляет собой газовое пространство, соответственно, первого и второго конвективных пакетов.
Сверху газовые пространства камеры догорания 12 и первого конвективного пакета перекрыты сферической крышкой 19, в средней части которой с внутренней стороны установлен конический ребристый рассекатель 20, обеспечивающий равномерное распределение дымовых газов по трубам первого конвективного пакета. Пространство между сферической крышкой 19 и трубной доской 15 представляет собой камеру разворота 21 дымовых газов.
Снизу газовые пространства первого и второго конвективных пакетов объединены торообразной крышкой 3, кольцевой канал 22 внутри которой также представляет собой камеру разворота дымовых газов. Крышка 3 является дном, которым воздухонагреватель опирается на основание 5 посредством опор 4.
Сверху газовые пространства труб 18 второго конвективного пакета перекрыты верхней сферической крышкой 2. Пространство между сферической крышкой 2 и трубной доской 15 представляет сборный газоход 23, посредством патрубка отвода дымовых газов связанный с атмосферой.
Трубы 17 первого конвективного пакета в пространстве между трубными досками 15 и 16 удерживаются на равном расстоянии друг от друга промежуточной трубной доской 24, навитой в виде спирали вокруг трубы 10, приваренной к внутренней поверхности промежуточной трубы 11. Витки трубной доски 24 образуют спиральный канал 25.
Трубы 18 второго конвективного пакета в пространстве между трубными досками 15 и 16 удерживаются на равном расстоянии друг от друга промежуточной трубной доской 26, также навитой в виде спирали, но вокруг промежуточной трубы 11 и приваренной к внутренней поверхности корпуса 1. Витки трубной доски 26 образуют спиральный канал 27.
В верхней части промежуточной трубы 11 в пространстве между последними витками промежуточной доски 26 выполнен проем 28, ширина которого соответствует шагу навивки промежуточной доски 26, а длина - не менее четверти длины окружности трубы 11. Этот проем соединяет воздушные пространства 13 и 14 первого и второго конвективных пакетов.
В нижней части промежуточной трубы 11 и в створе с патрубком отвода нагретого воздуха 9 выполнен проем 29 в пространстве между витками промежуточной доски 26 и аналогичными витками промежуточной доски 24. Этот проем также соединяет воздушные пространства 13 и 14 конвективных пакетов.
Снизу к трубе 10 болтовыми соединениями прикреплен соединительный газоход 7, который включает два, три или четыре посадочных патрубка 30 для установки циклонных топок 6 и летку 31 для удаления шлака и летучей золы топлива.
Воздухонагреватель работает следующим образом. Мелкодробленое топливо, например уголь, сжигают в наклонной циклонной топке 6. Раскаленные дымовые газы, по выходе из циклонной топки 6, проходят соединительным газоходом 7 и попадают в камеру догорания 12. Здесь догорают оксид углерода, водород и летучие, не успевшие сгореть в циклоне, а также мелкие частицы топлива, вылетевшие из циклонной топки (золовые частицы, вылетевшие из циклона, через летку 31 периодически удаляют). В камере 12 раскаленные дымовые газы передают часть заключенной в них теплоты сгорания топлива излучением радиационной поверхности нагрева, которой в данном случае является внутренняя поверхность трубы 10.
Отдав часть теплоты, дымовые газы выходят из камеры догорания 12 и коническим ребристым рассекателем 20 отклоняются от оси камеры догорания, делятся на примерно равные потоки и направляются в камеру разворота 21, которая меняет направление движения дымовых газов на противоположное.
Из камеры разворота 21 дымовые газы по трубам 17 первого конвективного пакета движутся вниз, отдавая часть своей теплоты конвекцией поверхности нагрева первого конвективного пакета, т.е. трубам 17, до камеры разворота 22.
В камере разворота 22 дымовые газы меняют направление своего движения на противоположное. По трубам 18 второго конвективного пакета они поднимаются до сборного газохода 23. Далее посредством трубы дымовые газы выводятся в атмосферу.
Холодный воздух по патрубку 8 поступает в воздушное пространство второго конвективного пакета и по спиральному каналу 27 движется вверх, поперечно омывая трубы 18; за счет конвективного теплообмена воздух нагревается. В верхней части воздушного пространства второго конвективного пакета воздух через проем 28 поступает в воздушное пространство первого конвективного пакета и далее по спиральному каналу 25 движется вниз. В этом канале воздух получает теплоту не только конвекцией за счет поперечного омывания труб 17, но и участвует в радиационном теплообмене, воспринимая теплоту излучения раскаленных дымовых газов в камере догорания 12.
Нагретый до заданной температуры в нижней части воздушного пространства первого конвективного пакета воздух через проем 29 выходит из него и по патрубку 9 следует к потребителю.
При проектировании воздухонагревателя трубы конвективных пакетов рассчитывают на пропуск максимального объема дымовых газов, когда в работе находятся все циклонные топки. В зависимости от температуры наружного воздуха, например летом, часть циклонных топок может быть выключена и воздухонагреватель может работать с одной циклонной топкой. При понижении температуры наружного воздуха в работу могут вводиться остальные топки по мере надобности, обеспечивая требуемую температуру нагретого воздуха.