КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОВОЙ ИМИТАТОР

Полезная модель относится к области военного дела и может быть использована при имитации работающей боевой техники в ложных районах сосредоточения войск и создания отдельных ложных тепловых целей для наводки на них боеприпасов противника с тепловыми головками самонаведения, а также для обогрева личного состава, аппаратуры, малогабаритных войсковых фортификационных сооружений и разогрева пищи с соблюдением требований пожарной безопасности и высокой экологичности.
Известен «Имитатор тепловой каталитический» - аналог (Патент РФ №2115084, МПК F41H 13/0, авторы: Ватолин В.В., Дулькин И.И. и др.), содержащий топливный бак, съемную каталитическую насадку, фитиль и компенсаторную трубку.
Недостатками такого технического устройства является то, что имитатор такой конструкции из-за длительного времени, необходимого для выхода его на рабочий режим (до 15 минут), не соответствует нормативным требованиям для возможности эксплуатации в войсках.
Известен «Каталитический тепловой имитатор» - прототип (Патент РФ №2464522 от 15.20.2010 г., МПК-7 F41H 13/00, МПК-7 F23D 14/18., авторы: Кутавин А.Н., Федоров А.Ю., опуб. 20.10.2012 г.), содержащий топливный баллон, перфорированный стакан, катализаторный блок, фитиль и сетку-стабилизатор пламени при запуске.
Недостатками такого технического устройства является то, что время его запуска и выхода на рабочий режим, особенно при работе на тяжелых углеводородных топливах, достаточно продолжительное и не соответствует нормативным техническим требованиям, предъявляемым к имитаторам. Кроме того при прерывистом режиме работы, требующем частые запуски имитатора для решения поставленных задач имитации, приходится держать его постоянно работающим, что приводит к значительным непродуктивным расходам топлива и трудозатратам.
Задачей предложенного технического решения является улучшение эксплуатационных характеристик теплового имитатора и достижения экономии в расходовании топлива за счет возможности использования его в «ждущем (спящем, дежурном, выжидательном) режиме» работы, позволяющем, при необходимости, быстро переходить на номинальную мощность и, наоборот, с соблюдением требований пожарной безопасности и высокой экологичности.
Предложенное техническое решение основано на использовании в полезной модели явления миграции высокотемпературной плоскости окисления топлива по высоте слоя катализатора. При снижении концентрации кислорода эта плоскость смещается от наружной поверхности к внутренней. Таким образом, прекращается излучение тепла в окружающую среду, а все оно направляется на поддержание автотермического окислительного процесса в нескольких наиболее активных точках или локальных зонах катализатора.
Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 показан вид каталитического теплового имитатора в разрезе; на фиг. 2 показано применение теплового имитатора для разогрева пищи или обогрева малогабаритного помещения за счет установки дополнительного металлического теплового отражателя.
Каталитический тепловой имитатор (фиг. 1, 2), содержащий топливный баллон 1, перфорированный стакан 2, катализаторный блок 3 и фитиль 4, отличается тем, что в нем предусмотрен пусковой фитиль 5, а перфорации в стенках стакана 2 выполнены в виде двух рядов вентиляционных отверстий, нижнего 6 и верхнего 8, закрываемых соответствующими регулировочными кольцами 7 и 9. При этом нижнее регулировочное кольцо 7 имеет фиксированное положение «ждущий режим», при котором в катализаторный блок 3 поступает ограниченное количество воздуха, обеспечивающее лишь поддержание автотермического процесса каталитического окисления (горения) топлива без заметного теплоизлучения во внешнюю среду.
В зависимости от концентрации кислорода и количества подаваемого в зону окисления (горения) воздуха, потребление топлива для поддержания «ждущего режима» составляет 3-5% от номинального. Естественно, оно зависит от качества катализатора и топлива, от окружающей температуры и конструктивных особенностей имитатора. При свободной подаче воздуха у готового к работе катализатора (прогретого, и имеющего внутри пары топлива) быстро включается весь объем, а плоскость окисления смещается к наружной поверхности, обеспечивая почти стопроцентное излучение всей тепловой энергии в инфракрасном диапазоне спектра.
2
Для работы каталитического имитатора топливный баллон 1 выполняется с заливной горловиной для заправки топливом, закрываемой пробкой 10, а внутри него помещается термостойкий гигроскопический заполнитель 11. Сверху баллона 1 закрепляется стакан 2 с вентиляционными отверстиями 6 и 8 с соответствующими регулировочными кольцами 7 и 9, а также крышкой 12. Внутри стакана 2 находится катализаторный блок 3, представляющий собой заключенный между двух сеток катализатор на волоконном носителе в виде цилиндра. Вентиляционные отверстия нижнего ряда 6 и - верхнего 8 служат для создания направленного воздушного потока в пространстве между катализаторным блоком и стаканом, т.е. тяги. В нижние отверстия 6 поступает холодный свежий воздух, а из верхних 8 выходят горячие отработанные газы (смесь CO), обедненного кислородом воздуха и паров воды. Отверстия закрываются регулировочными кольцами 7 и 9. При их повороте устанавливается апертура вентиляционных отверстий, а тем самым и теплопроизводительность имитатора. Для этого верхнее кольцо 9 имеет два фиксируемых положения: вкл. и выкл., а нижнее кольцо 7 -три: вкл., ждр., выкл. Положение ждр. обозначает «ждущий режим». Для подачи топлива во внутреннюю полость катализаторного блока предназначен фитиль 4, а для запуска имитатора пусковой фитиль 5. Сетка-стабилизатор 13 при запуске имитатора исключает отрыв пламени от пускового фитиля 5.
Перед началом работы в имитаторе необходимо снять пробку 10 и заправить баллон 1 топливом через заливную горловину, а также открыть полностью нижние 6 и верхние 8 вентиляционные отверстия, установкой регулировочных колец нижнего 7 и верхнего 9 в положение вкл. Запуск производится поджогом пускового фитиля 5 через нижнее вентиляционное отверстие 6. Автотермический процесс устанавливается после разогрева катализатора до температуры 200-300°C и поступления в него паров топлива из фитиля 4. Свидетельством этого является мощный тепловой поток с катализаторного блока. Установка уровня теплопроизводительности производится изменением апертуры вентиляционных отверстий. Для гашения имитатора оба кольца устанавливаются в положение выкл., при котором вентиляционные отверстия полностью перекрываются, и исключается всякое поступление кислорода воздуха в зоны реакции в катализаторе.
Перевод работающего в номинальном режиме имитатора на «ждущий режим» осуществляется закрытием верхних вентиляционных отверстий 8 и установкой нижних 6 в положение ждр. Поступление кислорода резко снижается и плоскость окисления (горения) с наружной поверхности катализатора уходит на внутреннюю. Температура процесса снижается, а самоокисление сохраняется локально лишь в отдельных точках катализатора.
Надежность сохранения выжидательного процесса гарантирована тем, что испарение топлива обеспечивается расположением фитиля 4 на оси катализаторного цилиндра 3, где фокусируется все тепловое излучение его внутренней поверхности, а кислород в необходимом количестве поступает через частично закрытые отверстия 6 нижнего ряда. Для перевода имитатора из «ждущего режима» в номинальный (рабочий) достаточно открыть полностью верхние 8 и нижние 6 вентиляционные отверстия и убедиться в стремительном росте температуры наружной излучающей поверхности.
Эффективность предложенной полезной модели заключается в том, что режим работы имитатора находится в постоянной готовности к быстрому переходу на номинальную мощность, что обеспечивает непрерывность его действия при значительной экономии топлива и ресурса катализатора. Кроме того наличие «ждущего режима» резко снижает трудозатраты на имитационные мероприятия, допускает возможность создания систем дистанционного управления имитаторами.
Предлагаемый каталитический имитатор в зависимости от габаритов, определяющих тепловую его мощность, и от наличия устройств для отвода отработанных газов из выходных отверстий, а также от конструкции топливных емкостей, может быть использован в народном хозяйстве в качестве средства двойного применения для обогрева помещений, теплиц, техники, в роли индивидуальных грелок и т.п. Вариант применения каталитического теплового имитатора для подогрева пищи 14 (консервов) или ускоренного обогрева небольшого помещения за счет дополнительной установки металлического теплового отражателя 15 показан на фиг. 2.
Достоинством полезной модели является простота конструкции, независимость от внешних источников энергии, автономность работы без обслуживающего персонала с соблюдением требований пожарной безопасности и высокой экологичности. При этом удобство эксплуатации достигается за счет быстрого перехода из одного режима работы на другой. При работе в «ждущем режиме» топливо расходуется лишь на поддержание процесса окисления в нескольких точках катализатора без наличия теплоизлучения во внешнюю среду, что составляет менее 5% его расхода по сравнению с расходом при работе с номинальной мощностью. При полном открытии вентиляционных отверстий имитатор быстро переходит на режим номинальный, что обеспечивает резкое сокращение времени на подготовку имитатора к действию и затраты на имитационные мероприятия.
Производство таких имитаторов не требует дорогостоящей оснастки и специального оборудования и может быть организовано на любом металлообрабатывающем предприятии.
Разработанная рабочая конструкторская документация и изготовленные по ней в условиях мастерской три экспериментальных образца имитаторов мощностью от 100 до 500 Вт подтвердили в ходе испытаний положительные результаты и вышеизложенные положения. По критерию оценки «эффективность применения - стоимость» предложенное техническое решение примерно в два раза превосходит существующие аналоги.