УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНОГО 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.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство (Заявка на изобретение №2010117129 опубликована 10.11.2011 F23D 14/12), которое представлено мобильным аппаратом, разделенным на три отдельных, но взаимосвязанных пространства: рабочее, электродвигательное и техническое. Основное оборудование изобретения включает в себя горелочное устройство, дымогарную трубу, вентилятор (дымосос), отражательный экран, второй вентилятор, воздухоподогреватель, устройство для переноса и размещения аппарата; работа вентилятора осуществляется за счет электродвигателя, подключенного к электрическому аккумулятору.
Основным недостатком данного устройства является быстрый перегрев и выход из строя осевого вентилятора, создающего конвективное движение горячих газов над дымогарными трубами, а наличие дополнительного вентилятора и электродвигателя повышает вес устройства и усложняет его работу.
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 устройство для радиационно-конвективного нагрева рабочих тел содержит 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.
Основное оборудование изобретения включает в себя горелочное устройство, с помощью которого осуществляется организация смешения топлива и воздуха с образованием топливно-воздушной смеси и поддержание ее устойчивого сжигания, дымогарную трубу, в которой осуществляется развитие факела и движение дымовых газов, а также нагрев трубы для создания радиационно-конвективного теплопереноса от трубы к окружающей среде, вентилятор (дымосос), побуждающий движение дымовых газов от горелочного устройства по всей длине дымогарной трубы к ее выходу на воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе осуществляется теплообмен между уходящими дымовыми газами и холодным воздухом, в результате чего исходный воздух подогревается до температуры 100…250°С, при которой обеспечивается высокий КПД (до 85…90%) и повышается эффективность сжигания смеси. В верхней части рабочего пространства аппарата над дымогарной трубой и вентилятором располагается отражательный экран, включающий слой тепловой изоляции. Для создания радиационно-конвективного теплопереноса в аппарате размещается рассекатель, осуществляющий движение дымовых газов в рабочем пространстве корпуса, ограниченном отражательным экраном и нагреваемым рабочим телом. Рассекатель может быть выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов, объединенных в единую систему цилиндрической формы, которая может быть как стационарной, так и вращающейся под действием движущегося потока дымовых газов.
Температурный диапазон при эксплуатации устройства гибкий. Определяется поставленными задачами и зависит от свойств рабочих тел, параметров и режимов работы, а также климатических условий эксплуатации.
На фиг.1 показано устройство (вид снизу).
На фиг.2 показано устройство в сечении (вид сбоку).
На фиг.3 показаны варианты приспособления для транспортировки устройства.
Устройство включает теплоизолированный корпус 1, в котором размещена U-образная или П-образная дымогарная труба 2, связанная одним концом с горелочным устройством 3, а другим концом - с вентилятором (дымососом) 4. Вентилятор 4 соединен дымогарной трубой 2 с воздухоподогревателем 5. Для создания конвективного потока над дымогарной трубой 2 размещен рассекатель 6, соединенный с воздухоподогревателем 5 газоотводящей трубой 7. Горелочное устройство 3 соединено с воздухоподогревателем 5 воздухоподводящей трубой 8. В верхней части корпуса 1 над дымогарной трубой 2 и рассекателем 6 размещен отражательный экран 9. Для транспортировки устройства могут быть установлены приспособления для переноса (рукояти) 10 и (или) перевоза (платформа с колесами) 11, позволяющие упростить и облегчить перемещение.
Устройство работает следующим образом.
Устройство располагают с помощью приспособлений для транспортировки 10 и (или) 11 на поверхности рабочего тела (условно не показано), производят его включение через блок управления и электропитания (условно не показан), выбор режима нагрева и вывод на стационарный режим. При этом происходит одновременная работа всех элементов устройства с потреблением электрической энергии и газового топлива. Горелочное устройство 3 осуществляет смешение топлива и воздуха с образованием топливно-воздушной смеси и поддержание ее устойчивого сжигания. В дымогарной трубе 2 осуществляется развитие факела и движение дымовых газов, а также нагрев трубы 2 для создания радиационного теплопереноса от трубы к поверхности рабочего тела. Вентилятор (дымосос) 4, побуждает движение дымовых газов от горелочного устройства 3 по всей длине дымогарной трубы 2 к ее выходу на воздухоподогреватель 5 по газоотводящей трубе 7. В воздухоподогревателе 5 осуществляется теплообмен между уходящими дымовыми газами и холодным воздухом, забираемым извне устройства, в результате чего воздух подогревается до установленной температуры и подается по воздухоподводящей трубе 8. Уходящие газы после воздухоподогревателя 5 направляются по газоотводящей трубе 7 в рассекатель 6 для создания движения дымовых газов и интенсификации теплопередачи конвекцией. Тепловая энергия за счет конвекции и излучения передается рабочему телу, нагревая его до температуры в области значений 150…300°C. Отражательный экран 9 способствует повышению интенсивности излучающей способности дымогарной трубы 2.
При использовании устройства в качестве источника тепловой энергии при техническом и энергетическом обследовании различных строительных элементов зданий, сооружений, строений производится радиационно-конвективная 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, осуществляется быстрая скорость и большая глубина прогрева материала; с помощью устройства появляется возможность производить исследования по идентифицикации внутренних дефектов в рабочих телах методом неразрушающего контроля, при этом устройство имеет стабильный расход горючей смеси, сравнительно небольшой расход газового топлива и других видов энергии (электрической). При эксплуатации данного устройства соблюдены требования техники безопасности, связанные с выбросами отработанных газов в зоне действия персонала, чему способствует рациональная схема отвода отработанных дымовых газов внутрь рабочего пространства, наличие воздухоподогревателя для повышения эффективности работы устройства за счет подогрева холодного воздуха, идущего на сгорание и утилизацию теплоты уходящих газов, интенсификации конвективной составляющей теплопередачи за счет создания вихревого движения среды над дымогарной трубой, наличие устройств переноса или перевоза установки, позволяющей упростить и облегчить ее транспортировку, а также правильно его расположить в требуемом месте для осуществления технологического процесса прогрева.
Таким образом, предложенное устройство позволяет решить задачу нагрева, отогрева, обогрева рабочих тел (мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия) радиационно-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 радиационно-конвективного оттаивания мерзлого песчаного грунта, проводимые кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» при ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», глубина оттаивания увеличивается по зависимостям, сходным с зависимостями, определяемыми аналитическими и численными расчетами по различным известным математическим моделям и экспериментальным данным. При этом радиационно-конвективный способ нагрева позволяет в несколько раз быстрее осуществить оттаивание рабочих тел по сравнению с другими известными способами.
3
Так, например, при подводимой к песчаному грунту тепловой энергии в количестве 1300 Вт в течение 60 мин, глубина прогрева мерзлого песчаного грунта плотностью 1600 кг/м, влажностью 40%, начальной температурой (-10)°C, при наружной температуре воздуха (-2)°С, составила 250 мм, что, примерно, в 20 раз быстрее, чем при применении устройств, основанных на теплопередаче за счет теплопроводности (термоматы).