Генератор для получения горячей или перегретой воды
GENERATOR FOR RECEIVING HOT OR SUPERHEATED WATER

Изобретение относится к средствам нагрева для получения горячей или перегретой воды, в частности используемым в установках пожаротушения, размещаемых стационарно либо с возможностью перемещения на прицепных транспортных средствах или непосредственно на автомобильных шасси. Также предлагаемое устройство может широко применяться для ликвидации аварийных ситуаций в коммунальном хозяйстве городов, на промышленных объектах и в технологических процессах сельского хозяйства.
В конкретном описании используется термин «перегретая вода», под которым подразумевается вода, находящаяся в генераторе при повышенном давлении при температуре выше 1150°С.  Поданная из генератора перегретая вода в критическом сечении распылителя за 10-4–10-9 секунды после взрывного вскипания, происходящего из-за резкого изменения давления среды нахождения, образует струю парокапельной смеси – смеси капель воды и пара в метастабильном состоянии.
Парокапельная смесь не содержит воздуха, так как состоит из пара и капель воды. Пар, попадая в зону высокой температуры, расширяется, разбавляя и вытесняя воздух, уменьшая содержание кислорода в зоне горения. Следствие резкого понижения кислорода в свою очередь приводит к быстрому, эффективному, без повторного возгорания, тушению очага пожара. Капли воды, попадая в зону горения, вскипают, интенсивно охлаждая горящий объект или вещество и увеличивают объем пара. Кроме того, пар обладает ингибирующими свойствами. Поэтому при применении перегретой воды в процессе тушения огня используются все механизмы прекращения пламенного горения.
Известен генератор для получения горячей или перегретой воды, описанный в патенте РФ №2345807, (приор. 06.07.2007, опубл. 10.02.2009). Согласно изобретению, генератор содержит цилиндрический корпус, с одной стороны которого расположено горелочное устройство, а с другой дымоход и змеевик с входным и выходным патрубками, расположенный внутри корпуса и имеющий плоские спирали. Змеевик с входным и выходным патрубками состоит из двух участков, первый из которых расположен со стороны горелочного устройства и выполнен в виде цилиндрической спирали, расположенной коаксиально корпусу по его внутренней стенке, а второй участок змеевика выполнен в виде плоских спиралей, соосных корпусу и расположенных попарно с чередованием в каждой паре правой и левой намоток спиралей, при этом второй участок змеевика расположен в корпусе со стороны дымохода, а выходной патрубок соединен с первой частью змеевика.
Недостатком генератора является его относительно большая длина, которая составляет не менее 3-х метров. Для установки такого длинного генератора необходим автомобиль с длинным кузовом, что ограничивает маневренность автомобиля, зачастую препятствует доставку оборудования, например к месту пожара.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является «Генератор для получения горячей или перегретой воды» описанный в патенте РФ №2700492 (приор. 26.11.2018, опубл. 17.09.2019). Согласно патенту, генератор для получения горячей или перегретой воды содержит горизонтально устанавливаемый цилиндрический корпус с торцевой стенкой и расположенными с противоположной стороны от торцевой стенки отверстием для подачи горячего воздуха и входным и выходным патрубками змеевика. Также генератор содержит выхлопное отверстие и опоры. При этом внутри цилиндрического корпуса вплотную к отверстию для подачи горячего воздуха расположен цилиндр. Змеевик со входным и выходным патрубками состоит из трех участков. Первый участок выполнен в виде цилиндрической спирали, расположенной коаксиально цилиндру по его внутренней стенке. Второй участок змеевика выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу и расположенных попарно с чередованием в каждой паре правой и левой намотки спиралей. Второй участок змеевика расположен в корпусе со стороны торцевой стенки. Третий участок змеевика выполнен в виде цилиндрической спирали, расположенной коаксиально цилиндрическому корпусу по его внутренней стенке. При этом выхлопное отверстие выполнено в верхней части цилиндрического корпуса вблизи отверстия для подачи горячего воздуха. Сам корпус расположен на опорах.
Недостатком генератора, описанного в патенте, является недостаточная энергетическая эффективность при нагреве воды из-за того, что в конструкции для теплообмена не используется максимально возможная поверхность змеевика, а также не оптимально используется подаваемый горячий воздух. Поэтому тепловая энергия, полученная в процессе сжигания топлива, не используется максимально.
Задачей, поставленной перед настоящим изобретением, является повышение энергоэффективности за счет увеличения площади поверхности нагрева змеевика. При этом техническим результатом, который достигается в заявленном изобретении, является возможность уменьшения габаритных размеров генератора для получения горячей или перегретой воды при сохранении технических характеристик, в том числе надежности и долговечности работы генератора.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что генератор для получения горячей или перегретой воды содержит горизонтально устанавливаемый на опоры цилиндрический корпус с двумя торцевыми стенками. В первой торцевой стенке выполнено отверстие для подачи горячего воздуха. На второй торцевой стенке установлен рассекатель потока горячего воздуха, имеющий форму конуса, вершина которого обращена в сторону отверстия для горячего воздуха. Генератор снабжен выхлопным отверстием. Внутри цилиндрического корпуса расположен змеевик со входным патрубком для подачи холодной воды и выходным патрубком для вывода горячей воды. Змеевик состоит из пяти участков. Второй участок имеет форму цилиндра, расположенного соосно цилиндрическому корпусу рядом с его внутренней стенкой, и выполнен в виде спиральных витков. Третий участок змеевика выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу и расположенных попарно с чередованием в каждой паре правой и левой намотки спиралей. Третий участок змеевика расположен в корпусе со стороны торцевой стенки. Четвертый участок змеевика выполнен в виде цилиндрической спирали, расположенной соосно цилиндрическому корпусу. При этом первый участок змеевика, соединенный со входным патрубком, выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу и расположенных на первой торцевой стенке. Витки змеевика на втором и на четвертом участке выполнены вплотную друг к другу. Внутри цилиндра, образуемого четвертым участком змеевика, установлены турбулизаторы потока горячего воздуха в виде усеченных конусов. Вплотную к первой торцевой стенке установлен упорный конус для направления теплового потока внутрь корпуса генератора, сопряженный с отверстием для подачи теплового потока. На внутренней поверхности упорного конуса расположен пятый участок змеевика, соединенный с выходным патрубком.
В частном случае стенки соседних витков спиралей змеевика, расположенных на втором и четвертом участках снабжены герметизирующей проволокой.
Выполнение первого участка змеевика, соединенного со входным патрубком в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу и расположенных на первой торцевой стенке увеличивает площадь передачи энергии теплового потока нагреваемой в змеевике воде, а также является тепловой защитой первой торцевой стенки генератора, повышающей надежность и долговечность работы генератора.
Витки змеевика на втором участке выполнены вплотную друг к другу как для увеличения площади передачи тепловой энергии нагреваемой в змеевике воде, так и для тепловой защиты корпуса генератора, повышая надежность и долговечность работы генератора. На втором участке также предпочтительно использование герметизирующей проволоки между стенками соседних витков спиралей змеевика.
То, что витки змеевика на четвертом участке выполнены вплотную друг к другу позволяет изолировать тепловые потоки, идущие внутри и снаружи цилиндра, образуемого змеевиком на четвертом участке. Применение герметизирующей проволоки повышает надежность изоляции тепловых потоков на четвертом участке змеевика.
Применение турбулизаторов потока горячего воздуха в виде усеченных конусов различного диаметра позволяет преобразовать ламинарный тепловой поток в турбулентный, что значительно увеличивает нагрев находящейся в змеевике воды.
Установка упорного конуса вплотную к первой торцевой стенке корпуса генератора и сопряженным с отверстием для подачи теплового потока позволяет направить тепловой поток внутрь корпуса генератора, при этом расположение на внутренней поверхности пятого участка змеевика увеличивает площадь передачи тепловой энергии от теплового потока нагреваемой в змеевике воде.
Таким образом, все существенные признаки формулы изобретения направлены на повышение энергоэффективности генератора, в том числе за счет увеличения площади поверхности нагрева змеевика.
При этом возникает возможность уменьшения габаритных размеров генератора для получения горячей или перегретой воды при сохранении технических характеристик, в том числе надежности и долговечности работы, что позволяет достигнуть указанный технический результат.
Следует отметить, что уменьшение габаритных размеров генератора позволяет его устанавливать не только на шасси большегрузных автомобилей, но и на шасси небольших автомобилей, а также на прицепные устройства. Это увеличивает маневренность и значительно облегчает доставку оборудования, например для пожаротушения к местам чрезвычайных ситуаций, в том числе надежности и долговечности работы.
В последующем заявляемое изобретение поясняется подробным описанием конкретного, но не ограничивающего настоящее решение, примера его выполнения и прилагаемым чертежом, на котором схематично изображен общий вид генератора.
Генератор для получения горячей или перегретой воды содержит горизонтально устанавливаемый цилиндрический корпус 1 с первой торцевой стенкой 2, в которой выполнено отверстие 3 для подачи горячего воздуха, второй торцевой стенкой 4, входным патрубком 5 и выходным патрубком 6 змеевика 7. Также генератор содержит выхлопное отверстие 8 и опоры 9.
Вплотную к первой торцевой стенке 2 установлен упорный конус 10 сопряженный с отверстием 3 для подачи теплового потока для направления теплового потока внутрь корпуса 1 генератора.
На внутренней стороне второй торцевой стенки 4 корпуса 1 генератора в описываемой конструкции установлен рассекатель 11 потока горячего воздуха. Рассекатель 11 имеет форму конуса, вершина которого обращена в сторону отверстия 3 для подачи горячего воздуха.
Змеевик 7 расположен внутри цилиндрического корпуса 1 генератора и соединен со входным патрубком 5 для подачи холодной воды и выходным патрубком 6 для вывода горячей воды.
Змеевик 7 состоит из пяти участков.
Первый участок 12 змеевика 7 соединен со входным патрубком 5. Первый участок 12 змеевика 7 выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу 1 и расположенных на первой торцевой стенке 2.
Второй участок 13 змеевика 7 выполнен в виде цилиндрической спирали, расположенной соосно цилиндрическому корпусу 1 и рядом с его внутренней стенкой. Витки змеевика 7 на втором участке 13 выполнены вплотную друг к другу. Стенки соседних витков спиралей змеевика 7, расположенных на втором участке 13 снабжены герметизирующей проволокой 14, как это показано на виде А прилагаемого чертежа.
Третий участок 15 змеевика 7 выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу 1 и расположенных попарно с чередованием в каждой паре правой и левой намотки спиралей. Третий участок 15 змеевика 7 расположен в корпусе 1 со стороны второй торцевой стенки 4.
Четвертый участок 16 змеевика 7 имеет форму цилиндра, расположенного соосно цилиндрическому корпусу 1, и выполнен в виде спиральных витков. Витки змеевика 7 на четвертом участке 16 выполнены вплотную друг к другу. Стенки соседних витков спиралей змеевика 7, расположенных на четвертом участке 16 снабжены герметизирующей проволокой 14, как это показано на виде А прилагаемого чертежа.
Пятый участок 17 змеевика 7 соединен с выходным патрубком 6, и расположен на внутренней поверхности упорного конуса 10.
Внутри цилиндра, образуемого вторым участком 13 змеевика 7, установлены турбулизаторы 18 потока горячего воздуха. Турбулизаторы 18 имеют форму усеченных конусов.
Для описания работы генератора для получения горячей или перегретой воды на представленном чертеже схематично указана горелочное устройство 19 с регулируемым наддувом воздуха, которое в конструкцию заявляемого изобретения не входит.
Для нагрева воды до 374°С возможно использование транспортируемых горелочных устройств, с мощностью до 6 МВт, и стационарных горелочных устройств, с мощностью до 20 МВт в зависимости от мощности генератора.
При этом горелочные устройства могут работать на различных видах топлива, например жидком или газообразном.
Работа генератора осуществляется следующим образом.
Вода через входной патрубок 5 нагнетается насосом в змеевик 7. Для нагрева воды до 2300°С с обеспечением давления больше давления насыщенных паров используют насосы общего применения с давлением до 50 МПа. Для нагрева воды до 3740°С, используют насосы целевого применения с давлением до 22,1 МПа. При этом расход воды будет составлять от 0,3 до 6 л/с.
Горячий воздух в виде факела пламени, создаваемого горелочным устройством 19 и обеспеченного необходимым подпором воздуха, через отверстие 3 для подачи горячего воздуха и направляемый упорным конусом 10 попадает внутрь корпуса 1 генератора. Проходя через упорный конус 10 горячий воздух греет воду в змеевике 7 на его пятом участке 17.
Затем горячий воздух попадает в объем, ограниченный цилиндром, образованным спиральной навивкой змеевика 7 на четвертом участке 16. Внутри цилиндрического четвертого участка 16 расположены турбулизаторы 18, выполненные виде усеченных конусов различного диаметра. Турбулизаторы 18 обеспечивают преобразование ламинарного теплового потока в турбулентный, что значительно увеличивает нагрев находящейся в змеевике 7 воды.
Выполнение стенок соседних витков четвертого участка 16 змеевика 7 вплотную друг к другу с герметизирующей проволокой 14, как это показано на виде А, не позволяет горячему воздуху переходить во второй объем генератора.
Далее горячий воздух попадает на вторую торцевую стенку 4 и на рассекатель 11. Движение горячего воздуха меняет движение на противоположное, попадая во второй объем, в котором размещен третий участок 15 змеевика 7. Третий участок 15 змеевика 7 выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу 1 и расположенных попарно с чередованием в каждой паре правой и левой намотки спиралей. Ряды спиралей с фиксированным зазором между витками размещены таким образом, чтобы последующая спираль имела противоположную направленность. Этим достигается то, что проекция площади спиралей полностью перекрывали проход второго объема и обеспечивает достижение максимальной эффективности теплообмена.
Далее горячий воздух нагревает второй участок 13 змеевика 7, расположенный коаксиально цилиндрическому корпусу 1 по его внутренней стенке и внешнюю поверхность четвертого участка 16 змеевика 7.
Стенки соседних витков второго участка 13 змеевика 7 выполнены вплотную друг к другу с герметизирующей проволокой 14, как это показано на виде Б, что позволяет изолировать внутреннюю стенку цилиндрическую корпуса 1 от прямого нагрева горячим воздухом, повышая теплообмен воды, находящейся в змеевике 7 с горячим воздухом.
На последнем участке движения горячего воздуха он нагревает первый участок 12 змеевика 7, соединенный со входным патрубком 5. Первый участок 12 змеевика 7 выполнен в виде плоских спиралей, соосных цилиндрическому корпусу 1 и расположенных на первой торцевой стенке 2.
Затем отработанный горячий воздух в виде газов выводится через выхлопное отверстие 8 в атмосферу.
Таким образом, вода, движущаяся по змеевику 7, подвергается интенсивному разогреву. В условиях закрытой системы змеевика 7 вода может нагреваться выше температуры 115°С. На выходе выходного патрубка 6 генератора получается горячая или перегретая вода.
Предложенный генератор для получения горячей или перегретой воды из-за повышения его энергоэффективности за счет увеличения площади поверхности нагрева змеевика и введения в конструкцию турбулизаторов позволяет уменьшить его габаритные размеры при сохранении технических характеристик, в том числе надежности и долговечности работы.
Это обеспечивает его повышенную мобильность по сравнению с аналогами, в том числе дает возможность устанавливать генератор не только на шасси большегрузных автомобилей, но и на шасси небольших автомобилей, а также на прицепные устройства, что увеличивает маневренность и значительно облегчает доставку оборудования, например для пожаротушения к местам чрезвычайных ситуаций.
Следует отметить, что генератор возможно использовать в контейнерном исполнении, что повышает универсализацию его применения, позволяет использовать генератор на стационарной основе на промышленных объектах и в технологических процессах сельского хозяйства, а также для подготовки горячей воды, например для хозяйственных нужд.