Автономный воздухоподогреватель
AUTONOMOUS AIR HEATER

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах децентрализованного отопления для нагревания воздуха в бытовых и производственных помещениях.
Известен газовый воздухонагреватель (газовая тепловая пушка), содержащий газосжигающее устройство (горелку), камеры сгорания газа и смешения очищенных продуктов сгорания с нагреваемым воздухом, вентилятор-нагнетатель с электродвигателем, прикрепленный к камере сгорания теплообменный аппарат в форме трубы, на внешней поверхности которой смонтированы сетчатые интенсификаторы, на конце теплообменного аппарата установлен каталитический насадок, на входе в который выполнен газоподающий патрубок для подвода дополнительного объема газа [Патент РФ №2145050, F26B23/02, F24H3/00, 2000].
Основными недостатками известного газового воздухонагревателя являются невозможность подачи воздуха без внешнего источника электрической энергии и периодической замены каталитического насадка, что не позволяет использовать его в автономном режиме и снижает экономическую и экологическую эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является автономная тепловая пушка, включающая цилиндрический корпус, снабженный опорами, внутри установлены вентилятор с электродвигателем, горелка с инжектором, соединенная с подводящим газопроводом, цилиндрическая камера сгорания, совмещенная с теплообменником, внутренний торец которой герметически соединен с инжектором, между наружной поверхностью цилиндрической камеры сгорания и стенкой цилиндрического корпуса, расположена кольцевая тепловая камера, сзади цилиндрического корпуса расположен насадок для очистки продуктов сгорания, с полостью заполненной гранулами металлургической пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм, при этом на поверхности цилиндрической камеры сгорания–теплообменника устроены термоэлектрические звенья, состоящие из прямоугольных вставок, выполненных из термостойкого диэлектрического материала, внутри которых помещены ряды, состоящие из расположенных параллельно термоэмиссионных преобразователей, состоящих из пар параллельных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, образующих термоэлектрические звенья, омываемых в тепловой камере приточным воздухом, подаваемым вентилятором, причем каждое термоэлектрическое звено попарно соединены между собой перемычкой, а с противоположного конца термоэлектрические звенья соединены электрическими конденсаторами, образуя термоэлектрические секции и термоэлектрический блок, первый и последний из конденсаторов которого соединены через токовыводы с преобразователем, аккумулятором и электродвигателем вентилятора [Патент РФ №2611700, F24H3/04, 2017].
Основным недостатком известного устройства является низкая выработка электричества термоэлектрическими звеньями, обусловленная их конструкцией (спаи термоэмиссионных преобразователей находятся внутри прямоугольных вставок, образующих термоэлектрические звенья) и помещение прямоугольных вставок в прямоугольные гнезда корпуса цилиндрической камеры сгорания, что не обеспечивает прямого контакта спаев с дымовыми газами, многократно увеличивает термическое сопротивление теплопередаче, снижая, соответственно, разность температур на холодных и горячих спаях термоэмиссионных преобразователей, уменьшая таким образом выработку термоэлектричества и эффективность автономной тепловой пушки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение эффективности автономного воздухоподогревателя.
Технический результат достигается автономным воздухоподогревателем, включающим цилиндрический корпус, снабженный опорами, внутри которого установлены вентилятор с электродвигателем, горелка с инжектором, соединенная с подводящим газопроводом, цилиндрическая камера сгорания, состоящая  из каркаса, составленного из опорных колец, соединенных между собой продольными полосами, внутренний торец которого герметически соединен с инжектором, наружный торец выступает на некоторое расстояние от торца корпуса, образуя кольцевой выпускной участок, перфорированный продольными щелями, между каркасом и стенкой цилиндрического корпуса расположена кольцевая тепловая камера, сзади цилиндрического корпуса размещается насадок для очистки продуктов сгорания, состоящий из наружной и внутренней перфорированных оболочек, соответственно, с полостью между ними, заполненной гранулами металлургической пемзы, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм, причем внутренняя оболочка насадка выступает своим торцом на некоторое расстояние от наружной оболочки, образуя участок, перфорированный также продольными щелями, который надет на выпускной участок  камеры сгорания. К наружной стороне опорных колец прикреплены окружные термоэлектрические звенья, соединенные между собой перемычками и снабженные электрическими конденсаторами и токовыводами,  соединенные через преобразователь и аккумулятор с электродвигателем.  Каждое окружное термоэлектрическое звено  состоит из нескольких окружных параллельных рядов, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей, каждый  из которых состоит из пары  отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя, расположенные в холодной и горячей зонах,  холодные и горячие спаи, которые в каждом окружном параллельном ряду продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами, попарно соединенных между собой,   причем нижние параллельные полосы в месте соприкосновения с  опорными кольцами покрыты слоем диэлектрического материала,  между нижними параллельными продольными крепежными полосами от торца до выпускного участка камеры сгорания вставлены полосы герметизаторов, выполненных из диэлектрического термостойкого материала, а между соплом горелки и бортом инжектора по окружности устроена инжекционное термоэлектрическое звено,  составленное из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей, устроенных аналогично термоэмиссионным преобразователям окружных термоэлектрических секций,   холодные спаи которых расположены у входной кромки инжектора, горячие спаи находятся у кромки факела, а крайние термоэмиссионные преобразователи соединены с токовыводами, соединенными через преобразователь и аккумулятор с электродвигателем.
На фиг. 1–3 представлены общий вид и разрезы автономного воздухоподогревателя (АВП), на фиг. 4 – каркас камеры сгорания, на фиг. 5, 6 – узел термоэлектрической секции в инжекторе, на фиг. 7,8 – узел стыковки термоэлектрических звеньев с каркасом камеры сгорания АВП.
Предлагаемый АВП содержит цилиндрический корпус 1, снабженный опорами 2, внутри которого по ходу движения воздуха коаксиально установлены вентилятор 3 с электродвигателем 4, горелка 5 с инжектором 6, соединенная с подводящим газопроводом (на фиг. 1–8 не показан), камера сгорания 7, состоящая  из каркаса 8, составленного из опорных колец 9, соединенных между собой продольными полосами 10, внутренний торец которого герметически соединен с инжектором 6, наружный торец выступает на некоторое расстояние от торца корпуса трубы 1, образуя кольцевой выпускной участок 11, перфорированный продольными щелями 12, между каркасом 8 и стенкой корпуса 1 расположена кольцевая тепловая камера 13, сзади цилиндрического корпуса 1 размещается насадок для очистки продуктов сгорания 14, состоящий из наружной и внутренней перфорированных оболочек 15 и 16, соответственно, с полостью 17 между ними, заполненной гранулами металлургической пемзы 18, изготовленной из металлургических шлаков с модулем основности М>1 диаметром от 5 до 10 мм, причем внутренняя оболочка 16 выступает своим торцом на некоторое расстояние от наружной оболочки 15, образуя участок, перфорированный также продольными щелями 12, который надет на выпускной участок 11 камеры сгорания 7. К наружной стороне опорных колец 9 прикреплены окружные термоэлектрические звенья (ОТЭЗ) 19, соединенные между собой перемычками 20 и снабженные электрическими конденсаторами 21 и токовыводами 22,  соединенные через преобразователь и аккумулятор (на фиг.1–8 не показаны) с электродвигателем 4.  Каждое ОТЭЗ 19  состоит из нескольких окружных параллельных рядов 23, составленных из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 24, каждый  из которых состоит из пары  отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя, расположенные в холодной и горячей зонах,  холодные и горячие спаи 25 и 26, которые в каждом окружном параллельном ряду 23 продольно соединены между собой и зажаты двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами 27 и 28, попарно соединенных между собой (узел соединения на фиг. 1–8 не показан),   причем нижние параллельные полосы в месте соприкосновения с  опорными кольцами 9 покрыты слоем диэлектрического материала 29 (например, выполненными из слюды или термостойкого герметика),  между нижними параллельными продольными крепежными полосами 27 от торца до выпускного участка 11 камеры сгорания 7 вставлены полосы герметизаторов 30, выполненных из диэлектрического термостойкого материала, а между соплом горелки 5 и бортом инжектора 6 по окружности устроена инжекционное термоэлектрическое звено (ИТЭЗ)  31,  составленное из размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 24, устроенных аналогично ТЭП 24 ТЭЗ 19,   холодные спаи 25 которых расположены у входной кромки инжектора 6, горячие спаи 26 находятся у кромки факела, а крайние ТЭП 24 соединены с токовыводами  32, соединенными через преобразователь и аккумулятор (на фиг.1–8 не показаны) с электродвигателем 4.
В основу работы предлагаемого АВП положено использование эффекта термоэлектричества для обеспечения работы вентилятора 3 и гранулированного доменного шлака 18 в качестве адсорбента для вредных компонентов выхлопных газов из камеры сгорания 7. Так как ТЭЗ 19 и 31 состоят из ТЭП 24, каждый  из которых состоит из пары  отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены, плотно прижаты друг к другу и соединены между собой (сваркой или спайкой), образуя верхние и нижние спаи 25 и 26, то при нагреве одних спаев 26 и охлаждении противоположных спаев 25 приточным воздухом из вентилятора 3, возникает разность температур,  в результате чего, во всех ТЭЗ ЭДС термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506].
x
x
х
Использование гранулированного доменного шлака (металлургической пемзы) 18 в качестве адсорбента основано на высоком значении его модуля основности, который придает гранулам металлургической пемзы 18 основные свойства [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. –М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163], позволяющие сорбировать на поверхности шлака вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся вредные компоненты газообразных продуктов сгорания топлива АВП (природного газа или солярового масла), а именно, оксиды азота (NO), оксиды серы (SO), оксиды углерода (СО).
При монтаже АВП желательно соблюдать следующее:
1. Крепление противоположных пар верхних и нижних параллельных продольных крепежных полос 27 и 28 друг к другу в рядах 23 осуществляется при помощи термостойкого клея или шплинтов (на фиг. 1–8 не показано);
2. В щели между нижними продольными параллельными полосами 28 вставляют полосы  герметизатора 30  для предотвращения утечки выхлопных газов в тепловую камеру 13.
x
x
х
3
2
4
АВП, представленный на фиг. 1–8, работает следующим образом. Топливо, например, природный газ из газового баллона или газопровода (на фиг. 1–8 не показаны) поступает в горелку 5, откуда струя газа поступает в инжектор 6, засасывая воздух, необходимый для горения, после чего газовоздушная смесь направляется в камеру сгорания 7, где в начальном участке камеры 7 происходит ее зажигание и горение, а далее до выпускного участка 11, охлаждение образовавшихся горячих выхлопных газов, приточным воздухом, подаваемым вентилятором 3. которые далее поступают в насадок для очистки продуктов сгорания 14, полость 17 которого заполнена гранулами металлургической пемзы 18. Поток выхлопных газов, проходят через отверстия в перфорированной внутренней оболочки 16 насадка 14, многократно соприкасается с поверхностью гранул 18, проникая вовнутрь их, очищается от вредных примесей (NO, SO, СО), которые сорбируются на поверхности и внутри гранул 18. Полученные оксиды азота и серы, в свою очередь, взаимодействуют с частицами воды образующейся в порах гранул 18 в результате капиллярной конденсации паров воды, находящихся в выхлопных газах, с образованием соответствующих кислот HNO и HSO. Кроме того, на поверхности и в порах гранул 18 оседают мелкодисперсные частицы (сажа и пр.), после чего очищенные выхлопные газы через отверстия перфорированной наружной оболочки 15, выбрасываются наружу, где смешиваются с нагретым воздухом, поступающим из камеры сгорания 7. Одновременно приточный воздух, подаваемый вентилятором 3, движущийся в кольцевой тепловой камере 13, нагревается до требуемой температуры за счет теплопередачи через стенку камеры сгорания 7, образованную каркасом 8, ОТЭС 19 и герметизаторами 30,  а также наружную поверхность всех ТЭП 24. горячими газообразными продуктами сгорания и выбрасывается в отапливаемое помещение.
Параллельно вышеописанным процессам охлаждения продуктов сгорания и нагрева приточного воздуха, в инжекторе 6 воздух, поступающий на горение, охлаждает холодные спаи 26 на входе в инжектор 6, а в начальной зоне  факела горячие спаи 25 ТЭП 24 ИТЭЗ 31 нагреваются, создавая разность температур и возникновение термоэлектричества, которое отводится через  токовыводы  32. Далее газообразные продукты сгорания охлаждаются путем непосредственного соприкосновения с горячими спаями 25 в каждом окружном параллельном ряду 23 совместно с парными нижними параллельными продольными крепежными полосами 27, нагревая их, а холодные спаи 26 совместно с парными верхними параллельными продольными крепежными полосами 28 охлаждаются приточным воздухом, создавая разность температур и термоэлектричество в каждой ОТЭЗ 19, которое через перемычки 20, электрические конденсаторы 21  и токовыводы 22,   преобразователь и аккумулятор (на фиг.1–8 не показаны) поступает в     электродвигатель 4.
При этом, конструкция верхних и нижних кромок ОТЭЗ 19, выполненная из нескольких окружных параллельных рядов 23. соединенных параллельно через свои спаи 25 и 26 и зажатых двумя парными верхними и нижними параллельными продольными крепежными полосами 27 и 28, выполненными из материала с высокой теплопроводностью, позволяет увеличить количество переходящего тепла за счет повышенной площади их контакта с зонами нагрева и охлаждения и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, в результате их параллельного соединения увеличить силу тока. Кроме того, параллельное соединение окружных рядов 23 верхними и нижними крепежными полосами 27 и 28 в каждой ОТЭС 19 позволяет увеличить силу тока без использования преобразователя, что увеличивает КПД АВП.
В АВП каждый конденсатор 21 обслуживает свое ОТЭЗ 19, а так как конденсаторы каждой ОТЭЗ 19 соединены между собой последовательно, то термоэлектричество предыдущих ОТЭЗ 19 не проходит через последующие ОТЭЗ 19, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 21, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 24. Эффективная работа конденсаторов 21 обеспечивается также тем, что они находятся вблизи зоны охлаждения приточным воздухом.
Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 22 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 24 в ИТЭЗ 31 и ОТЭЗ 19 и их числа.
Таким образом, увеличение разности температур на противоположных спаях 25 и 26 ТЭП 24 и соответствующее увеличение выработки термоэлектричества достигается: во–первых, непосредственным контактом спаев 25 и 26 с горячими выхлопными газами и приточным воздухом, соответственно, во–вторых, увеличением площади теплопередачи за счет устройства металлических полос в верхних и нижних рядах 23 каждой ОТЭЗ 19, в–третьих, за счет увеличения количества ТЭП 24 на поверхности камеры сгорания 7  и, в–четвертых, за счет устройства ИТЭЗ 31 в инжекторе 6.
Регулирование процесса очистки выхлопных газов и режима работы АВП осуществляется изменением живого сечения щелей 9 путем поворота насадка 14 и изменением расхода топлива, подаваемого в горелку 5. Если очистка выхлопных газов не требуется, то АВП можно использовать без насадка 14.
По окончании работы АВП производится регенерация адсорбента – гранулированного доменного шлака 18, для осуществления которой с камеры сгорания 7 снимается насадок 14, после чего адсорбент промывается водой.
В результате, предлагаемый автономный воздухоподогреватель обеспечивает нагрев воздуха для децентрализованного отопления помещений, очистку выхлопных газов и генерацию большего количества электрической энергии за счет эффекта термоэлектричества и непосредственного контакта спаев термоэмиссионных элементов с выхлопными газами, что повышает его эффективность.