РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ
RECUPERATIVE AIR HEATER

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам отопительных систем, и может быть использовано на различных транспортных средствах.
Известен рекуперативный воздухонагреватель, содержащий установленные на раме пластинчатый теплообменник с горелочным устройством и камерой сгорания с одной стороны и выхлопным устройством с другой стороны, запально-сигнализирующее устройство, вентилятор, расположенный в противоположном горелочному устройству конце теплообменника, коллекторы подвода воздуха и газа к горелочному устройству, плоскопараллельные каналы отвода продуктов сгорания и чередующие с ними воздушные каналы, топливную аппаратуру и силовой пульт, при этом выходное сечение горелочного устройства и камеры сгорания по форме и размерам соответствует входному сечению теплообменника в месте их соединения, а горелочное устройство содержит горелки, количество которых равно количеству каналов отвода продуктов сгорания в теплообменнике, каждая из которых расположена, соответственно, против каждого канала отвода газа (Свидетельство на полезную модель RU №19143 U1. Рекуперативный воздухонагреватель и горелочное устройство воздухонагревателя. - МПК7: F24Н 3/02. - 2001.08.10). Недостатком известного технического решения является большой вес и габариты, невысокий коэффициент полезного действия, большие затраты электроэнергии и топлива.
Известен рекуперативный воздухонагреватель, содержащий установленные на раме пластинчатый теплообменник, камеру сгорания, горелочное устройство, установленное на входе в центральный канал теплообменника и закрепленное на фланце, в последнем выполнены отверстия, снабженные патрубками подвода воздуха в камеру сгорания, в которой с образованием зазора установлена тарель с двумя концентричными обечайками, образующими между собой кольцевую полость, сообщенную на входе с патрубками подвода воздуха, а на выходе с центральной полостью, образованной плоскостью тарели и боковой поверхностью внутренней обечайки, причем в кольцевой полости установлены направляющие пластины для закрутки воздуха, выходное устройство, содержащее пучок выхлопных труб, заключенных в общий кожух, и запально-сигнализирующее устройство (патент RU №2224185 С1. Рекуперативный воздухонагреватель с использованием в качестве топлива жидких горючих отходов. - МПК7: F24Н 3/00. - 2004.02.20). Недостатком известного технического решения является большой вес и габариты, невысокий коэффициент полезного действия, большие затраты электроэнергии и топлива.
Известен воздушный подогреватель, содержащий воздушный цилиндрический теплообменник с камерой сгорания, горелку с вращающимся распылителем, топливо в который подается по топливопроводу, газоход, внутренний и наружный кольцевые воздуховоды, электродвигатель, прикрепленный своим фланцем к корпусу горелки, на концах вала которого смонтированы вентилятор, подающий воздух для нагрева, вентилятор, нагнетающий воздух в камеру сгорания (кн. Николаев Л.А. Системы подогрева тракторных дизелей при пуске. - М.: Машиностроение, 1977. - Стр. 114-116, рис.50. Воздушный подогреватель ВП-1). Недостатком известного устройства является ограничение по скорости смешения топливно-воздушной смеси, что снижает эффективность использования горелочного устройства.
Известен рекуперативный воздухонагреватель, содержащий воздушный теплообменник и камеру сжигания топливно-воздушной смеси, образующие между торцевыми стенками газовый и воздушные кольцевые каналы, снабженные патрубками подвода атмосферного и отвода нагретого воздуха и продуктов горения, плоский испарительный элемент для жидкого топлива, выполненный из жаропрочного пористого материала и установленный на держателе со стороны камеры сжигания с полным перекрытием держателя и выходного отверстия топливопровода, запальник и датчик температуры горения топливно-воздушной смеси, причем испарительный элемент выполнен с отверстием (патент SU №1342432 A3. Испарительная горелка для отопительного прибора. - МПК4: F23D 5/06. - Бюл. №36 от 30.09.1987). Данное изобретение принято за прототип.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является неполное сгорание топлива, что приводит к выбросу в атмосферу газов с большим содержанием токсичных веществ.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение полноты сгорания топлива путем интенсификации сжигания топливно-воздушной смеси.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого технического решения, является повышение эффективности сжигания топлива за счет улучшения качества образования топливно-воздушной смеси, обеспечивающей полноту сжигания и снижение содержания токсичных веществ в выбрасываемых газах.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном рекуперативном воздухонагревателе, содержащем воздушный теплообменник и камеру сжигания топливно-воздушной смеси, образующие между торцевыми стенками газовый и воздушные кольцевые каналы, снабженные патрубками подвода атмосферного и отвода нагретого воздуха и продуктов горения, топливопровод, плоский испарительный элемент для жидкого топлива, выполненный из жаропрочного пористого материала и установленный на держателе со стороны камеры сжигания с перекрытием выходного отверстия топливопровода, запальник и датчик контроля горения топливно-воздушной смеси, причем испарительный элемент выполнен с отверстием, согласно предложенному техническому решению
между передней стенкой и кольцевыми каналами теплообменника образован впускной коллектор атмосферного воздуха, а держатель присоединен к передней торцевой стенке, к которой с наружной стороны пристыкована форкамера воспламенения топливно-воздушной смеси, для чего в держателе выполнено отверстие размером, соответствующим пристыкованному торцу форкамеры, перекрытое испарительным элементом, а отверстие в испарительном элементе выполнено по центру пристыкованного торца форкамеры, перед которым в форкамере установлен запальник, при этом форкамера соединена воздухопроводом с патрубком подвода атмосферного воздуха, сообщающимся через коллектор с камерой сжигания посредством трубок, установленных в стенке по периметру камеры сжигания с тангенциальным направлением струи подачи атмосферного воздуха в камеру сжигания для вихревого перемешивания топливно-воздушной смеси;
камера сжигания разделена бортовым кольцом, образующим внезапным сужением топку с вихревым перемешиванием топливно-воздушной смеси и камеру дожигания;
трубки с тангенциальным направлением подачи атмосферного воздуха выступают в топку так, чтобы кромки торцов на короткой образующей цилиндра выступающей части трубок были, по крайней мере, на уровне бортового кольца;
перед испарительным элементом с воздушным зазором закреплен отражатель тепловой энергии с отверстием, расположенным на одной оси с запальным отверстием в испарительном элементе;
датчик контроля горения топливно-воздушной смеси установлен, например, в патрубке отвода продуктов горения топливно-воздушной смеси.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного рекуперативного воздухонагревателя, отсутствуют. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
На фиг.1 показана схема рекуперативного воздухонагревателя, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - то же, поперечный разрез Б-Б на фиг.1.
Рекуперативный воздухонагреватель содержит воздушный теплообменник 1 и камеру 2 сжигания топливно-воздушной смеси, образующие между передней 3 и задней 4 торцевыми стенками газовый 5 и воздушные 6 кольцевые каналы, снабженные патрубком 7 подвода атмосферного воздуха, патрубком 8 отвода нагретого воздуха и патрубком 9 отвода продуктов горения, топливопровод 10, плоский испарительный элемент 11 для жидкого топлива, выполненный из жаропрочного пористого материала, установленный на держателе 12 со стороны камеры 2 сжигания с перекрытием выходного отверстия 13 топливопровода 10, запальник 14 и датчик 15 контроля горения топливно-воздушной смеси (фиг.1). Камера 2 сжигания разделена бортовым кольцом 16, образующим внезапным сужением камеры 2 сжигания топку 17 с вихревым перемешиванием топливно-воздушной смеси и камеру 18 дожигания несгоревших остатков топливно-воздушной смеси. Испарительный элемент 11 выполнен с отверстием 19. Держатель 12 присоединен к передней торцевой стенке 3 теплообменника 1, к которому с наружной стороны топки 17 пристыкована форкамера 20 воспламенения топливно-воздушной смеси. В держателе 12 выполнено отверстие 21 размером, соответствующим пристыкованному торцу форкамеры 20, перекрытое испарительным элементом 11 с отверстием 19, выполненным в испарительном элементе 11 по центру пристыкованного торца форкамеры 20. В форкамере 20 перед отверстием 19 в испарительном элементе 11 установлен запальник 14. Перед испарительным элементом 11 со стороны топки 17 с воздушным зазором "а" закреплен отражатель 21 тепловой энергии с отверстием 22, расположенным на одной оси 23 с запальным отверстием 19 в испарительном элементе 11. Датчик 15 контроля горения топливно-воздушной смеси установлен, например, в патрубке 9 отвода продуктов горения топливно-воздушной смеси. Форкамера 20 соединена воздухопроводом 24 с патрубком 7 подвода атмосферного воздуха, сообщающимся через впускной коллектор 25 с топкой 17 посредством трубок 26, установленных в стенке 27 по периметру топки 17 с тангенциальным направлением подачи струи атмосферного воздуха в топку 17 для вихревого перемешивания топливно-воздушной смеси (фиг.2). Трубки 26 с тангенциальным направлением подачи атмосферного воздуха выступают в топку 17 так, чтобы кромки торцов на короткой образующей 28 цилиндра выступающей части трубок 26 были, по крайней мере, на уровне бортового кольца 16 (фиг.3).
Рекуперативный воздухонагреватель работает следующим образом.
В момент запуска воздухонагревателя включают электрический запальник 14, вентилятор системы подвода атмосферного воздуха и плунжерный насос нагнетания жидкого топлива (условно не показаны). Жидкое топливо нагнетается по топливопроводу 10 и попадает через держатель 12 в испарительный элемент 11, выполненный из жаропрочного пористого материала с капиллярной структурой. Под действием капиллярных сил смачивания топливо впитывается в испарительный элемент 11 и растекается по его поверхности, которая выступает из испарительного элемента 11, и испаряется как в топку 17 на площади держателя 12, так и в форкамеру 20 на площади отверстия 21. Атмосферный воздух под давлением через патрубок 7 подается по воздухопроводу 24 в форкамеру 20 и в воздушный канал 6, из последнего воздух поступает в топку 17 посредством трубок 26, которые струями воздуха с тангенциальным направлением создают в топке 17 турбулизированный поток, последний вихревым перемешиванием атмосферного воздуха и паров жидкого топлива образует в топке 17 топливно-воздушную смесь. В форкамере 20 испарины жидкого топлива на площади отверстия 21 срываются с испарительного элемента 11 потоком нагнетаемого воздуха, образуя топливно-воздушную смесь, которая под давлением воздуха перемещается по испарительному элементу 11 к запальному отверстию 19 для выхода из форкамеры 20, обтекая нагретый запальник 14, последний воспламеняет образовавшуюся топливно-воздушную смесь, а нагнетаемый в форкамеру 20 воздух выбрасывает воспламенившуюся топливно-воздушную смесь в виде запального факела из форкамеры 20 через запальное отверстие 19 в направлении отверстия 22 вдоль оси 23 в топку 17 сжигания топливно-воздушной смеси. В топке 17 турбулизированный поток воздуха срывает испарины топлива с поверхности испарительного элемента 11, образуя топливно-воздушную смесь, и направляет ее в воздушный зазор "а" между испарительным элементом 11 и отражателем 21 тепловой энергии в направлении отверстия 22. При встрече с запальным факелом, выходящим из форкамеры 20 через запальное отверстие 19, топливно-воздушная смесь зажигается и выпускается через отверстие 22 в топку 17, из которой тепловой поток, образованный сгоранием топливно-воздушной смеси с ее недогоревшими остатками, выбрасывается под давлением воздуха через выпускное отверстие топки, образованное кольцом 16, в камеру 18 дожигания остатков топливно-воздушной смеси. При нагревании пропитанного жидким топливом испарительного элемента 11 осуществляется интенсивное испарение жидкости с обеих сторон испарительного элемента 11. Пары жидкости из форкамеры 20 через запальное отверстие 19 и части турбулизированного потока топливно-воздушной смеси, протекающей по испарительному элементу 11 через воздушный зазор "а", устремляются к отверстию 22 и под давлением воздуха поступают через отверстие 22 в топку 17, которые вместе с топливно-воздушной смесью, созданной турбулизированным вихревым перемешиванием атмосферного воздуха и паров жидкого топлива с помощью патрубков 26, соединенных с тангенциальной направленностью струи атмосферного воздуха к стенке топки 17, сгорают в ней, а направленность отверстия 22 в сторону выпускного отверстия топки стабилизирует тепловой поток и повышает интенсивность горения всей топливно-воздушной смеси. Продукты горения топливно-воздушной смеси поступают в газовый кольцевой канал 5 теплообменника, где они нагревают через стенки воздушных кольцевых каналов 6 атмосферный воздух для отопления, затем через патрубок 9 отвода продуктов горения последние отводятся в атмосферу, в котором установлен датчик 15 контроля горения топливно-воздушной смеси. Нагретый в воздушных каналах 6 атмосферный воздух для отопления отводится из теплообменника через патрубок 8 отвода нагретого воздуха. При достижении устойчивого горения топливно-воздушной смеси в топке 17 и камере 18 дожигания топливно-воздушной смеси процесс сжигания переходит в автоматический режим и электрический запальник 14 выключается. Выключение работы воздухонагревателя осуществляется перекрытием систем подвода жидкого топлива и воздуха.
Предложенная конструкция рекуперативного воздухонагревателя позволит повысить эффективность сжигания топлива за счет улучшения качества образования топливно-воздушной смеси, обеспечивающей полноту сжигания топлива и снижение содержания токсичных веществ в газах, выбрасываемых в атмосферу.