КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ С РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ ПОЛОСТЬЮ
CATALYTIC HEATER WITH SPRAYING CAVITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нагревательным системам и, более конкретно, к каталитическому нагревателю, который генерируют тепло и электричество в результате реакции окисления внутри полости, имеющей пористые каталитические стенки.
Уровень техники
Ранние изобретения нагревательных систем на жидком топливе включают в себя масляную лампу и свечу. Каждая нагревательная система на жидком топливе подает топливо по фитилю в область, где топливо может испаряться и сгорать. В масляных и керосиновых светильниках фитиль может использоваться непосредственно. В спиртовых горелках и, в частности, в горелках на метаноле необходимо добавить теплопроводный элемент и бандажное кольцо для подачи по фитилю с тем, чтобы подавать достаточное количество тепла для предварительного испарения топлива и направлять испарившееся топливо в зону горения. Без такого теплопроводного элемента и бандажного кольца вокруг спиртовых горелок топливо, фронт пламени или плазма сжигают соответствующий фитиль.
В последнее время возникла потребность в чистом сжигании спиртов вместо других углеводородов, таких как, например, нефть и керосин. Такие спирты могут быть получены из материалов отходов, также известных как "биомасса", или изготовлены из "альтернативных" источников энергии.
Существует ряд преимуществ сжигания спиртов вместо углеводородов. Например, метанол горит без дыма, копоти и запаха. Спиртовые топлива в отличие от керосина горят при более низкой температуре и могут быть потушены водой. Метанол и спирты самостоятельно начинают каталитическое горение на соответствующих катализаторах и обеспечивают, по существу, полное сгорание. В каталитических углеводородных горелках, с другой стороны, обычно требуется этап предварительного нагрева катализатора. Такие преимущества сжигания спиртов вместо углеводородов обеспечивают возможность получения нагревателей малой стоимости и эффективно сжигающих топливо.
Раскрытие изобретения
Учитывая описанное выше, различные варианты осуществления настоящего изобретения предусмотрены в нагревателе с эффективным сгоранием и передачей тепла отопления помещений.
Механизм диффузии топлива и воздуха, поступающего по отдельным каналам в топливо вместо смешения воздуха и топлива вместе с последующей подачей на катализатор, позволяет существенно улучшить ситуацию со сгоранием.
Обычные горелки, которые смешивают топливо и воздух вместе для сжигания внутри полости, могут привести к нестабильному и взрывному горению топлива и воздуха. Как правило, чем больше полость обычной горелки, тем сильнее соответствующий взрыв. Это может привести к усталости горелки и разрушительным результатам, таким как, например, разрыв оболочки нагревателя.
Известно, что смеси топлива и воздуха могут изменяться по времени, что может привести к потере фронта пламени и взрывам при повторном установлении пламени. Это, в частности, представляет собой проблему при сжигании остаточных газов рафинирующих установок или систем каталитической реакции, содержащих два потока реагентов.
Для исключения таких возможных аварий в различных вариантах настоящего изобретения топливо и воздух разделяют с помощью пористого каталитического слоя. Топливо и воздух взаимно диффундируют по направлению друг к другу через пористый каталитический слой, и в идеале отсутствует существенная не содержащая катализатор полость, наполненная смесью воздуха и топлива.
В настоящем изобретении можно достичь уменьшения стоимости и преимуществ в режиме работы при использовании полости внутри пористого слоя катализатора, и при этом плазма формируется внутри такой полости. Взаимная диффузия топлива и воздуха через пористый каталитический слой обеспечивает высокое время нахождения над катализатором для молекул, которое равно для всех присутствующих молекул, в отличие от ситуации принудительного потока через каталитический слой. В последнем случае ламинарный поток, также известный как "прямой поток" или "не диффузионный привод", представляющий собой массовый поток через случайный пористый каталитический слой, приводит к неравномерному составу газа радиально в каналах потока и неравномерному распределению потока таким образом, что большие канальные потоки доминируют в выходном потоке, и скорость потока, вероятно, может быть достаточно высокой, чтобы предотвратить существенную диффузию в местах размещения катализатора, в результате чего возникает каталитическая реакция части топлива и воздуха. Таким образом, некоторая часть смеси топлива и воздуха может быть пропущена через поверхности катализатора без взаимодействия, и это может приводить к неполному сгоранию. Внутри каталитического слоя важно, чтобы каталитическое сгорание в результате взаимной диффузии позволяло достигать градиента температуры от наибольшего во внутренней полости с последующим падением наружу, что важно для достижения полного сгорания. Если на внешней поверхности каталитического слоя поддерживается согласно данному изобретению температура ниже 400-200°С при стехиометрическом избытке кислорода по сравнению с метаноловым топливом и при использовании минеральной ваты/однородно каталитически активного каталитического слоя, доля несгоревших продуктов сгорания может понизиться ниже 1 части на 10000 или в пределах чувствительности нашего измерительного оборудования. В зависимости от этого процесса взаимной диффузии через разделительную стенку из каталитического слоя в новом изобретении нагревателя не требуются вентиляторы или насосы. В данном изобретении может использоваться конвекционный поток воздуха и/или струи для подачи паров топлива или воздуха в распределенном виде, что приводит к получению простой, тихо работающей, обеспечивающей чистое горение и надежной нагревательной системы. Горячие каталитические поверхности, которые обращены к потоку воздуха, также могут полностью окислять и таким образом устранять газы в потоке воздуха, такие как углеводороды и окись углерода, по мере их протекания через нагреватель. Дополнительные устройства, которые могут быть подключены к входному отверстию для воздуха нагревателя, представляют собой воздушные фильтры, электростатические воздушные фильтры, фотокаталитические воздушные фильтры, поглотители, адсорберы, газоочистители, аналогичные устройства или, например, ловушки для отработанного воздуха, конденсаторы воды и/или ловушки двуокиси углерода. Испускатели приятных запахов и ароматов, расположенные в нагревателе, можно использовать, и некоторые их примеры с высоким молекулярным весом могут проходить через нагреватель, не окисляясь, и поэтому могут быть добавлены как добавка к топливу. Нагревательная система также может использоваться вместе с мембранным каталитическим нагревателем в соответствии с находящейся на экспертизе заявкой №10/492018 на патент США.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя каталитический нагреватель, состоящий из одного или больше топливных резервуаров, одну или больше трубок, соединенных с одним или больше резервуарами, одну или больше пористых трубок, соединенных с одной или больше трубками и направленных в полость, и полость, ограниченную пористой каталитической стенкой, которая находится в диффузионном контакте с окислительным газом, для обеспечения каталитического горения с топливом из одной или больше пористых трубок. Окисление может происходить на пористых каталитических стенках между молекулами окислителя, поступающими путем диффузии снаружи от пористых каталитических стенок, и плазмой внутри полости, распространяющейся посредством диффузии в направлении каталитических стенок. Плазма формируется из испарившегося топлива, высвобождающегося через одну или больше пористых трубок, таким образом, что в результате окисления генерируется тепло.
В нагревателе топливо кипит и достигает автотермостатического состояния.
По меньшей мере одна трубка включает трубки подачи топлива, имеющие малый диаметр и большую длину для ограничения потока жидкого топлива в по меньшей мере одну пористую трубку, при этом топливные трубки подачи находятся в тепловом контакте с каталитическим сгоранием, причем топливо испаряется в топливных трубках подачи, и в результате увеличения объема уменьшается скорость подачи потока топлива через трубки подачи.
Пористые каталитические стенки содержат пористую матрицу материала высокотемпературной подложки и покрытие из каталитического материала.
Пористые каталитические стенки содержат кожух для матрицы.
Кожух для матрицы выполнен в виде проводника тепла с возможностью циркуляции текучей среды.
Пористые каталитические стенки содержат минеральную вату, покрытую катализаторами, выбранными из группы, состоящей из платины, палладия, родия, меди, цинка, никеля, иридия, олова, осмия, рутения, серебра, окиси титана, железа и переходных металлов.
Пористые каталитические стенки находятся в непосредственной близости к высокоактивным каталитическим частицам.
Нагреватель по п.1, в котором тепло удаляют с помощью тепловой трубки или системы циркуляции текучей среды.
Система циркуляции текучей среды состоит из насосов, клапанов, резервуаров для текучей среды, резервуаров тепла или их комбинации.
Предусмотрен термоэлемент или устройство преобразования тепла в электричество, находящееся в тепловом контакте с полостью, пористыми каталитическими стенками или их комбинацией.
Нагреватель содержит теплообменник для выпускного воздуха, имеющий входное отверстие для воздуха, входное отверстие для топлива или их комбинацию.
Конвекционный поток воздуха в дымоходе или вентиляторе восполняет кислород рядом с пористыми каталитическими стенками.
Нагреватель подает электричество к DC-DC преобразователям, батареям, конденсаторам, DC-AC преобразователям, регуляторам напряжения, светодиодам, двигателям, вентиляторам, переключателям, радиоустройствам, телевизионным устройствам, сотовым телефонам или их комбинации.
Одна или больше пористых трубок изготовлены из спеченного металла, керамических матриц, волоконных матриц, капиллярных трубок или их комбинации.
Одна или больше трубок изготовлены из спеченного металла, керамических матриц, волоконных матриц, капиллярных трубок или их комбинации.
Средство предварительного нагрева расположено в непосредственной близости к или закреплено на кожухе матрицы в качестве теплового проводника из основного нагревателя для обеспечения возможности отключения средства предварительного нагрева вручную или автоматически и для обеспечения возможности предварительного нагрева нагревателем своего собственного топлива.
Средство предварительного нагрева содержит топливный ограничитель для ограничения выхода тепла.
По меньшей мере одно выходное отверстие по меньшей мере одной трубки регулируют для модификации ассоциированного горения.
По меньшей мере одно выходное отверстие по меньшей мере одной трубки представляет собой поры спеченного металла, керамической матрицы, волоконной матрицы или их комбинации без использования другого выходного отверстия, более крупного, чем поры.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в поперечном сечении нагревателя с распылительной полостью и системой подачи топлива в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 показан вид в поперечном сечении нагревателя с распылительной полостью, имеющего клапан направления потока, сеть капиллярных трубок, нагревательную трубку, датчик газообразных продуктов и вентилятор, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 показан вид в поперечном сечении нагревательной системы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, в которой в нагревательной системе применяют нагревательную трубку или систему регулирования потока жидкости.
На фиг.4 показан вид в поперечном сечении градиентов при каталитической реакции в каталитическом слое в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показан вид в поперечном сечении примерного варианта осуществления топливных нагревательных элементов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6 показана система для освещения или бытовая система в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг.7 показан вид в поперечном сечении с увеличением нагревателя с распылительной полостью и системы подачи топлива, имеющей средство предварительного нагрева в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
При ссылке на чертежи одинаковые номера ссылочных позиций обозначают аналогичные элементы на всех чертежах. Ниже представлен список номеров ссылочных позиций соответствующих элементов:
1 полость каталитического слоя
2 каталитический слой
3 пористая трубка
4 компрессионный фитинг
5 кипящее топливо
6 одна или больше малых капиллярных трубок
7 предохранительный клапан, активируемый тепловым дифференциальным расширением
8 восковой привод
9 уплотнитель клапана
10 термостатический клапан, активируемый тепловым дифференциальным расширением
11 восковой привод и гнездо клапана
12 топливная линия
13 резервуар подачи под действием силы тяжести
14 переключатель, активируемый уровнем топлива
15 поплавок
16 шина
17 выпускное отверстие предохранительного клапана давления
18 входная линия
19 выходная линия
20 термоэлемент
21 электрический выход термоэлемента
22 теплоотвод
23 дымоход
24 изолирующий слой
26 электрический диод
27 источник электроэнергии
28 перистальтический насос
29 топливные трубки
30 основной резервуар топлива
31 топливо
32 входное отверстие для залива топлива и вентиляционная крышка
33 каналы потока воздуха
34 выход пористой трубки
35 электрические провода
36 топливный фильтр
37 сопло подачи газа
38 элемент расширения воска
39 клапан, активируемый теплом
40 трубка подачи газа
41 трубка с малым диаметром для подачи топлива
43 входное отверстие для воздуха
77 батарея
87 трехходовой клапан потока
88 первая ограничительная трубка капиллярного потока с множеством скоростей потока
89 вторая ограничительная трубка капиллярного потока с множеством скоростей потока
90 нижняя нагревательная трубка
91 первая боковая напорная трубка
92 вторая боковая напорная трубка
94 вентилятор
95 электронный датчик горения
97 герметизированная трубка
150 уровень земли
151 входное отверстие для воздуха
152 крышка вентиляционного отверстия для воздуха
153 выходное отверстие для воздуха
154 плита
155 нагревательная трубка
159 стенка теплообменника
169 резервуар с текучей средой
170 насос для охладителя
171 трубка потока текучей среды
203 контуры текучей среды
206 внешний кожух из нержавеющей стали
207 слой минеральной ваты
211 электрические соединения
213 фитиль
214 конденсация
216 рабочая текучая среда
219 электропроводный слой
218 электроизолирующий слой
220 блок из меди или алюминия
223 каналы из труб
225 поры с малым диаметром
229 нагревательная трубка
230 внутренний кожух из нержавеющей стали
251 резервуар источника
253 воздушный электрод
254 мембрана Nafion
255 топливный электрод
256 мембрана подачи топлива
261 кожух из нержавеющей стали
262 контакт кожуха
264 внутренняя поверхность каталитического слоя
272 резервуар тепловой трубки
274 независимая топливная нагревательная трубка
275 газообразный водород
280 трубка, устойчивая к потоку
284 резервуар для обмена теплом
285 клапан
289 топливный коллектор
291 тепловая трубка
300 топливный элемент
301 проверочный диод
302 конденсатор
303 контроллер электроэнергии
304 светодиод
305 электрический вентилятор
306 телевизор
307 первый переключатель
308 второй переключатель
309 третий переключатель
340 средство предварительного нагрева
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан вид в поперечном сечении нагревателя с распылительной полостью и системы подачи топлива в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном примерном варианте осуществления основные компоненты включают в себя каталитическую топку, систему распределения топлива, систему управления потоком и систему резервуара для топлива.
Представленная каталитическая топка имеет каталитический слой 2, окружающий полость 1 каталитического слоя, и дымоход 23. Система распределения топлива состоит из пористой трубки 3, компрессионных фитингов 4, одной или больше малых капиллярных трубок 6 и сопла 37 подачи газа. Система управления потоком содержит уплотнитель 9 клапана, восковой привод и гнездо 11 клапана, а также топливный фильтр 36. Система резервуара для топлива показана как содержащая топливную линию 12, резервуар 13 подачи под действием силы тяжести, входную линию 18, перистальтический насос 28 и топливные трубки 29. Также могут быть предусмотрены один или больше электрических проводов 35 для перистальтического насоса 28, термоэлемент 20 и источник 27 электроэнергии, предпочтительно в форме аккумуляторной батареи.
В варианте осуществления нагреватель построен путем формирования одной или больше пористых трубок 3 из нержавеющей стали, сформованной из обожженного порошка. Хотя термин "пористая трубка" используется здесь, трубки должны иметь только одно выходное отверстие. Таким образом, для краткости, во всем подробном описании изобретения термин "пористая трубка" будет использоваться взаимозаменяемо с "трубкой, имеющей по меньшей мере одно выходное отверстие" для обеспечения простоты понимания. В предпочтительном варианте осуществления такие пористые распылители имеют эффективный средний диаметр поры приблизительно 0,5 микрон. Другие композиции одной или более пористых трубок 3 включают в себя, например, керамические трубки, устройства из металла, стекла или керамические капиллярные трубки, их комбинацию. Матрица из тканых волокон также может быть пригодна для использования в качестве одной или больше пористых трубок.
Предпочтительно, чтобы одна или больше пористых трубок 3 имела внутренний диаметр приблизительно 0,125 дюйма и внешний диаметр приблизительно 0,25 дюйма. В примерном варианте выполнения одна или больше пористых трубок 3 разрезаны на отрезки приблизительно 5 см от соединения прикрепленного фитинга. Компрессионные фитинги 4 закреплены на одной или больше пористых трубках 3. Компрессионные фитинги могут состоять, например, из меди или латуни.
В примере, показанном на фиг.1, представлены две пористые трубки 3. Пористые трубки 3 и соответствующие элементы трубопроводов обычно расположены так, чтобы обеспечить подачу топлива с нижней стороны, и одна или больше пористых трубок ориентированы, по существу, вверх в месте, где расположены выходы пористой трубки 34. Такая примерная ориентация является предпочтительной для удержания топлива 31 в соответствующих фитингах 4, трубке 41 подачи топлива малого диаметра и в топливной линии 12, пока нагреватель не начнет испарять топливо, и в том, что она, по существу, ограничивает простой пролив топлива через выходные отверстия пористой трубки 34.
Компрессионный фитинг 4 в предпочтительном варианте осуществления имеет изгиб под прямым углом, и затем трубка с внешним диаметром приблизительно 0,25 дюймов формирует, по существу, Т-образную форму с другой пористой трубкой, как показано на фиг.1. Компрессионные фитинги 4 и трубка 41 подачи топлива малого диаметра, по существу, ограничивают скорость потока в одну или больше пористых трубок и соединены с предохранительным клапаном 7, активируемым тепловым дифференциальным расширением, восковым приводом и уплотнителем 9 клапана. Предохранительный клапан, активируемый тепловым дифференциальным расширением, предпочтительно установлен на внешней рамке каталитического нагревателя. Такая установка обеспечивает достаточный перенос тепла от каталитического нагревателя в предохранительный клапан, активируемый тепловым дифференциальным расширением, для обеспечения возможности открывания предохранительного клапана, активируемого тепловым дифференциальным расширением, в результате нагрева каталитического слоя 2 и использует перенос тепла в кипящее топливо 5 для поддержания в открытом состоянии предохранительного клапана, активируемого тепловым дифференциальным расширением. Предпочтительно, чтобы предохранительный клапан, активируемый тепловым дифференциальным расширением, представлял собой клапан теплового расширения, который открывается при температуре приблизительно 63°С и закрывается приблизительно при температуре 46°С, используя восковой привод 8, который смещает гнездо 9 клапана.
Система пусковой подачи топлива в нагреватель может быть сформирована с внутренним диаметром приблизительно 0,010 дюйма, внешним диаметром 0,0625 дюйма и одной или больше малыми капиллярными трубками 6, которые расположены с прижимом к внутренней нижней поверхности каталитического слоя 2. Такие капиллярные стальные трубки могут быть сформированы из нержавеющей стали. Каталитические слои могут состоять из платины и других каталитических материалов, диспергированных по керамическим волокнам, или могут представлять собой слой из минеральной ваты. Несколько алюминиевых сфер, покрытых 1 мас.% платины, могут быть распределены в каталитическом слое для обеспечения пуска от горячей точки. Одна или больше малых капиллярных трубок 6 соединены с топливной линией 12. Одна или больше малых капиллярных трубок 6 могут иметь ограниченные скорости потока, определяемые медленным движением ламинарного потока через одну или больше малых капиллярных трубок и давлением топлива 31 в одной или больше малых капиллярных трубок 6. Сопротивление потоку через одну или больше малых капиллярных трубок 6, трубку 41 подачи топлива с малым диаметром, топливную линию 12 и выходную линию 19 также может формировать верхний предел мощности нагревательной системы в зависимости от давления в резервуаре 13 с подачей под действием силы тяжести. Если температура в одной или больше малых капиллярных трубках 6 и/или в трубке 41 подачи топлива с малым диаметром превысит точку кипения топлива 31 и топливо закипит, скорость подачи топлива быстро падает приблизительно до пяти процентов скорости подачи топлива из-за того, что кипящее топливо 5 имеет значительно больший объем и скорость потока, что изменяет эффект капиллярного движения через одну или больше капиллярных трубок.
Математическая взаимосвязь скорости подачи ламинарного потока топлива (текучей среды) с давлением на топливо в определенной трубке (Р), радиусом определенной трубки (r), длиной определенной трубки (l), вязкостью определенного топлива (µ) и плотностью текучей среды (ρ) является следующей:
4
Скорость подачи топлива = ρ·π·P·r/(8·µ·l).
Такой механизм сопротивления ламинарному потоку можно использовать как эффект самостоятельного ограничения температуры в нагревателе таким образом, что, когда топливо кипит в одной или больше малых капиллярных трубках 6 и в трубке 41 подачи топлива с малым диаметром, скорость потока топлива будет падать с коэффициентом приблизительно 20, и происходит самостоятельное ограничение нагревателя. Этот эффект возникает из-за того, что объем жидкого топлива изменяется от приблизительно 0,79 г/мл до приблизительно 0,00114 г/мл при температуре приблизительно 65°С при давлении воздуха на уровне моря. Это приводит к изменению объема, который становится в 693 раза меньше. Вязкость топлива изменяется от значения µ (жидкости), составляющего приблизительно 0,00403 пуаз для жидкости, до значения µ (газа), составляющего приблизительно 0,000135 пуаз для газообразного метанола при температуре 65°С. Таким образом, оценивают, что скорость подачи топлива падает с коэффициентом приблизительно в 1/23,2 раза для потока газа, разделенную на скорость подачи топлива для жидкого топлива. Скорость подачи топлива = подача газообразного топлива/подача жидкого топлива = ρ(газа)·µ(жидкости)/(ρ(жидкости)·µ(газа))=0,04308=1/23,2.
В одной или больше пористых трубок 3 топливо 31 может протекать через малые поры в стенках одной или больше пористых трубок со скоростью потока, которая может быть математически смоделирована путем умножения количества эквивалентных малых пор на скорость подачи топлива и перепад давления, формируемый высотой топлива в одной или больше пористых трубках. Когда топливо полностью или по существу испаряется, поток топлива через малые поры существенно уменьшается и в потоке доминирует поток через выход 34 пористой трубки.
По существу, поток через одну или больше пористых трубок затем доминирует над потоком распыления из выхода 34 пористой трубки, в то время как некоторый поток и диффузия топлива происходят через малые поры в стенке одной или больше пористых трубок 3. Такой поток распыления можно изменять с помощью дроссельной заслонки или регулировать в соответствии с необходимостью. Поток топлива через малые поры в стенках может сгорать под действием катализатора или плазмы или может быть преобразован на стороне одной или больше пористых трубок 3, удерживая одну или больше пористых трубок нагретой для передачи тепла в топливо для поддержания кипения топлива и потока пара путем подачи тепла испарения топлива 31. Хотя выход пористой трубки иллюстрируется на чертежах как открытый, пористая трубка может быть, по существу, закрыта или накрыта чем-то так, что поток топлива должен проходить через малые поры в стенках, а не через выход пористой трубки. Кроме того, хотя пористые трубки показаны как установленные, по существу, в вертикальном направлении, пористые трубки могут быть установлены, по существу, в горизонтальном направлении относительно основания нагревателя или в любом положении между, по существу, вертикальным и, по существу, горизонтальным положениями. В результате стороны одной или больше пористых трубок могут быть покрыты плазмой, когда воздух (кислород) имеется в стехиометрическом избытке, или горячей плазмой, и также может поддерживать пламя/плазму в потоках испарившегося топлива на выходе из пористой трубки. Динамическое равновесие может быть достигнуто на одной или больше пористых трубках 3 между потоком через малые поры в стенках, через стороны одной или больше пористых труб, который сгорает, и тепло передается для испарения и возможного реформинга топлива в выходном потоке воздуха пористой трубки.
Скорость потока топлива и диффузию через боковые стороны одной или больше пористых трубок 3 требуется автоматически регулировать для поддержания потока топлива через одну или больше пористых трубок 3 в виде испарившегося топлива. Если топливо не испаряется в одной или больше пористых трубках, жидкое топливо на внутренней поверхности одной или больше пористых трубок 3 будет протекать и будет диффундировать через стороны одной или больше пористых трубок 3 и повышать степень нагрева одной или больше пористых трубок до тех пор, пока на выходе из пористой трубки не испарится большая часть топлива 31, и наоборот. Если топливо, по существу, испаряется, когда топливо достигнет одной или больше пористых трубок 3, скорость потока топлива через боковые стороны одной или больше пористых трубок будет уменьшена и нагрев, и испарение топлива, до контакта с жидким топливом возвращаются к основанию одной или больше пористых трубок 3.
Аналогичная система динамического равновесия может быть получена с одной или больше пористыми трубками 3, окружающими компоновку вертикальной подачи топлива по фитилю, которое подают по фитилю в область сгорания у выходного отверстия 34 пористой трубки, и некоторую часть тепла сгорания от поверхности одной или больше пористых трубок передают для кипения топлива. Если топливо полностью испаряется с помощью такого фитиля, меньшее количество топлива будет подано через стороны одной или большего пористых трубок и подача топлива будет сдерживаться. Если большее количество жидкого топлива будет подано по фитилю, нагрев одной или больше пористых трубок повышается и степень испарения топлива увеличивается. Средство предварительно нагрева может представлять собой, например, каталитический или электрический нагреватель.
Для очень высоких скоростей потока через одну или больше пористых трубок 3 теплопередача обратно в жидкое топливо для испарения жидкого топлива необходима для поддержания испарения топлива. В примерных вариантах осуществления, представленных здесь, предварительный нагрев через боковые стенки одной или больше пористых трубок 3 зависит от жидкости или пара в замкнутом тепловом контуре для достижения максимальной реактивности и, таким образом, для формирования чувствительной и динамически самостоятельно испаряющей топливо системы предварительного нагрева. На фиг.7 иллюстрируется средство 340 предварительного нагрева, установленное рядом с топливной линией 12. Такой предварительный нагрев позволяет нагревать исходное количество топлива без постоянного потока топлива, обеспечивая таким образом возможность более эффективного нагрева нагревателя и с меньшими потерями топлива.
Средство предварительного нагрева представляет собой средство, через которое поступает жидкое топливо и в котором оно кипит. Примеры средства предварительного нагрева включают в себя от простой металлической трубки до сложной конструкции в виде радиатора. Специфика конструкции будет основана на таких факторах, как выход в ваттах требуемого средства предварительного нагрева, скорость, при которой топливо перемещается через теплообменник, эффективность, с которой конкретная конструкция позволяет передавать тепло в топливо, температура топлива, точка кипения топлива и т.д. Средство предварительного нагрева также может находиться в непосредственной близости к или потенциально даже будучи прикрепленным к первичному корпусу нагревателя, что может обеспечить возможность для основного нагревателя "перенимать на себя" предварительный нагрев топлива после того, как основной нагреватель будет включен до требуемой или заданной температуры.
Средство предварительного нагрева предпочтительно ограничено по выходному теплу. Это может быть выполнено через ограничение топлива, поступающего в средство предварительного нагрева, или используя некоторое средство термостатического контроллера, такое как, например, клапан, аналогичный тепловому клапану, или используя некоторое электрическое средство, например, от простого биметаллического термостата до компьютера (микроконтроллера) с температурными входами, который управляет клапаном, или даже через трубку для подачи топлива в средство предварительного нагрева, которое проходит через или рядом со средством предварительного нагрева, так же как и теплообменник, что приводит к существенному уменьшению скорости потока топлива из-за обратного давления в линии, когда топливо в средстве предварительного нагрева закипает.
В полости 1 каталитического слоя топливо может сгорать с воздухом при высоких температурах и затем диффундировать в соседний каталитический слой 2 для того, чтобы, по существу, завершить горение при более низких температурах в каталитическом слое 2, по мере того как рассеиваемое топливо в полости 1 каталитического слоя встречается с диффузией кислорода из воздуха в дымоходе 23.
Каталитическое сгорание при более низкой температуре является более полным и создает благоприятные условия для получения продуктов типа двуокиси углерода и воды вместо окиси углерода и водорода, которые могут быть произведены в условиях горения с высокой температурой. Градиент температуры, сформированный в результате передачи тепла от наивысшей температуры внутри полости 1 каталитического слоя на наружную поверхность каталитического слоя 2, формирует требуемый температурный градиент для полного сгорания топлива и воздуха. Измерения в соответствии с вариантами осуществления настоящего каталитического нагревателя обеспечивают лучшую эффективность сгорания, чем 99,984% эффективности при сжигании метанола в качестве топлива с воздухом.
Следует упомянуть, что этот тип горения можно использовать для безопасного сжигания различных видов топлива. Пример их представляют негорючие смеси газов, таких как газы - отходы из рафинирующих установок. Такое топливо может быть подано вместо жидкого топлива и/или смешано с или через параллельное устройство подачи топлива с подачей в полость каталитического слоя. Метанол, диметилэфир или пористые патрубки, в которые подают жидкое топливо, например, могут представлять собой топливо, подаваемое рядом с соплом 37 подачи газа, по которому подают топливо в виде предварительно подогретого газового потока, после того, как температура будет достаточно высокой для того, чтобы открыть элемент 38 расширения воска и клапан 39, активируемый теплом.
Каталитически сгораемые газы, такие как, например, водород, окись углерода, метан, пропан, пентан, эфир, этан, бутан, этанол, пропанол и другие углеводородные соединения также можно использовать. Пример газа, который может быть подан из газообразных отходов установки по рафинированию, представляют собой газ, который состоит из небольшого количества водорода и метана, и окиси углерода, но который разбавлен достаточным количеством азота и несгораемых газов таким образом, что газ сам по себе не может поддерживать пламя.
Предварительно подогретый поток газа в трубке 40 подачи газа может быть нагрет в результате передачи тепла из дымохода 23, каталитического слоя 2 и в каналах 33 выпускаемого потока воздуха в трубку 40 подачи газа и в каталитический слой 2, в результате чего он каталитически окисляет обедненные примеси топлива в каталитическом слое 2 так, что кислород при этом диффугирует через каталитический слой 2. Определенное преимущество использования предварительно подогретого топлива в трубке подачи газа, отдельной от каналов 33 потока воздуха и входного отверстия 43 для воздуха, в существенной степени исключает приготовление большого объема смешанного топлива и воздуха, как в обычной горелке, что может привести к взрывам, наносящим ранения отдельным людям и ущерб частной собственности.
В варианте осуществления воздух также может быть предварительно подогрет в результате теплообмена с теплом, передаваемым из дымохода 23 во входное отверстие 43 для воздуха. Благодаря предварительному нагреву топлива и воздуха нагреватель является более эффективным. Кроме того, для горючих смесей с малой способностью сгорания в трубке 40 подачи газа может быть необходимым поддерживать горение, поскольку энергия в смеси топлива и воздуха недостаточна для нагрева газа до температуры горения и/или температур каталитического горения.
В варианте осуществления, используя газ отходов, способность к сгоранию смеси может изменяться со временем так же, как и химические концентрации и изменения температуры. Такие вариации могут привести к нестабильному горению и взрывам. Термостатические аспекты примерных вариантов осуществления настоящего нагревателя, по существу, поддерживают рабочие условия в нагревателе; по существу, компенсируя изменяемую степень сгорания газообразных отходов. Прекращение каталитического окисления на внешней поверхности охладителя каталитического слоя 2 со сравнительно богатой кислородом средой в каналах 33 потока воздуха, по существу, обеспечивает то, что каталитическое окисление способствует полному окислению окиси углерода и водорода в газах.
Выходные газы из каталитического нагревателя просачиваются в конвективный или принудительный поток воздуха после каталитического слоя 2. Каталитический слой 2 излучает в окружающий дымоход 23. Кондукционный, конвекционный перенос тепла и перенос тепла путем излучения возникают в каталитическом слое 2. Кроме того, перенос тепла может возникать в результате теплопроводного контакта с каталитическим слоем 2 или в результате теплопроводности из дымохода 23. Тепловые трубки и циркуляционные кондукторы с текучей средой могут быть размещены на одном из каталитического слоя 2 или дымохода 23. Например, один или больше термоэлементов 20 размещают в тепловом контакте на дымоходе 23 или в лучевом тепловом контакте с каталитическим слоем 2. Термоэлемент предпочтительно электрически изолируют через изолирующий слой, обеспечивая при этом тепловой контакт. Такие изолирующие слои предпочтительно состоят из оксида алюминия. Теплоотвод 22, также известный как холодное соединение термоэлемента, может быть установлен для предварительного нагрева воздуха во входном отверстии 43 для воздуха. Теплоотвод 22 также охлаждается путем конвекции воздуха в окружающем воздухе. Теплоотвод 22, работающий при низкой температуре нагревателя, может быть внедрен в такие структуры, как коврики на полу, стены, слои, автомобили, станки механической обработки, электронное средство и вешалки для сушки одежды.
Подачу топлива в трубки 41 подачи топлива с малым диаметром и одну или больше пористых трубок 3 осуществляют из резервуара 13 подачи под действием силы тяжести и основного топливного резервуара 30. Основной топливный резервуар 30 может иметь входное отверстие для топлива и вентиляционную крышку 32. Топливо направляют из основного резервуара 30 для топлива в резервуар подачи под действием силы тяжести через насос 28, по топливным трубкам 29 и входной линии 18. Резервуар с подачей под действием силы тяжести может включать в себя выпускное отверстие 17 находящегося под давлением предварительного клапана. Из резервуара топлива под действием силы тяжести топливо протекает через систему трубок и последовательность компонентов управления потоком, включающую в себя выходную линию 19, топливный фильтр 36, клапан 10 термостата, активируемый в результате теплового дифференциального расширения, восковой привод и топливное гнездо 11, предохранительный клапан 7, активируемый в результате теплового дифференциального расширения, восковой привод 8 и гнездо 9 клапана.
Основной топливный резервуар 30 может представлять собой резервуар с топливом, такой как, например, резервуар объемом 50 галлонов, который может быть размещен за пределами здания, в котором требуется обеспечить обогрев. Такой резервуар может быть закопан, может быть накрыт и т.п. в соответствии с эстетическими пожеланиями. Входное отверстие для топлива и вентиляционная крышка 32, по существу, предотвращают накопление избыточного отрицательного или положительного давления в основном резервуаре для топлива.
Насос 28 может быть выполнен в форме, например, перистальтического насоса или пьезоэлектрического диафрагменного насоса. Электрическую энергию подают в насос через электрические провода 35.
Резервуар 13 подачи под действием силы тяжести в примерных вариантах осуществления может иметь объем топлива приблизительно 300 мл для обеспечения постоянного перепада давления под действием силы тяжести топлива, подаваемого в нагреватель. Хотя здесь он описан как резервуар для подачи топлива под действием силы тяжести, топливо может протекать через настоящую систему под действием давления и/или под действием насоса. В резервуаре 13 подачи топлива под действием силы тяжести может находиться переключатель 14, активируемый уровнем топлива, расположенный на поплавке 15, и ограждение 16. Такой переключатель, активируемый уровнем топлива, включает топливный насос 28 в основном резервуаре 31 топлива, когда уровень топлива определяют как низкий, и выключает его, когда уровень топлива определяют как находящийся на требуемом уровне или слишком высокий. Резервуар 13 подачи под действием силы тяжести имеет выпускное отверстие 17 предохранительного клапана давления для, по существу, регулирования давления внутри резервуара топлива с подачей под действием силы тяжести и исключает накопление положительного или отрицательного давления и, таким образом, обеспечивает возможность подачи точного значения давления перепада под действием силы тяжести в нагреватель. Выпускное отверстие 17 предохранительного клапана давления может быть встроено в крышку доступа резервуара 13 клапана подачи под действием силы тяжести.
В начальном режиме работы система нагревателя может быть запущена путем заполнения топливом резервуара 13 подачи под действием силы тяжести. Отсюда топливо может поступать в нагреватель и может генерировать достаточное электричество, передаваемое на электрический выход 21 термоэлемента через электрический диод 26 из термоэлемента 20 для включения в работу насоса 28 в основном топливном резервуаре 30 или для заряда источника 27 электроэнергии в форме одной или больше аккумуляторных батарей, который может затем обеспечить работу насосу 28 в основном топливном резервуаре 30.
Фильтр 36 для топлива может, например, представлять собой пористый спеченный фильтр из нержавеющей стали с порами в среднем 10 микрон, расположенный в выходной линии 19 с держателем из нержавеющей стали.
Термостатический клапан 10, активируемый в результате теплового дифференциального расширения, и восковой привод и гнездо 11 клапана открываются для обеспечения возможности протекания топлива при температуре ниже заданной и затем закрываются для прекращения или замедления потока топлива при температуре выше заданной. N представляет собой вариант, в котором только один из клапана 10 термостата, активируемого в результате дифференциального теплового расширения, и восковой привод и гнездо 11 клапана открыты, останавливая таким образом или замедляя поток топлива. Заданная температура может быть установлена с помощью винтового регулировочного лимба для перемещения воскового привода и гнезда 11 клапана в направлении против теплового дифференциального расширения, активирующего клапан 10 термостата. Другие типы клапанов термостата, такие как электрически активируемые клапаны или электрически управляемые насосы, также можно использовать для клапана термостата, активируемого тепловым дифференциальным расширением.
Система нагревателя также может включать в себя датчики, такие как датчики окиси углерода или окиси кислорода, вентиляторы и источники освещения и т.п.
Во время работы сторона термоэлемента 22, расположенная рядом с дымоходом 23, нагревается, от которой тепло затем передается другой стороне термоэлемента 22 и в теплоотвод 22, который охлаждается воздухом, протекающим во входное отверстие для воздуха. Электрический ток, генерируемый термоэлементом, протекает через электрический выход 21 термоэлемента, через электрический диод 26 для заряда аккумуляторной батареи и снабжения 27 электроэнергией. Электрический диод 26 необходим для обеспечения одностороннего протекания тока, заряжающего батарею, и не позволяет разряжаться батарее обратно через термоэлемент 20, когда нагреватель выключен. Следует отметить, что вместо аккумуляторной батареи для сохранения электрической энергии может использоваться суперконденсатор. Батарея может быть выполнена в форме, например, никелевой металлогидридной батареи, кислотной свинцовой батареи, литий-полимерной батареи или литий-ионной батареи. Сохраняемая электроэнергия в батарее будет протекать, когда переключатель 14 активации уровня топлива замыкают при низком уровне топлива. Электрический ток протекает через насос 28, и большее количество топливо 31 накачивается в резервуар 13 подачи под действием силы тяжести. Когда топливо в резервуаре подачи под действием силы тяжести достигает заданного уровня, переключатель, активируемый уровнем топлива, размыкается и подача электрического тока в насос 28 прекращается. В некоторых ситуациях может быть полезным устанавливать обратный клапан во входной линии 18 таким образом, что, когда насос 28 прекращает накачку, не происходит сифонный отток обратно через топливную линию 29 в основной топливный резервуар 30.
Накачка топлива также может быть обеспечена с использованием ручного и/или автоматического насоса для перемещения исходного количества топлива, которое должно быть предварительно нагрето таким образом, что нагреватель может более эффективно достигать требуемой температуры без постоянного потока топлива.
На фиг.2 система нагревателя показана с дополнительными вариантами осуществления первой и второй ограничительными трубками 88 и 89 капиллярного потока соответственно, имеющих трехходовой клапан 87 потока, нижнюю нагревательную трубку 90, первую и вторую боковые напорные трубки 91 и 92 соответственно на электроизолирующем слое между термоэлементом и дымоходом 23, вентилятор 94, электронный датчик 95 потока воздуха и горения.
В варианте осуществления управление потоком через клапан и капиллярные трубки обеспечивает возможность установки выходной мощности нагревателя на разные скорости потока через первую и вторую ограничительные трубки 88 и 89 капиллярного потока с множеством скоростей потока. Первая и вторая капиллярные трубки с множеством скоростей потока также могут быть размещены как элемент безопасности в тепловом контакте с каталитическим нагревателем таким образом, что если нагреватель будет чрезмерно нагрет, например, когда поток воздуха заблокирован в дымоходе, то топливо в первой и второй капиллярных трубках с множеством скоростей потока закипает и ограничивает подачу топлива в нагреватель. В таком примерном варианте осуществления электроизолирующий слой между термоэлементом и дымоходом 70 используется совместно с нижней нагревательной трубкой 90, первой и второй боковыми напорными трубками 91 и 92 и теплоотводом 22, который может быть выполнен в форме ребристого теплоотвода. Выход термоэлемента используется для работы вентилятора 94 воздушного потока, насосов 28 и заряда аккумуляторной батареи 77. Первая и вторая ограничительные трубки капиллярного потока с множеством скоростей потока могут быть расположены на поверхности дымохода 23 или на поверхности теплоотвода 22.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, большее количество пористых трубок 3 выполнено из обожженного порошка нержавеющей стали, имеющего эффективный средний диаметр пор 0,5 микрон. Пористые трубки предпочтительно имеют внутренний диаметр 0,125 дюйма и внешний диаметр 0,25 дюйма, и нарезаны на отрезки по пять см от компрессионных фитингов 4, предпочтительно выполненных из латуни. Компрессионные фитинги предпочтительно изогнуты под прямым углом, и затем следует трубка с внешним диаметром 0,25 дюйма для формирования Т-образной формы с другой пористой трубкой, как показано на фиг.2. Трубка 41 подачи топлива малого диаметра может быть припаяна твердым припоем как медная трубка диаметром 1/4 дюйма от трубки диаметром 1/8 дюйма. Капиллярные трубки в трубке подачи топлива с малым диаметром ограничивают скорость потока в распылители и соединены с уплотнителем 9 клапана, который установлен на внешней кромке рамы каталитического слоя 2 или дымохода 23 каталитического нагревателя. Такая установка на каталитическом слое 2 или на дымоходе 23 и теплопроводность пористых трубок и малый диаметр линии подачи топлива обеспечивают достаточную передачу тепла от нагревателя в предохранительный клапан 7, активируемый в результате теплового дифференциального расширения, для обеспечения раскрытия такого клапана в результате нагрева каталитического слоя и с использования переноса тепла в кипящее топливо для поддержания открытым предохранительного клапана, активируемого в результате теплового дифференциального расширения.
Выпускные газы каталитического нагревателя рассеиваются в конвективном или принудительном потоке воздуха, протекающем мимо каталитического слоя 2. Каталитический слой 2 излучает в окружающий дымоход 23. Кондукция, конвекция и лучевой перенос тепла возникают от каталитического слоя 2. Дополнительный перенос тепла может возникать в результате теплопроводного контакта с каталитическим слоем 2 или благодаря теплопроводности дымохода 23. В примерном варианте осуществления тепло передается на стенки дымохода 23 и тепло поступает через термоэлемент. Тепло от термоэлемента затем отводят через нижнюю тепловую трубку 90, и первые и вторые боковые напорные трубки 91 и 92, которые рассеивают тепло через теплоотвод 22 в окружающий воздух или поверхности, такие как напольный коврик, одежда, мебель, трубопроводы, оборудование, автомобили, зеркала, окна, электронные устройства или стены здания.
Нижняя тепловая трубка 90 и первая и вторая боковые напорные трубки 91 и 92 могут включать в себя рабочую жидкость в герметично закрытой трубке 97, которая может быть выполнена в форме гибкой окруженной стенкой тепловой трубки с материалом фитиля внутри герметично закрытой трубки 97. Обратный поток под действием силы тяжести используется для возврата конденсируемой рабочей жидкости обратно в материал фитиля. Если загрязнение добавить к рабочей жидкости тепловой трубки или использовать повышенное давление в герметично закрытой трубке 97, точка кипения рабочей жидкости может быть установлена и герметично закрытая трубка может отбирать тепло и подавать тепло при установленной температуре.
Трехходовой клапан 87 потока установлен после топливного фильтра 36 в варианте осуществления, показанном на фиг.2. Типичные положения трехходового клапана, такого как клапан 87, представляют собой: выключено и два направления потока для капиллярных трубок с разной скоростью потока.
Электрическая система для примерных вариантов осуществления настоящего изобретения может включать в себя генератор в виде топливного элемента, диод, одну или больше аккумуляторных батарей, переключатель, срабатывающий от уровня топлива, топливный насос, вентилятор потока воздуха и датчик сгорания в потоке выпускаемого воздуха. Датчик сгорания может детектировать такие газы, как, например, окись углерода, недогоревшее топливо, тепло или содержание кислорода. Если содержание кислорода в системе становится слишком низким или если содержание окиси углерода или несгоревшего топлива слишком высоким, датчик сгорания может отключить питание топливного насоса и отключить систему нагревателя. Другие возможные варианты представляют собой отключение топливного клапана и включение звукового сигнала предупреждения, светового сигнала или визуального представления о состоянии неисправности для пользователя. Датчик сгорания также может детектировать тепло и регулировать мощность нагревателя путем управления клапаном подачи топлива для регулирования температуры или подачи тепла в помещение, шкаф с одеждой, к оборудованию. Вентилятор потока воздуха перемещает воздух вдоль системы нагревателя для увеличения потока воздуха через дымоход 23 и повышения подачи кислорода в каталитический слой и повышения переноса тепла из него в окружающую среду.
Нагреватель может быть запущен путем залива топлива в резервуар 13 подачи под действием силы тяжести через отверстие, закрытое крышкой. Топливо поступает под действием силы тяжести через фильтр, затем через трехходовой клапан 87 потока и одну из первой и второй многопотоковых трубок 88 и 89 ограничения скорости капиллярного потока. Топливо протекает в одну или больше малых капиллярных трубок 6. Топливо впитывается в каталитический слой, откуда оно испаряется, рассеивается и каталитически сгорает в каталитическом слое с притекающим под действием диффузии кислородом из внешнего воздуха. Тепло в результате каталитического сгорания повышает температуру пористых трубок, герметично закрытых трубок, одной или больше малых капиллярных трубок, пористых трубок и предохранительного клапана, активируемого в результате теплового дифференциального расширения. Когда температура достигает температуры, которая раскрывает предохранительный клапан, активируемый в результате теплового дифференциального расширения, такой клапан открывается и поток топлива с большой скоростью поступает в пористые трубки. Некоторая часть топлива испаряется в пористых трубках, и часть топлива проникает посредством диффузии через боковые стенки пористых трубок. Усиленное каталитическое сгорание происходит в каталитическом слое по мере того, как все большая диффузия топлива встречается с диффузией кислорода в каталитическом слое, до тех пор, пока в нагревателе не произойдет самостоятельная регулировка температуры в результате срабатывания термостатического клапана под действием теплового дифференциального расширения. Когда работа в устойчивом состоянии нагревателя будет достигнута, температура становится наибольшей внутри каталитического слоя и более холодный на внешней стороне каталитического слоя благодаря отводу тепла снаружи путем излучения, теплопроводности и конвекции. Будучи самым холодным с внешней стороны, самая низкая температура равновесного состояния каталитического слоя способствует полному сгоранию, сводя к минимуму таким образом формирование окиси углерода снаружи от каталитического слоя.
Плазма также может формироваться внутри полости каталитического слоя. Такая плазма также может нагревать пористые трубки и подключенные топливные линии для поддержания испарившегося топлива в динамическом равновесии, для поддержания постоянного потока испарившегося топлива в полость каталитической слоя в пределах каталитического слоя. Такое динамическое равновесие представляет собой баланс нагрева пористых трубок для испарения топлива и подачи топлива через боковые стороны пористых трубок для нагрева боковых сторон пористых трубок. Когда пористые трубки являются горячими, топливо испаряется и меньшее количество топлива поступает через боковые стороны пористых трубок, уменьшая нагрев пористых трубок. Когда пористые трубки холодные, больше топлива поступает через боковые стороны пористых трубок и подача топлива через боковые стороны пористых трубок увеличивается.
Во время работы нагреватель формирует высокую разность температур на термоэлементе для получения электрического тока для заряда аккумуляторной батареи, обеспечения работы топливного насоса в основном резерве топлива, для работы системы датчиков и работы вентилятора потока воздуха. Система тепловых трубок, включающая в себя, например, нижнюю тепловую трубку 90 и первую и вторую боковые напорные трубки 91 и 92, может быть продлена от нагревателя до целевых устройств, таких как тепловое оборудование, топливные элементы, кровати, одежда, полы, стены зданий.
На фиг.3 иллюстрируется примерный вариант осуществления, имеющий каталитический слой, соединенный с передачей тепла с тепловой трубкой или системой регулирования потока текучей среды. В этом конкретном варианте осуществления нагреватели находятся ниже высоты предполагаемой области конденсации или области подачи тепла, обеспечивая таким образом возможность конвекции и конденсации для циклического перемещения текучей среды и потока воздуха через каталитические нагреватели и трубы.
На фиг.3 показан уровень 150 земли, и входное отверстие 151 для воздуха находится на уровне земли. Крышка или крыша 152 вентиляционного отверстия для воздуха предназначена для предотвращения попадания дождя, снега, грязи и т.п. в систему нагревателя. Крышка вентиляционного отверстия для воздуха также может действовать как разделитель для предотвращения смешивания выпускаемого воздуха с выходным потоком воздуха.
Воздух попадает через вентиляционное отверстие 151 для воздуха и протекает вниз в систему нагревателя. По мере протекания воздуха он нагревается через стенку 159 теплообменника, разделяющую входное отверстие для воздуха и выходное отверстие 153 воздуха. Такой теплообмен от выпускаемого воздуха во входной воздух позволяет сделать нагреватель более эффективным благодаря восстановлению тепла из выходных газов. Однако в выпускном воздухе может произойти конденсация воды, что является важным моментом при обеспечении работы нагревательного оборудования для уменьшения шлейфа конденсации и исключения закупоривания канала. Конденсирующаяся вода на стенке теплообменника может быть собрана и удалена из системы. Когда воздух достигает каталитического слоя нагревателя, он диффундирует в каталитический слой и в полость каталитического слоя. При этом внутри полости каталитического слоя может происходить плазменное сгорание, и затем может происходить каталитическое сгорание в каталитическом слое при относительно низкой температуре. Внешняя часть каталитического слоя находится в тепловом контакте на основе теплопроводности излучения и конвекционной передачи с входным отверстием воздуха и тепловыми трубками или трубками 171 потока текучей среды. Это обеспечивает то, что существует градиент температуры изнутри наружу каталитического слоя. Такой градиент температуры в каталитическом слое, диффузия реагирующих веществ и избыток подачи кислорода на внешнюю поверхность каталитического слоя обеспечивают то, что в нагревателе достигается, по существу, полное сгорание.
Если нагреватель работает с избытком топлива или аналогично с недостаточным потоком воздуха, то нагреватель будет производить несгоревшее топливо в выходных газах, и это может быть детектировано с помощью каталитического датчика в выходных газах, как показано на фиг.2, работа топливных насосов затем может быть замедлена, или они могут быть отключены. Благодаря теплопроводности, конвекции и передаче тепла через излучение в трубки потока текучей среды текучая среда закипает или протекает с помощью нагревателя. Когда кипения текучей среды не происходит, можно использовать насос 28 для циркуляции текучей среды. Резервуар текучей среды 169 используется для обеспечения содержания всей текучей среды в трубках системы, обеспечивая остановку циркуляции текучей среды. Таким образом, резервуар текучей среды 169 и насос 28 могут действовать как механизм включения-выключения для тепловой трубки 155. Резервуар текучей среды 169 также можно использовать просто для того, чтобы иметь возможность опустошения трубок для ремонта трубок.
Предполагается, что в рабочих ситуациях, в которых трубки встроены в подъездные пути, в дорогу или бетонные плиты зданий, может произойти утечка. Работа тепловой трубки может быть нарушена из-за утечек, в результате проникновения воздуха внутрь трубок, но система все еще будет работоспособной благодаря циркуляции жидкости или смеси текучих сред и газообразных паров, используя охлаждающий насос 170. Резервуар текучей среды 169 может иметь достаточные размеры для обеспечения возможности умеренной скорости утечки и дополнения текучей среды во время технического обслуживания системы циркуляции. Рабочая текучая среда в трубах по желанию представляет собой инертную текучую среду малой стоимости с высокими тепловыми возможностями, которая не замерзает и которая кипит при температуре, при которой нагреватель должен отдавать достаточное тепло к поверхности подъездных путей, площадки для высадки и посадки, дороги, прогулочных дорожек, стадионов, оранжерей, полов зданий, палубы судна, автомобиля, оборудования или структуры. Примеры таких текучих сред включают в себя такие, как хлорофторуглеродные жидкости, аммиак, вода, метанол, этанол, двуокись углерода.
В конкретных вариантах применения, таких как в бетонных плитах 154, может потребоваться температура выше температуры теплового резервуара на земле, поэтому нагреватель включают и увеличивают температуры рабочих текучих сред выше температуры нагревателя для достижения высоких скоростей потока тепла к плите 154. Тепловой резервуар может представлять собой землю 150, тело рабочей текучей среды или массу воды, которую нагревают от источника тепла в виде солнечной энергии, геотермальной энергии, или сбросового тепла систем тепловых трубок, или сбросового тепла теплоэлектростанции. Тепловой резервуар текучей среды 169 может находиться тепловом контакте с источником тепла через циркуляционные трубки, заполненные текучей средой, от источника тепла и использоваться для сохранения тепловой энергии в резервуаре рабочей среды с текучей средой 169 и землей 150.
На фиг.4 показан примерный вариант осуществления системы нагревателя, соединенной с тепловой трубкой и системой переноса тепла потоком текучей среды. Система нагревателя построена с пористыми трубками, по существу, окруженными полостью каталитического слоя каталитического слоя 2. Каталитический слой может использоваться как средство предварительного нагрева для нагрева исходного количества топлива без постоянного притока топлива. Полость каталитического слоя предпочтительно имеет внутренний кожух 230 из нержавеющей стали и внешний кожух 206 из нержавеющей стали, который содержит пористый, с каталитическим покрытием слой 207 из минеральной ваты и покрытый катализатором сферы 232 из оксида алюминия, внедренные в пористый слой 207 из покрытой катализатором минеральной ваты. Термин "кожух", используемый здесь, означает окружающее средство, которое имеет, по меньшей мере, некоторые участки, которые являются открытыми, перфорированными, вентилируемыми или тому подобное. Пористые трубки имеют поры 225 с малым диаметром на стороне распылительного сопла, которые позволяют обеспечить низкую скорость подачи топлива через боковые стенки трубки для поддержания нагрева сопла, для поддержания кипящего состояния жидкого топлива и потока с распылением через выходной торец пористой трубки. Умеренная степень нагрева топлива для достижения постоянной скорости потока с распылением поддерживается путем динамического равновесия между различиями скорости подачи топлива в жидком и газообразном состоянии через поры 225 с малым диаметром выхода пористой трубки.
Поток воздуха в данном варианте осуществления протекает через слой каталитического нагревателя в дымоходе, окружающем каталитический слой. Тепло из каталитического слоя 2 может быть передано в воздух или в текучие среды, расположенные за пределами нагревателя и дымохода, через одну или больше тепловых трубок, или через прокачиваемую текучую среду, или систему, циркулирующую через клапан. Прокачиваемая или циркулирующая через клапаны система текучей среды позволяет осуществлять циркуляцию жидкостей, кипящих жидкостей и газов. Система пассивных тепловых нагревательных трубок, представленная здесь, обеспечивает тепловой контакт через медный или алюминиевый блок 220 на внутренний кожух 230 из нержавеющей стали или в результате передачи тепла излучением из полости 1 каталитического слоя внутри каталитического слоя. В такой компоновке тепловой контакт осуществляется с полостью каталитического слоя для достижения наибольшей возможной разности температур на термоэлементе. Благодаря особенностям свойства диффузии такого каталитического слоя кислород, проникающий посредством диффузии внутрь на поверхность каталитического слоя, нагревается, в то время как кислород, выходящий под действием диффузии как выходной продукт изнутри каталитического слоя, остывает, при этом более высокие температуры нагревателя находятся в месте, где встречаются реагенты взаимной диффузии для обеспечения сгорания и каталитического сгорания. Благодаря термостатическому управлению подачей топлива максимальная температурная зона в каталитическом слое и плазме в полости каталитического слоя могут быть размещены так, чтобы они были ближе к месту, где кожух из нержавеющей стали может собирать тепло и передавать его в медный блок 220 и термоэлемент для максимальной эффективности.
При работе в равновесном состоянии зона сгорания может быть неподвижной в пределах каталитического слоя и потери тепла за счет теплопроводности и излучения через каталитический слой могут поддерживаться на низком уровне по сравнению с теплом, подаваемым через кожух 230 из нержавеющей стали. Это отличается от системы сгорания в потоке, в которой тепло удаляют с помощью горячего газа, протекающего над металлическими поверхностями и с последующим отбором тепла при более низкой температуре вдоль этого потока. В системе сгорания в потоке эффективная подача тепла достигается в результате предварительного нагрева воздуха с помощью теплообмена между выходящим и поступающим воздухом. Таким образом, каталитический нагреватель обладает способностью эффективной подачи высококачественного тепла через стальной кожух из нержавеющей стали без использования теплообменников для входного и выходного потоков воздуха и насосов. Это может быть особенно полезным в таких ситуациях, как упомянуто выше, при каталитическом сжигании топлива с низкими энергетическими значениями, при малых размерах или невоспламеняющихся смесях топливо-газ, таких как остаточные газы рафинирующих установок. Блок 220 из меди или алюминия размещен, по существу, рядом с тепловым контактом, с теплоизолирующим, но теплопроводным слоем из оксида алюминия 219 или с использованием такого покрытия, как карбид кремния на меди или анодированное покрытие на медном или алюминиевом блоке 220. Электроизолирующий слой 219 находится в тепловом контакте с термоэлементом. Термоэлемент имеет полупроводниковые переходы теллурида висмута (чередующееся легирование) и металлические проводники между источником тепла и потребителем тепла для получения напряжения и тока из-за разностей температур между источником тепла и потребителем тепла. Электрические соединения 211 на термоэлементе передают электроэнергию для внешнего применения, такого как освещение, вентиляторы, радиоустройства, сотовые телефоны, телевизоры. Тепловая трубка 229 соединена по теплу с термоэлементом через электроизолирующий слой 219, такой как, например, лист из глинозема, для удаления тепла в результате кипения рабочей текучей среды и передачи тепла путем конденсации на ребристом конвекционном и излучающем теплоотводе 22. Теплоотвод рассеивает тепло в текучую среду, такую как окружающий поток конвективного воздуха или масса жидкости, такая как горячая жидкость в резервуаре. Такая тепловая трубка 229 может быть внедрена в структуру или в оборудование для поддержания температуры в структуре или в оборудовании. Внутри тепловой трубки находится материал фитиля для отвода жидкой рабочей текучей среды, такой как вода, метанол, аммиак или фреон, обратно к горячей кипящей поверхности из более холодных областей конденсации.
На фиг.4 показана конденсация 214 рабочей текучей среды 216, которая конденсируется в виде капель, и под действием силы тяжести более крупные капли протекают вниз по конденсирующей поверхности для возврата в резервуар с рабочей текучей средой 216. Резервуар с рабочей текучей средой затем находится в контакте с кипящей поверхностью, и фитиль 213 также используется для перемещения жидкой текучей среды в контакт с кипящей поверхностью. Тепло, протекающее из термоэлемента, приводит к закипанию жидкой рабочей текучей среды и затем перемещается в виде газа к конденсирующей поверхности 214 для переноса тепла к теплоотводу 22, когда рабочая текучая среда конденсируется из газа в жидкость. На противоположной стороне нагревателя система отвода тепла с более низкой температурой соединена по теплу с внешней поверхностью кожуха из нержавеющей стали. Замкнутые контуры трубок 223 из меди или нержавеющей стали могут быть припаяны твердым припоем к кожуху 206 из нержавеющей стали, окружающему каталитический слой. Рабочая текучая среда из метанола, смеси метанола и воды, этиленгликоля и воды, воды, аммиака, водорода или фреона может прокачиваться вокруг трубок кожуха из нержавеющей стали каталитического слоя. Когда рабочая текучая жидкость кипит, она может удалять тепло при температуре кипения текучей среды. Если текучая среда не кипит, она может удалять тепло в определенном диапазоне температур вдоль поверхности нагревателя, по мере повышения температуры рабочей текучей среды и добавления тепла к текучей среде. Насос 28 можно использовать для изменения скорости, с которой происходит циркуляция рабочей текучей среды. Это, в свою очередь, позволяет подавать тепло при разных температурах. Если насос 28 будет остановлен или замедлен, поток замедляется или блокируется и подача тепла замедляется или останавливается.
Контуры 203 текучей среды, продолжающиеся из каталитического слоя через ребристый или неребристый теплоотвод 22 за пределы дымохода 23, который либо конденсирует газообразную рабочую текучую среду, или понижает температуру рабочей текучей среды и затем передает тепло в теплоотвод 22. Теплоотвод отводит путем конвекции и излучения тепло в текучие среды, такие как воздух или вода. Теплоотвод может быть встроен в такие объекты, как полы, дороги, подъездные пути, площадки посадки и высадки, дорожки для прогулок, стадионы, оранжереи, стены, мебель, каналы для потока воздуха, одежда, зеркала, окна, батареи, электронные устройства, оборудование или автомобили.
На фиг.5 распыляющий нагреватель выполнен для нагрева топливных элементов. В этом примерном варианте осуществления топливо в топливный элемент поступает через мембрану 256 подачи топлива, которая выполнена либо пористой, или избирательно пропускающей, например, из кремнийорганического каучука, который, по существу, блокирует свободный поток жидкости через топливный элемент, но подает и с управляемой скоростью топливо через поверхность топливного электрода топливного элемента. Топливный элемент включает в себя мембрану 256 топлива подачи, топливный электрод 255 в форме платинового и рутениевого катализаторов на гранулах активированного угля и электролит, такой как мембрана 254 Nafion, воздушный электрод 253, такой как платиновый катализатор на гранулах активированного угля. Топливный элемент с диффузионной подачей метанола, используемый в данном примере, имеет рабочие характеристики, которые от 10 до 30 раз выше при температуре 65°С, чем при температуре 20°С. Также важно поддерживать повышенную температуру топливного элемента во время работы для обеспечения испарения получаемой в результате реакции воды и отвода ее от воздушного электрода 253 топливного элемента с достаточной скоростью для исключения залива образующейся водой воздушного электрода 253 топливного элемента.
В случае топливного элемента со щелочным электролитом температура топливного элемента может быть повышенной для предотвращения формирования карбоната в электролите. Для твердотельных топливных элементов с оксидным и карбонатным электролитом необходимо поддерживать достаточно высокую электропроводность электролита для возможности использования. Поскольку в данном варианте осуществления используется точка кипения топлива и давление топлива может быть установлено, устанавливают точку конденсации и температуру подаваемого топлива в топливный элемент. Можно использовать другие виды топлива, такие как метанол и вода или этанол, которые имеют более высокие точки кипения, но точка конденсации и точка передачи тепла могут быть установлены таким образом. Когда температура топливного элемента становится выше температуры конденсации, топливо больше не конденсируется на мембране и жидкое топливо может кипеть в резервуаре и будет выталкиваться обратно через клапан 285 в резервуар 251 источника. Таким образом, скорость подачи топлива уменьшается, но также и работа каталитического слоя замедляется из-за недостаточной подачи топлива в пористые трубки. Топливный элемент работает на парах топлива, которые проникают через мембрану 256 подачи топлива. Это может уменьшить выходную мощность топливного элемента и существенно уменьшить количество тепла, вырабатываемого нагревателем, и действует как термостатический нагреватель для топливного элемента. Таким образом, можно исключить чрезмерный рост температуры на топливном элементе и поддерживать оптимальную температуру в топливном элементе. Топливо подают в полость каталитического слоя в пористые трубки 3, первая из которых проходит через капиллярную трубку 6, по которой подают жидкое топливо к выходу пористой трубки. Капиллярная трубка 6 устанавливает скорость подачи топлива в нагреватель. Когда температура в капиллярной трубке 6 достигает точки кипения топлива, скорость подачи топлива значительно понижается, когда газ вместо жидкости протекает через капиллярную трубку 6. Когда топливо кипит и находится под давлением в резервуаре, уровень топлива понижается по мере того, как топливо продвигается обратно в резервуар 251 источника, и уровень топлива в резервуаре теплообменника становится ниже, чем в капиллярной трубке 6, для, по меньшей мере, двух трубок 281. Трубка 280 сопротивления потоку действует как выходное отверстие для паров топлива для резервуара 284 теплообменника. Это позволяет вентилировать резервуар 284 теплообменника через такую трубку 280 сопротивления потоку в атмосферу через нагреватель с распылительной полостью и исключить накопление избыточного давления.
Испарение и конденсация в теплообменнике зависят от рабочей текучей среды, в котором воздух был удален из контуров и резервуара теплообмена. Таким образом, необходимо вентиляционное отверстие через капиллярную трубку 280 как канал для прочистки. Пары топлива и воздуха, которые выпускают через канал для прочистки, протекают через пористые трубки и сгорают в полости каталитического слоя и в каталитическом слое. Диаметр и длину трубок для канала испарения и для жидкости можно выбирать для установки отношения выходной мощности между подачей холодного топлива и производительностью горячего нагревателя в холостом режиме из-за отличия скоростей подачи для двух разных каналов подачи топлива при разных температурах. Топливо, которое протекает в пористые трубки на участке, которое достигло распылителя в жидкость, протекает предпочтительно через пористые стороны пористой выходной трубки. Высокие температуры и каталитические свойства стенок пористых трубок и входных линий являются достаточно высокими таким образом, что топливо, такое как метанол, разлагается на газ, обогащенный водородом (или плазму), по мере его протекания через сопло в полость. Такое разложение топлива дополнительно улучшает полное сгорание и каталитическую реакцию топлива и кислорода на стенке полости. Топливо, которое протекает в пористые трубки на участке, который достиг распылителя в виде пара, более предпочтительно попадает в полость через пористое выходной сопло трубок. Завершение каталитического сгорания происходит в каталитическом слое при каталитическом сгорании при пониженном содержании кислорода по мере того, как топливо диффундирует до внутренней поверхности 264 с кислородом, попавшим путем прямой диффузии из потока окружающего воздуха в дымоходе, и заканчивается каталитическим сгоранием к направлению внешней поверхности каталитического слоя в среде, обогащенной кислородом из окружающего воздуха. Градиент температуры в такой ситуации переходит от наибольшего в полости каталитического слоя или на внутренней поверхности 264 каталитического слоя до периметра каталитического слоя, когда кожух 261 нержавеющей стали и охлаждающие контуры отводят тепло совместно с охлаждением за счет излучения и конвективным охлаждением потоком воздуха в дымоходе.
Другой пример системы нагревателя, соединенной с топливным элементом, должен иметь независимую от топлива нагревательную трубку 274, соединенную с возможностью передачи тепла с внешним кожухом 261 нагревателя с распылительной полостью. В данном варианте осуществления нагревательная трубка может представлять собой тепловую трубку 291 с рабочей текучей средой, такой как, например, фреон, вода, аммиак, этанол, пропан, бутан, пентан и метанол.
В тепловой трубке 291 материал фитиля, такой как тканая сетка или ткань из стекловолокна, упакован с прижимом к внутренней поверхности нагревателя тепловой трубки 291. Это действует так, что жидкая рабочая текучая среда поступает по фитилю к внутренней поверхности тепловой трубки 291. Рабочая текучая среда кипит и перемещается через тепловую трубку в виде пара и затем конденсируется на внутренних поверхностях тепловой трубки, которая находится в тепловом контакте с топливным элементом 289. Это передает тепло к топливному элементу. На этой иллюстрация показана тепловая трубка 291 в тепловом контакте с топливным коллектором 289 тепловой трубки 291. Конденсат 268 жидкой рабочей текучей среды затем протекает вниз по внутренним конденсирующим поверхностям (например, под действием силы тяжести) для возврата жидкой рабочей текучей среды в резервуар 272 тепловой трубки. Материал фитиля может быть продолжен до поверхности 268 конденсации с тем, чтобы обеспечить возможность впитывания в фитиль жидкой рабочей текучей среды, противодействуя силе тяжести, например, в случаях, когда топливный элемент 289 находится ниже по вертикальной высоте, чем контакт 262 каталитического нагревателя корпуса с распылительной полостью. Топливный элемент 289, в качестве примера, может представлять собой топливный элемент, работающий на водороде, и коллектор 289 заполнен газом 275 водорода и волокнистой матрицей или каналами 289, которые обеспечивают теплопроводность. Такие топливные элементы 289 также могут быть выполнены как электрические проводники, обеспечивающие контакт с топливным электродом 269 и/или каналами потока для газообразного водорода. Следует отметить, что для водородных топливных элементов выходной газ, разбавленный азотом, из топливного элемента может быть направлен в каталитическую полость 290 для безопасного сгорания газообразного водорода, как показано на фиг.1, в качестве входной трубки 37. Водородный топливный элемент может включать в себя коллектор 289 топлива, входные линии 18 для газа, покрытые платиной гранулированные топливные электроды 269, выполненные из покрытого платиной активированного угля, электролит 270, такой как электролит проводящий ионы водорода, такой как Nafion, или электролит, обладающий анионной проводимостью, такой как асбестовый мат, пропитанный гидроокисью калия, воздушный электрод 271, выполненный из покрытого платиной гранулированного активированного угля.
На фиг.6 показаны электрический выход и система интерфейса. Термоэлемент, нагретый до состояния преобразователя электроэнергии, и/или топливный элемент 300 подает постоянный ток для заряда аккумуляторной батареи или конденсатора 302. Выходной постоянный ток может быть обработан или преобразован с использованием таких устройств, как DC-DC преобразователь 300, для согласования требуемого напряжения заряда аккумуляторной батареи или конденсатора 302. В частности, большой ток и низкое напряжение термоэлементов и топливных элементов могут быть преобразованы в высокое напряжение с низким током путем переключения постоянного тока, с использованием повышающего трансформатора и выпрямителя 300. Проверочный диод 301 включен в цепь для предотвращения обратного потока тока из аккумуляторной батареи или конденсатора 302 в термоэлемент или топливные элементы 300. Контроллер 303 электроэнергии электрически соединен с аккумуляторной батареей 302 для подачи соответствующего электричества в такие устройства, как, например, светодиоды 304, люминесцентные лампы, вентиляторы, радиоустройства 306, телевизионные устройства, сотовые телефоны, детекторы, телефоны и т.п. Первый переключатель 307, второй переключатель 308 и третий переключатель 309 используются для управления различными устройствами.
В то время как данное изобретение было описано на примере конкретных вариантов осуществления, описанных выше, очевидно, что множество альтернатив, модификаций и вариантов будут понятны для специалиста в данной области техники. В соответствии с этим предпочтительные варианты осуществления изобретения, как описано выше, предназначены для иллюстрации, а не для ограничения. Различные изменения могут быть выполнены без выхода за пределы сущности и объема изобретения.