Обогреватель каталитический

 

Изобретение относится к автономным обогревателям, в которых для получения тепла используется принцип беспламенного каталитического окисления углеводородных топлив. Обогреватель предназначен для обогрева людей, растений, узлов машин и зон обслуживания как в помещении, так и на открытом воздухе. Обогреватель каталитический содержит каталитический элемент, корпус, элементы крепления и подачи углеводородного топлива, корпус выполнен в форме емкости профильного сечения из пористой проницаемой керамики, при этом поры стенок и дна корпуса герметизированы с наружной стороны и открыты со стороны полости, а каталитический элемент сопряжен с верхней поверхностью промежуточного элемента, имеющей открытую площадь большую, чем в нижней части, герметично сопряженной с торцом корпуса. Внутренняя поверхность корпуса образована криволинейными выступами и впадинами. Изобретение позволяет повысить кпд за счет устранения утечек жидкого (газообразного) топлива к внешней стороне корпуса и испарения с внешней стороны корпуса, а также обеспечить пожарную безопасность при розжиге. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области автономной теплоэнергетики и предназначено для обогрева людей, объектов техники и различных зон обслуживания как в помещении, так и на открытом воздухе. Обогреватель может быть использован как в стационарных условиях, так и на подвижных объектах, при этом обеспечивается возможность изменения направления излучения на любой угол в любой момент времени.

Известны обогреватели каталитические, работающие на жидком углеводородном топливе (УТ), в которых используются фитильные или трубчатые испарительные системы. Известна, например, каталитическая фитильная печь по авт. св. № 614291, М.Кл.² F 24 С 5/00 с пр. от 25.01.77, которая содержит корпус, каталитическую насадку, имеющую горизонтальную теплоизлучающую поверхность, механизм регулирования высоты фитиля и экран для увеличения диапазона регулирования теплопроизводительности.

Недостатками указанной печи являются сложность конструкции и ограничение удельной мощности, т.к. корпус, топливная емкость и испарительная система выполнены как автономные узлы, кроме того, фитиль имеет ограниченную площадь испарения.

Известен также газожидкостный обогреватель по патенту RU № 2042884, 6 F 23 D 14/18 с пр. от 15.10.92. Обогреватель содержит корпус с внутренними отражающими поверхностями, вертикально установленную каталитическую насадку и размещенный внутри каталитической насадки трубчатый испаритель, соединенный краном с газовой или бензиновой топливной емкостью. Корпус снабжен шарнирно закрепленной теплоотражающей решеткой, а с внутренней стороны отражающая поверхность корпуса выполнена криволинейной.

Недостатками обогревателя являются сложность конструкции, т.к. корпус, каталитическая насадка, топливная емкость и испаритель выполнены как отдельные узлы. Известные обогреватели имеют или горизонтальное или вертикальное исполнение. Возможность наклона обогревателя ограничена несколькими градусами, при превышении которых обогреватель теряет работоспособность, т.е. использование известных жидкостных обогревателей ограничено объектами, не изменяющими положение в пространстве.

Известен также блок теплоизлучающий по заявке RU № 94037984, 6 F 24 C 1/00 с пр. от 08.09.94, который принят за прототип. Блок состоит из корпуса, изготовленного с полостью, отверстием и др. элементами как одна деталь из минерального вещества, например из глиношамотной массы, имеющей пористую структуру. Корпус одновременно является топливной емкостью, стенки корпуса способны впитывать жидкое топливо. Корпус имеет отверстие, в котором установлен патрубок для подвода УТ. Полость закрыта каталитическим элементом, который поджат по периметру корпуса или зафиксирован термостойким клеем. Каталитический элемент представляет собой пористый носитель, пропитанный катализатором для окисления УТ. Полость имеет плоские или цилиндрические стенки и может иметь профилированное дно. Блок теплоизлучающий может быть выполнен в жидкостном, газовом или универсальном вариантах.

Недостатком прототипа является наличие сквозных, каналообразующих, негерметизированных с внешней стороны корпуса пор, по которым после заливки жидкого (или подачи газообразного) топлива в полость происходит просачивание жидкого (газообразного) топлива к внешней поверхности корпуса и испарение с внешней стороны корпуса в окружающую среду. Таким образом, сквозные поры допускают системную утечку топлива в окружающую среду и снижение кпд. Кроме того, из-за свободного испарения топлива с поверхности корпуса, при розжиге открытым пламенем, корпус становится пожароопасным. С другой стороны, при повышенной атмосферной влажности влага по сквозным порам может впитываться с наружной стороны корпуса и проникать в полость. Недостатком является также то, что эффективная площадь излучения каталитического элемента, а следовательно, и удельная мощность, ограничена площадью сечения полости. Кроме того, недостатком является отсутствие защиты каталитического элемента от механических воздействий. При ударе в прижимной элемент носитель деформируется и не восстанавливает форму, т.к. является мягким элементом, что приводит к потере герметичности.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются обеспечение работоспособности и повышение кпд за счет устранения утечек жидкого (газообразного) УТ к внешней стороне корпуса и испарения с внешней стороны корпуса, а также обеспечение пожарной безопасности при розжиге. Расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работоспособности обогревателя при любом угловом положении излучающей поверхности в пространстве и при изменении положения в любой момент времени, т.о. обогреватель может быть использован как в стационарных условиях, так и на наземных, воздушных и водных транспортных средствах. Увеличение эффективной площади теплоизлучающей поверхности каталитического элемента при тех же габаритах корпуса, а следовательно, удельной мощности, достигается за счет дополнительного промежуточного элемента, который в верхней части, сопряженной с каталитическим элементом, имеет существенно большую открытую площадь, чем в нижней части,

сопряженной с торцом корпуса, имеющей открытую площадь, равную площади полости. Увеличение объема жидкого УТ, впитываемого в поры корпуса с внутренней стороны, обеспечивается за счет увеличения количества и суммарной длины пор, что, в свою очередь, обеспечивается за счет применения криволинейной внутренней поверхности корпуса, образованной криволинейными выступами и впадинами. Защита каталитического элемента от механических воздействий и фиксация величины поджатия обеспечивается за счет применения жесткого упора, высота которого меньше толщины каталитического элемента на величину поджатия. Задачей является также обеспечение работоспособности обогревателя как на жидком, так и на газообразном УТ. Сущность изобретения заключается в том, что, с целью обеспечения работоспособности при любом угловом положении обогревателя в пространстве, он содержит каталитический элемент, корпус, элементы крепления и подачи углеводородного топлива, корпус изготовлен из пористой проницаемой керамики в форме емкости профильного сечения, при этом поры стенок и дна корпуса с наружной стороны герметизированы глазурью, эмалью или другим покрытием, не растворимым жидким УТ, т.о. сквозные, каналообразующие поры превращаются в тупиковые, открытые только со стороны полости. Стенки и дно корпуса, пронизанные порами, представляют собой пористо-капиллярную структуру, которая может впитывать жидкое УТ только с внутренней стороны корпуса - из полости и испарять жидкое УТ только внутрь корпуса - в полость. Свойство обогревателя работать при любом угловом положении в пространстве обеспечивается за счет того, что жидкое УТ впитывается в пористо-капиллярную структуру стенок и дна корпуса с внутренней стороны и удерживается в порах силами межмолекулярного сцепления. Возможность изменения положения корпуса относительно базовой поверхности обеспечивается за счет шарнирного соединения корпуса обогревателя на объекте. Полость корпуса герметично закрыта каталитическим элементом, который представляет собой пористую пластину из термостойкого материала, пропитанную катализатором для окисления УТ. Фиксация величины поджатия и предохранение от механических воздействий осуществляется за счет упора, высота которого меньше толщины каталитического элемента на величину поджатия. Сущность изобретения заключается также в увеличении удельной мощности и упрощении конструкции, что достигается за счет совмещения в одном корпусе функций трех узлов: функции несущего элемента, на котором крепятся каталитическая насадка и др. элементы; функцию топливной емкости, стенки и дно которой впитывают топливо в поры; функцию испарительной системы, обеспечивающей равномерное испарение топлива из пор.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид обогревателя, в котором каталитический элемент сопряжен с торцом корпуса, при этом эффективная площадь каталитического элемента равна площади полости.

На фиг.2 изображен общий вид обогревателя, в котором каталитический элемент сопряжен с верхней поверхностью промежуточного элемента и имеет эффективную площадь большую, чем площадь полости.

На фиг.3 изображен вид сверху (фиг.1) на обогреватель.

На фиг.4 изображен разрез по А-А (фиг.1).

На фиг.5 изображен выносной элемент I (фиг.4) и форма пор в увеличенном масштабе.

На фиг.6 изображен общий вид обогревателя, закрепленного с возможностью поворота.

На фиг.7 изображен корпус, внутренняя поверхность которого имеет крестообразную форму и отверстия.

На фиг.8 изображен корпус, внутренняя поверхность которого образована кольцевыми ребрами.

На фиг.9 изображен вид сверху (фиг.7).

На фиг.10 изображен вид сверху (фиг.8).

На фиг.11 изображен узел подачи газообразного УТ.

Обогреватель состоит из корпуса 1, изготовленного из пористой керамики в форме емкости круглого, прямоугольного, овального или др. профильного сечения. Корпус предназначен для размещения в нем жидкого УТ или подачи газообразного УТ, крепления на нем каталитического элемента 2 и одновременно является испарителем с испарением только внутрь полости. Стенки и дно керамического корпуса пронизаны каналообразующими, петлевидными, пузырчатыми и др. порами, распределенными по всему объему, диаметр которых составляет от 0,2 до 100 мкм. Для того чтобы топливо не просачивалось на наружную поверхность корпуса и не испарялось в окружающую среду, наружная поверхность корпуса герметизирована эмалью, глазурью, жидким стеклом, металлизирована или покрыта другим образом. Корпус представляет собой пористо-капиллярную структуру, все каналообразующие поры которой являются тупиковыми, открытыми только со стороны полости, которая обеспечивает: впитывание жидкого УТ только из полости, удержание в порах силами межмолекулярного сцепления при любом угловом положении в пространстве, испарение жидкого УТ только в полость, а также отсутствие впитывания влаги из окружающей среды. На фиг.1 изображен вариант конструкции, в которой корпус выполнен в форме усеченного пустотелого конуса с дном и буртиком, в порах стенок и дна которого размещается жидкое топливо. В корпусе выполнено отверстие, в котором установлен патрубок 3 с элементами для подачи жидкого или газообразного УТ. Полость закрыта каталитическим элементом, который выполнен в виде пластины из проницаемого термостойкого материала, например из базальтового, кремнеземного, кварцевого или др. волокна, пропитанного железохромоксидным, кобальтхромоксидным или др. катализатором для окисления УТ. Таким образом, полость снизу и с боков образована дном и стенками корпуса, а сверху тыльной поверхностью каталитического элемента и сообщается с внешней средой только через поры каталитического элемента. Узел крепления каталитического элемента в частном случае состоит из следующих элементов крепления: прижима 4 и фланца 5, которые охватывают буртик с двух сторон и стягиваются винтами, фиксируя каталитический элемент по периметру и по высоте. Нижняя поверхность каталитического элемента сопряжена с корпусом, при этом эффективная площадь излучения равна площади сечения полости, которая определяется диаметром d₁. Защита каталитического элемента от механических воздействий по периметру и фиксация поджатия обеспечивается за счет упора, высота которого равна или меньше толщины каталитического элемента на величину поджатия. Величина поджатия составляет от 0% до примерно 30%. Защита может быть выполнена также в виде втулок, установленных на винтах. Открытая поверхность каталитического элемента может быть защищена сеткой. Для увеличения количества жидкого УТ, впитываемого в стенки и дно корпуса, полость корпуса может быть образована криволинейными выступами и впадинами. В результате увеличения суммарной поверхности полости корпуса увеличивается количество пор и увеличивается суммарная длина пор, а следовательно, увеличивается объем жидкого УТ, впитываемого в стенки и дно корпуса. Жидкое УТ может быть размещено только в порах стенок и дна корпуса, при этом работоспособность не зависит от положения в пространстве. Полость может быть заполнена гигроскопичным материалом (фитиль, вата, насыпной материал, ...), в этом случае работоспособность также не зависит от положения в пространстве, при этом объем впитанного жидкого УТ увеличивается. Кроме того, жидкое УТ может быть размещено в свободной полости, в этом случае допустимый угол наклона ограничен и зависит от уровня топлива в полости.

На фиг.2 изображен вариант конструкции, имеющей увеличенную эффективную площадь излучения. Каталитическая насадка состоит из промежуточного элемента 6, каталитического элемента и прижима 7. Нижняя поверхность каталитического элемента сопряжена с верхней поверхностью промежуточного элемента - кольца, внутренний диаметр которого d₂, а следовательно, и эффективная площадь излучения существенно больше, чем диаметр d₁ полости и, соответственно, больше площади полости. Сопряжение промежуточный элемент - корпус должно быть герметизировано, например, термостойким клеем. Излучающая поверхность каталитического элемента и полость могут иметь по периметру разную форму, например полость - круглую, а излучающая поверхность - прямоугольную, овальную или иную. В корпусе или в промежуточном элементе выполнено отверстие для заливки жидкого УТ, которое закрывается заглушкой. Узел подачи газообразного УТ выполнен в виде втулки с запорным краном и штуцером для подсоединения газоподводящего шланга. Во втулке выполнено сопло, ограничивающее расход топлива. Жидкостный и газовый каналы могут быть совмещены в один универсальный канал, снабженный краном. Обогреватель снабжен узлом крепления на объекте. Для изменения положения относительно объекта обогреватель снабжен узлом поворота, например шарниром.

Принцип действия обогревателя основан на экзотермической реакции окисления паров жидкого УТ или газа кислородом воздуха на поверхности каталитического элемента.

В жидкостном варианте обогреватель работает следующим образом. Через заливное отверстие патрубка 3 в полость корпуса заливается порция жидкого УТ, объем которой не превышает влагопоглощения пор стенок и дна корпуса, при этом происходит впитывание бензина в поры корпуса со стороны полости по всему объему. Жидкое УТ впитывается в поры и удерживается в них силами межмолекулярного сцепления. Для запуска обогревателя каталитический элемент необходимо прогреть до температуры начала каталитической реакции, для этого на поверхность каталитического элемента наливают несколько миллилитров жидкого УТ и поджигают его. После прогрева каталитического элемента до температуры начала каталитической реакции пламя спадает, и обогреватель выходит на рабочий беспламенный режим - каталитическое низкотемпературное окисление углеводородного топлива до CO₂ и Н₂О с выделением тепла. По мере окисления паров топлива на поверхности каталитического элемента топливо, под действием перепада температур, выделяется из пор, испаряется и поступает к внутренней поверхности каталитического элемента. В процессе работы керамический корпус прогревается, при этом возрастает скорость испарения с последующей стабилизацией температуры процесса испарения и стабилизацией процесса выделения тепла. Жидкое УТ может быть залито в полость, заполненную гигроскопичным материалом, или в свободную полость. В случае, если объем залитого топлива не превышает объем влагопоглощения всех пор, обеспечивается возможность работы при любых углах наклона в пространстве, вплоть до работы вниз излучающей поверхностью, а также при изменении положения в пространстве в любой момент времени, например при изменении уклона дороги, качке и т.п.

Для работы на газообразном УТ канал подачи жидкого УТ перекрывают заглушкой или краном, после чего шланг от баллона присоединяют к штуцеру (фиг.11). Открывают кран подачи газа и одновременно производят поджиг открытым пламенем на поверхности каталитического элемента. Газ, проходя через сопло, заполняет полость корпуса, после чего проходит через поры каталитического элемента и воспламеняется на его поверхности. Горение газа на поверхности каталитического элемента происходит до тех пор, пока каталитический элемент не прогреется до температуры начала каталитической реакции, после чего пламя спадает, и обогреватель выходит на режим беспламенного каталитического окисления до СО₂ и Н₂О с выделением тепла. Обогреватель крепится в любой точке объекта и обеспечивает работоспособность при изменении положения объекта в пространстве.

Формула изобретения

1. Обогреватель каталитический, содержащий каталитический элемент, корпус, элементы крепления и подачи углеводородного топлива, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме емкости профильного сечения из пористой проницаемой керамики, при этом поры стенок и дна корпуса герметизированы с наружной стороны и открыты со стороны полости, а каталитический элемент сопряжен с верхней поверхностью промежуточного элемента, имеющей открытую площадь большую, чем в нижней части, герметично сопряженной с торцом корпуса.

2. Обогреватель каталитический по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса образована криволинейными выступами и впадинами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11