| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2280821
СПОСІБ НАГРІВУ ПОТОКУ ПОВІТРЯ І ПРИСТРІЙ
Ім'я винахідника: Семенов Анатолій Леонідович (RU); Білих Сергій Анатолійович (RU); Белянин Микола Михайлович (RU); Котельников Юрій Леонідович (RU)
Ім'я патентовласника: Федеральне державне унітарне підприємство "Центральний інститут авіаційного моторобудування ім. П.І. Баранова" (RU)
Адреса для листування: 111116, Москва, вул. Авиамоторная, 2, ФГУП "ЦИАМ ім. П.І. Баранова", відділ інтелектуальної власності
Дата початку дії патенту: 2004.12.22
Винахід відноситься до області підігріву промислових газів, в тому числі повітря, при великих витратах методом електротермії. Спосіб нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с включає нагрів нагрівального елементу електричним струмом і тепловіддачу нагрівається потоку повітря джоулева тепла, при цьому нагрівається потік повітря пропускають усередині нагрівального елементу симетричними потоками, спрямованими назустріч один одному, і формують загальний потік нагрітого повітря шляхом злиття зустрічних потоків, відбираючи загальний нагрітий потік в простір уздовж центральної осьової лінії між нагрівальними елементами. Пристрій для нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с містить джерело трьохфазову електричного живлення, порожнисті нагрівальні елементи, кожен з яких з'єднаний з одного фазою трьохфазову електричного живлення, колектори для підведення і відведення повітря, до яких під'єднані кінці порожнистих нагрівальних елементів, причому колектор для підведення повітря виконаний у вигляді, щонайменше, двох симетричних стояків, до кожного з яких приєднана порожнину полого нагрівального елементу, а кожен порожнистий нагрівальний елемент розділений, щонайменше, на дві однакові секції , розташовані уздовж загальної поздовжньої осі і приєднані протилежними кінцями до відповідного стояку колектора для підведення повітря, який є вхідним потоком для кожного полого нагрівального елементу, і до вихідного колектора, розташованого вздовж центральної осі пристрою симетрично щодо стояків вхідного колектора, а обидві секції кожного нагрівального елементу електрично з'єднані між собою послідовно і електрично ізольовані від вхідного і вихідного колекторів ізоляторами, укріпленими на кожному підлогою нагрівальному елементі. Технічним результатом пропонованого винаходу є зниження вхідного тиску подаваного для нагріву потоку повітря за рахунок зниження втрат тиску по довжині нагрівального елементу.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до області підігріву промислових газів, в тому числі повітря, а точніше стосується засобів для високотемпературного підігріву повітря і / або промислових газів (далі - повітря) при великих витратах методом електротермії.
Винахід може бути застосовано для нагріву повітря і його подальшого використання в різних промислових установках, в тому числі в системах кондиціонування, в стаціонарних топках, в системах сушки. Воно може бути використано для дослідницьких цілей, наприклад, в аеродинамічних трубах.
Відомі пристрої для підігріву повітря з використанням електрики.
Відомі омические підігрівачі повітря проточного типу (електрокалорифери).
Нагрівання повітря (або інший текучого середовища) в таких подогревателях проводиться за рахунок джоулева тепла при змиванні потоком повітря нагрівальних (тепловиділяючих) елементів - провідників з відносно великим електричним опором, по яких проходить електричний струм.
Відомі електричні підігрівачі, в яких як нагрівальний елемент використовуються пластинчасті нагрівальні елементи, спіралі, трубки, сітки і т.п.
Відомі електричні підігрівачі текучого середовища, де в якості нагрівальних елементів застосовані трубки у вигляді коридорного пучка трубок, шахового пучка трубок при поперечному або поздовжньому обтіканні їх повітрям.
Відомий електричний підігрівач текучої середовища, який містить нагріваються струмом труби, з'єднані по кінцях зі збірними колекторами, і струмопровідні шини (авт. Св. №117394, МКІ F 24 Н 3/04, опубл. 1958).
Відомий спосіб нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С, що включає нагрів нагрівального елементу електричним струмом і тепловіддачу нагрівається потоку повітря джоулева тепла, при цьому нагрівається потік повітря пропускають усередині нагрівального елементу (авт. Св. №1776930, МКІ F 24 Н 3/04 , опубл. 1992).
Відомий електричний обігрівач газу (авт. Св. №1776930, МКІ F 24 Н 3/04, опубл. 1992), який містить підключені до збірного колектора порожнисті трубчасті нагрівачі, з'єднані з струмоведучими шинами, розташованими на нагрівачах зі зміщенням щодо колектора, при цьому струмопровідні шини виконані у вигляді шунта, що з'єднує трубчасті нагрівачі, електричний опір якого в 5-10 разів менше електричного опору нагрівачів на шунтіруемой ділянці.
Відомі спосіб нагріву потоку повітря і електричний обігрівач можуть бути використані переважно в випробувальних установках, наприклад, аеродинамічних трубах, для випробувальних і дослідницьких цілей.
В основу винаходу покладено завдання - створити спосіб і пристрій для нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с для використання в промислових умовах в промислових установках. Іншим завданням було створення економічного нагріву такого потоку повітря.
Складність вирішення завдання полягає в тому, що для високотемпературного нагріву потоку повітря великого масової витрати, яким є зазначені значення, потрібно досягнення високого потоку (коефіцієнта) тепловіддачі, яке забезпечується збільшенням швидкості потоку, але це викликає сильне збільшення аеродинамічного опору, яка пропорційна квадрату швидкості потоку в нагрівальному елементі. При нагріванні потоку повітря з масовим витратою 0,3 кг / с, наприклад, від фази трифазного електричного струму, в підлогою нагрівальному елементі до температури 700 ° С, втрата тиску складе від 35 до 40 атм, що вимагає подачі на вхід в нагрівальний елемент повітряного потоку з робочим тиском вище 40 атм. Забезпечення процесу нагріву і переміщення потоку повітря крізь порожній нагрівальний елемент в цьому випадку повинно забезпечуватися наявністю стороннього джерела стисненого повітря. Таким джерелом стисненого повітря в промислових умовах зазвичай є компресорні установки. У промислових умовах з економічних і технологічним вимогам зазвичай не доцільне застосування (і не застосовуються) компресорних установок з тиском вище 20 атм. Потреба високого тиску на вході для високотемпературного і високошвидкісного нагрівання потоку повітря, не дозволяє використовувати відомі винаходи в промислових умовах в промислових установках, а велика втрата тиску при цьому додатково обумовлює неекономічність такого нагріву.
Авторами встановлено, що при подібному способі подачі повітря в підігрівач, шляхом поділу потоку повітря, що нагрівається, наприклад, на «n» симетричних потоків, швидкість потоку в нагрівальному елементі знижується в «n» раз, втрати тиску, при цьому, як пропорційні квадрату швидкості, знижується в «n 2» раз, при цьому, при здійсненні нагріву згідно пропонованого винаходу, досягається нагрів всього масової витрати до максимальної розрахункової температура нагріву
Технічним результатом пропонованого винаходу є зниження вхідного тиску подаваного для нагріву потоку повітря за рахунок зниження втрат тиску по довжині нагрівального елементу.
Зазначена задача вирішується тим, що в способі нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с, що включає нагрів нагрівального елементу електричним струмом і тепловіддачу нагрівається потоку повітря джоулева тепла, при цьому нагрівається потік повітря пропускають усередині нагрівального елементу, відповідно до винаходу нагрівається повітря подають до нагрівального елементу симетричними потоками, спрямованими назустріч один одному і формують загальний потік нагрітого повітря шляхом злиття зустрічних потоків, відбираючи загальний нагрітий потік в простір уздовж центральної осьової лінії між нагрівальними елементами.
Нагрівання нагрівального елементу можна здійснювати фазою електричного струму потужністю вище 0,3 МВт.
Доцільно, щоб електричний струм виводився до позначки максимального полум'я менш ніж за 20 секунд.
Зазначена задача вирішується і тим, що в пристрої для нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с, що містить джерело трьохфазову електричного живлення, порожнисті нагрівальні елементи, кожен з яких з'єднаний з одного фазою трьохфазову електричного харчування, колектори для підведення і відведення повітря, до яких під'єднані кінці порожнистих нагрівальних елементів, відповідно до винаходу колектор для підведення повітря виконаний у вигляді щонайменше двох симетричних стояків, до кожного з яких приєднана порожнину полого нагрівального елементу, а кожен порожнистий нагрівальний елемент розділений по щонайменше на дві однакові секції, розташовані вздовж загальної поздовжньої осі і приєднані протилежними кінцями до відповідного стояку колектора для підведення повітря, який є вхідним потоком для кожного полого нагрівального елементу, і до вихідного колектора, розташованого вздовж центральної осі пристрою симетрично щодо стояків вхідного колектора, а обидві секції кожного нагрівального елементу електрично з'єднані між собою послідовно і електрично ізольовані від вхідного і вихідного колекторів ізоляторами, укріпленими на кожному підлогою нагрівальному елементі.
Доцільно, щоб ізолятори були укріплені на кожному підлогою нагрівальному елементі без зазору.
Доцільно і, щоб кожен ізолятор був виконаний з композитного тканинного матеріалу на основі кремнезему.
Крім того доцільно, щоб кожен порожнистий нагрівальний елемент був виконаний з металевого струмопровідного матеріалу на основі нержавіючої сталі.
Кожен порожнистий нагрівальний елемент може мати довжину від 5 до 10 метрів.
Доцільно, щоб зовнішній діаметр кожного полого нагрівального елементу становив від 11 до 20 мм.
Доцільно і, щоб внутрішній діаметр кожного полого нагрівального елементу становив від 10 до 18 мм.
Вигідно, щоб в якості джерела трьохфазову електричного живлення був застосований джерело потужністю вище 0,9 МВт і силою струму понад 1000 А.
Вигідно і, щоб електричний струм виводився б до позначки максимального полум'я менш ніж за 20 секунд.
Надалі пропоноване винахід пояснюється описом прикладів його виконання і доданими кресленнями, на яких:
Фиг.1 зображує принципову схему установки для нагріву потоку повітря згідно винаходу
Фиг.2 - вид установки для нагріву потоку повітря згідно винаходу по стрілці А фіг.1
Фіг.3 - вид установки для нагріву потоку повітря згідно винаходу (варіант)
Фіг.4 - зображує розріз зі стрілкою В фіг.3.
Спосіб нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с здійснюють наступним чином.
Нагрівають порожнистий нагрівальний елемент з поданою всередину цього нагрівального елементу потоком повітря, фазою електричного струму. Нагрівання нагрівального елементу можна здійснювати фазою електричного струму потужністю вище 0,3 МВт.
Електричний струм виводиться в положення максимальної потужності менш ніж за 20 секунд. Процес виходу на робочий режим нагрівального елементу з поданням всередину його потоком повітря становить менше 40 секунд.
При цьому відповідно до винаходу нагрівається повітря подають до нагрівального елементу симетричними потоками, спрямованими назустріч один одному. При проходженні повітря всередині нагрівального елементу відбувається тепловіддача нагрівається потоку повітря джоулева тепла, за рахунок чого на виході з нагрівального елементу його температура стає вище 500 ° С. Зустрічні потоки нагрітого повітря зливають в загальний нагрітий потік, відбираючи загальний нагрітий потік в простір уздовж центральної осьової лінії між нагрівальними елементами.
Пристрій для нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с (фіг.1) відповідно до винаходу містить джерело трифазного електричного живлення 1, порожнисті нагрівальні елементи 2, кожен з яких з'єднаний з одного фазою трифазного джерела живлення. Кожен порожнистий нагрівальний елемент 2 розділений, щонайменше, на дві однакові секції 3 і 4, розташовані симетрично вздовж загальної поздовжньої осі (не показані). Однак, як варіант, можливо розташування секцій 3 і 4 симетрично з ухилом. Як показано на фіг.2, нагрівальний елемент 2 розділений на дві секції - секцію 3 і секцію 4, при цьому секції виконані дугоподібними. Нагрівальний елемент 2 може бути розділений на декілька секцій більше двох. (Як показано на Фіг.3, нагрівальний елемент 2 розділений на 4 секції.) Кожна секція нагрівального елементу - секція 3 і секція 4 - з'єднана струмоведучою шиною 5 і 5 1 с однією фазою трьохфазову електричного живлення 1. Струмовідна шина 5 1 показана на фіг .1 схематично. В натурі її роль виконує фланець 10 (фіг.2). Пристрій містить і колектор 6 для підведення повітря, який виконаний у вигляді двох стояків 7, до кожного з яких приєднана порожнину порожнистих нагрівальних елементів 2, і кожен з яких є вхідним потоком для кожного полого нагрівального елементу 2, вихідний колектор 8, розташований уздовж центральної осі пристрою для відводу нагрітого повітря, симетрично щодо стояків 7 вхідного колектора 6 для підведення повітря. Секції кожного полого нагрівального елементу - секція 3 і секція 4 - електрично з'єднані між собою послідовно і електрично ізольовані від вхідного і вихідного колекторів ізоляторами 9, укріпленими на кожному підлогою нагрівальному елементі 2.
Як показано на фіг.4, ізолятори 9 укріплені на кожному підлогою нагрівальному елементі 2 без зазору і скріплені фланцем 10. Як матеріал для виготовлення ізоляторів 9 застосований композиційний тканинний матеріал на основі кремнезему.
Кожен порожнистий нагрівальний елемент 2 виконаний з металевого струмопровідного матеріалу на основі нержавіючої сталі. Внутрішній діаметр кожного полого нагрівального елементу складає від 10 до 18 мм, а зовнішній діаметр - від 11 до 20 мм, а довжина - від 5 до 10 м.
Пристрій працює наступним чином і при роботі реалізує спосіб відповідно до винаходу.
Подають на нагрівальний елемент 2 електричний струм від фази трьохфазову електричного живлення 1, який нагріває нагрівальний елемент до розрахункової температури.
Потік повітря надходить в колектор 6, поділяється на симетричні потоки, що надходять в стояки 7, в яких він далі поділяється на симетричні потоки, що надходять в порожнині секцій 3 і 4 нагрівального елементу 2. При проходженні повітря всередині нагрівального елементу, відбувається тепловіддача нагрівається потоку повітря джоулева тепла, за рахунок чого на виході з нагрівального елементу його температура стає вище 500 ° С. Потоки нагрітого повітря із секцій 3 і 4 зливаються в загальний нагрітий потік у вихідний колектор 8, звідки нагріте повітря виводиться і далі може бути використаний в промислових умовах в промислових установках.
Для роботи пристрою важливо забезпечити симетричність потоків, які направляються назустріч один одному для забезпечення рівномірності поля масової швидкості в поперечних перетинах порожнин нагрівального елементу. У нагрівальних елементів згідно винаходу питоме тепловиділення, наприклад, на одиницю об'єму можна вважати практично постійним для даного перетину, і тому нерівномірність масової швидкості з неминучістю призводить до нерівномірності полів температури і коефіцієнтів тепловіддачі, внаслідок чого виникає нерівномірність температури нагрівального елементу - місцеві перегріви, яка здатна привести до його руйнування.
Приклади конкретного здійснення способу з використанням пристрою відповідно до винаходу на фіг.1.
Приклад 1. Подають на кожен нагрівальний елемент 2 електричний струм потужністю вище 0,3 МВт від фази джерела трьохфазову електричного живлення 1, потужністю 1 МВт і силою струму 1000 А і одночасно на вхід колектора 6 подають потік повітря, що нагрівається з масовим витратою 1 кг / с . Тиск потоку повітря на вході в колектор 6-55 бар, температура 20 ° С. На виході з колектора 6 потік повітря, що нагрівається ділиться на два симетричних потоку, кожен з яких (по 0,5 кг / с) надходить до відповідного стояк 7, де ділиться ще на три потоки, кожен з яких (по 0,167 кг / с) надходить на вхід відповідних секцій 3 і 4. При проходженні повітря всередині нагрівального елементу, відбувається тепловіддача нагрівається потоку повітря джоулева тепла і температура його на вході в колектор 8 дорівнює 680 ° С, тиск становить 50 бар.
Електричний струм силою 1000 А виводиться до позначки максимального полум'я за 19 секунд. Процес виходу на робочий режим пристрою з поданням всередину його нагрівальних елементів потоку повітря масової витрати 1 кг / с становить 38 секунд.
Приклади 2-4. Спосіб здійснюють на пристрої відповідно до винаходу в умовах прикладу 1, але при цьому варіюють надходять масовим витратою і тиском на вході потоку повітря.
Дані експериментів, які стосуються прикладів 2-4, наведені в таблиці.
Таким чином, спосіб нагріву потоку повітря і пристрій відповідно до винаходу дозволили здійснити високотемпературний і високошвидкісний нагрів потоку при робочому тиску на вході нижче 20 бар. Втрати тиску при цьому складають близько 8-10% від тиску на вході, що дозволяє знизити енергетичні та експлуатаційні витрати і широко використовувати пропоноване винахід в промислових умовах в промислових установках.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Спосіб нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с, що включає нагрів нагрівального елементу електричним струмом і тепловіддачу нагрівається потоку повітря джоулева тепла, при цьому нагрівається потік повітря пропускають усередині нагрівального елементу, що відрізняється тим , що нагрівається повітря подають до нагрівального елементу симетричними потоками, спрямованими назустріч один одному, і формують загальний потік нагрітого повітря шляхом злиття зустрічних потоків, відбираючи загальний нагрітий потік в простір уздовж центральної осьової лінії між нагрівальними елементами.
2. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що нагрівання нагрівального елементу здійснюють фазою електричного струму потужністю вище 0,3 МВт.
3. Спосіб за п.1, що відрізняється тим, що електричний струм виводиться в положення максимальної потужності менш ніж за 20 с.
4. Пристрій для нагріву потоку повітря до температури вище 500 ° С при масовому витраті потоку вище 0,5 кг / с, що містить джерело трьохфазову електричного живлення, порожнисті нагрівальні елементи, кожен з яких з'єднаний з одного фазою трьохфазову електричного живлення, колектори для підведення і відведення повітря, до яких під'єднані кінці порожнистих нагрівальних елементів, що відрізняється тим, що колектор для підведення повітря виконаний у вигляді, щонайменше, двох симетричних стояків, до кожного з яких приєднана порожнину полого нагрівального елементу, а кожен порожнистий нагрівальний елемент розділений, по меншій міру, на дві однакові секції, розташовані вздовж загальної поздовжньої осі і приєднані протилежними кінцями до відповідного стояку колектора для підведення повітря, який є вхідним потоком для кожного полого нагрівального елементу, і до вихідного колектора, розташованого вздовж центральної осі пристрою симетрично щодо стояків вхідного колектора, а обидві секції кожного нагрівального елементу електрично з'єднані між собою послідовно і електрично ізольовані від вхідного і вихідного колекторів ізоляторами, укріпленими на кожному підлогою нагрівальному елементі.
5. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що ізолятори укріплені на кожному підлогою нагрівальному елементі без зазору.
6. Пристрій за п.5, що відрізняється тим, що кожен ізолятор виконаний з композитного тканинного матеріалу на основі кремнезему.
7. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що кожен порожнистий нагрівальний елемент виконаний з металевого струмопровідного матеріалу на основі нержавіючої сталі.
8. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що кожен порожнистий елемент має довжину менше 10 м.
9. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що зовнішній діаметр кожного полого нагрівального елементу складає від 11 до 20 мм.
10. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що внутрішній діаметр кожного полого нагрівального елементу складає від 10 до 18 мм.
11. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що в якості джерела трьохфазову електричного живлення застосовують джерело потужністю вище 0,9 МВт і силою струму понад 1000 А.
12. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що електричний струм виводиться в положення максимальної потужності менш ніж за 20 с.
Версія для друку
Дата публікації 07.12.2006гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.