Устройство для радиационно-конвективного нагрева рабочих тел

Устройство относится к теплоэнергетике и строительству и может быть использовано в качестве источника тепловой энергии для нагрева любых рабочих тел, обнаружения внутренних дефектов в рабочих телах тепловым методом неразрушающего контроля, при аварийных и ремонтно-строительных работах для обогрева, отогрева мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия и других строительных материалов.

Устройство для радиационно-конвективного нагрева рабочих тел содержит корпус с расположенной в нем дымогарной трубой, на одном конце которой смонтирована газовая горелка с каналами для подачи газа и воздуха, на другом конце - вентилятор, воздухоподогревателем, а также отражательным экраном, при этом труба имеет U-образную или П-образную форму; воздухоподогреватель соединен одним каналом с воздухоподводящей трубой к газовой горелке, а другим каналом - посредством газоотводящей трубы с вентилятором на входе и с неподвижным или вращающимся рассекателем на выходе, который, в свою очередь, размещен между дымогарной трубой и отражательным экраном и выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов.

Устройство относится к теплоэнергетике и строительству и может быть использовано в качестве источника тепловой энергии для нагрева любых рабочих тел, обнаружения внутренних дефектов в рабочих телах тепловым методом неразрушающего контроля, при аварийных и ремонтно-строительных работах для обогрева, отогрева мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия и других строительных материалов. Устройство может применяться при энергетических и технических обследованиях различных строительных элементов зданий, сооружений, строений.

Известно устройство (Пат. 2208741 RU F24D 5/08), содержащее корпус, внутренняя сторона которого выполнена с полостью, чтобы задать канал, в котором установлена топочная труба; при этом отопительный агрегат имеет горелку, связанную с первым концом трубы, и первое вентиляторное средство, связанное с трубой, для перемещения газообразных продуктов сгорания по трубе от первого конца ко второму ее концу; корпус имеет отверстие на своей верхней поверхности, отверстие связано со вторым вентиляторным средством для направления воздуха в канал внутри корпуса, и теплообменную пластину, установленную между трубой и отверстием, при этом тепло-обменной пластине придана такая форма, что она окружает верхнюю поверхность трубы с тем, чтобы поглощать излучение от нее и исключить проникновение воздуха из отверстия непосредственно на трубу, в результате чего воздух нагревается теплообменной пластиной до прохождения вниз через нижний конец канала.

Недостатки устройства заключаются в том, что величина теплового потока, создаваемого движением подогретого воздуха за счет его нагрева от теплообменной пластины, будет всегда меньше величины теплового потока, создаваемого движением горячих дымовых газов (как предложено в заявленном решении), то теплопроизводительность устройства будет невысокой и не обеспечит прогрев рабочего тела (например, оттаивание массы смерзшегося грунта в зимний период). Кроме того, устройство не использует теплоту уходящих газов, что значительно снижает КПД установки.

Известно устройство (Пат. 2161672 RU E01C 23/14), содержащее корпус, в котором расположена камера, имеющая входное отверстие для приема горячего газа от горелки и излучающую поверхность с множеством отверстий. Отверстия в излучающей поверхности имеют такие размеры, чтобы горячий газ нагревал излучающую поверхность для создания радиационного теплопереноса к асфальтовому покрытию и проходил сквозь отверстия для создания конвенционного теплопереноса к асфальтовой поверхности.

Недостатки устройства заключаются в том, что тепловой поток создается только за счет излучения от специальной поверхности, нагреваемой дымовыми газами, подобное устройство обладает меньшим КПД по сравнению с заявленным решением в виду только одной составляющей теплопередачи - лучистой. Конвективный поток здесь если и возникает, то незначительный.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство (Заявка на изобретение 2010117129 опубликована 10.11.2011 F23D 14/12), которое представлено мобильным аппаратом, разделенным на три отдельных, но взаимосвязанных пространства: рабочее, электродвигательное и техническое. Основное оборудование изобретения включает в себя горелочное устройство, дымогарную трубу, вентилятор (дымосос), отражательный экран, второй вентилятор, воздухоподогреватель, устройство для переноса и размещения аппарата; работа вентилятора осуществляется за счет электродвигателя, подключенного к электрическому аккумулятору.

Основным недостатком данного устройства является быстрый перегрев и выход из строя осевого вентилятора, создающего конвективное движение горячих газов над дымогарными трубами, а наличие дополнительного вентилятора и электродвигателя повышает вес устройства и усложняет его работу.

Целью разрабатываемого устройства является повышение качества, надежности и эффективности устройств, применяемых для нагрева рабочих тел, усовершенствование методов поверхностного обогрева и отогрева мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия радиационно-конвективным способом, при минимальных затратах энергии и времени, с учетом требований экологической безопасности, связанных с выбросами отработанных газов в воздушный бассейн, обнаружение и исследование дефектов в рабочих телах.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для радиационно-конвективного нагрева рабочих тел содержит корпус с расположенной в нем дымогарной трубой, на одном конце которой смонтирована газовая горелка с каналами для подачи газа и воздуха, на другом конце - вентилятор, воздухоподогревателем, а также отражательным экраном, при этом труба имеет U-образную или П-образную форму; воздухоподогреватель соединен одним каналом с воздухоподводящей трубой к газовой горелке, а другим каналом - посредством газоотводящей трубы с вентилятором на входе и с неподвижным или вращающимся рассекателем на выходе, который, в свою очередь, размещен между дымогарной трубой и отражательным экраном, и выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов.

Основное оборудование изобретения включает в себя горелочное устройство, с помощью которого осуществляется организация смешения топлива и воздуха с образованием топливно-воздушной смеси и поддержание ее устойчивого сжигания, дымогарную трубу, в которой осуществляется развитие факела и движение дымовых газов, а также нагрев трубы для создания радиационно-конвективного теплопереноса от трубы к окружающей среде, вентилятор (дымосос), побуждающий движение дымовых газов от горелочного устройства по всей длине дымогарной трубы к ее выходу на воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе осуществляется теплообмен между уходящими дымовыми газами и холодным воздухом, в результате чего исходный воздух подогревается до температуры 100250°С, при которой обеспечивается высокий КПД (до 8590%) и повышается эффективность сжигания смеси. В верхней части рабочего пространства аппарата над дымогарной трубой и вентилятором располагается отражательный экран, включающий слой тепловой изоляции. Для создания радиационно-конвективного теплопереноса в аппарате размещается рассекатель, осуществляющий движение дымовых газов в рабочем пространстве корпуса, ограниченном отражательным экраном и нагреваемым рабочим телом. Рассекатель может быть выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов, объединенных в единую систему цилиндрической формы, которая может быть как стационарной, так и вращающейся под действием движущегося потока дымовых газов.

Температурный диапазон при эксплуатации устройства гибкий. Определяется поставленными задачами и зависит от свойств рабочих тел, параметров и режимов работы, а также климатических условий эксплуатации.

На фиг.1 показано устройство (вид снизу).

На фиг.2 показано устройство в сечении (вид сбоку).

На фиг.3 показаны варианты приспособления для транспортировки устройства.

Устройство включает теплоизолированный корпус 1, в котором размещена U-образная или П-образная дымогарная труба 2, связанная одним концом с горелочным устройством 3, а другим концом - с вентилятором (дымососом) 4. Вентилятор 4 соединен дымогарной трубой 2 с воздухоподогревателем 5. Для создания конвективного потока над дымогарной трубой 2 размещен рассекатель 6, соединенный с воздухоподогревателем 5 газоотводящей трубой 7. Горелочное устройство 3 соединено с воздухоподогревателем 5 воздухоподводящей трубой 8. В верхней части корпуса 1 над дымогарной трубой 2 и рассекателем 6 размещен отражательный экран 9. Для транспортировки устройства могут быть установлены приспособления для переноса (рукояти) 10 и (или) перевоза (платформа с колесами) 11, позволяющие упростить и облегчить перемещение.

Устройство работает следующим образом.

Устройство располагают с помощью приспособлений для транспортировки 10 и (или) 11 на поверхности рабочего тела (условно не показано), производят его включение через блок управления и электропитания (условно не показан), выбор режима нагрева и вывод на стационарный режим. При этом происходит одновременная работа всех элементов устройства с потреблением электрической энергии и газового топлива. Горелочное устройство 3 осуществляет смешение топлива и воздуха с образованием топливно-воздушной смеси и поддержание ее устойчивого сжигания. В дымогарной трубе 2 осуществляется развитие факела и движение дымовых газов, а также нагрев трубы 2 для создания радиационного теплопереноса от трубы к поверхности рабочего тела. Вентилятор (дымосос) 4, побуждает движение дымовых газов от горелочного устройства 3 по всей длине дымогарной трубы 2 к ее выходу на воздухоподогреватель 5 по газоотводящей трубе 7. В воздухоподогревателе 5 осуществляется теплообмен между уходящими дымовыми газами и холодным воздухом, забираемым извне устройства, в результате чего воздух подогревается до установленной температуры и подается по воздухоподводящей трубе 8. Уходящие газы после воздухоподогревателя 5 направляются по газоотводящей трубе 7 в рассекатель 6 для создания движения дымовых газов и интенсификации теплопередачи конвекцией. Тепловая энергия за счет конвекции и излучения передается рабочему телу, нагревая его до температуры в области значений 150300°C. Отражательный экран 9 способствует повышению интенсивности излучающей способности дымогарной трубы 2.

При использовании устройства в качестве источника тепловой энергии при техническом и энергетическом обследовании различных строительных элементов зданий, сооружений, строений производится радиационно-конвективная теплопередача в обследуемый материал, при этом по характеру распределения теплового потока определяются его теплотехнические качества и скрытые дефекты. Обследование производится в соответствии с методом определения плотности тепловых потоков (ГОСТ 25380-82), проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции жилых, общественных, производственных и сельскохозяйственных зданий и сооружений при экспериментальном исследовании и в условиях их эксплуатации, а также методом неразрушающего контроля теплового вида (ГОСТ 18353-79), применяемым при исследовании тепловых процессов в изделиях.

Достоинством предложенного устройства является то, что, по сравнению с другими средствами нагрева, отогрева, обогрева рабочих тел, например, мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия, осуществляется быстрая скорость и большая глубина прогрева материала; с помощью устройства появляется возможность производить исследования по идентифицикации внутренних дефектов в рабочих телах методом неразрушающего контроля, при этом устройство имеет стабильный расход горючей смеси, сравнительно небольшой расход газового топлива и других видов энергии (электрической). При эксплуатации данного устройства соблюдены требования техники безопасности, связанные с выбросами отработанных газов в зоне действия персонала, чему способствует рациональная схема отвода отработанных дымовых газов внутрь рабочего пространства, наличие воздухоподогревателя для повышения эффективности работы устройства за счет подогрева холодного воздуха, идущего на сгорание и утилизацию теплоты уходящих газов, интенсификации конвективной составляющей теплопередачи за счет создания вихревого движения среды над дымогарной трубой, наличие устройств переноса или перевоза установки, позволяющей упростить и облегчить ее транспортировку, а также правильно его расположить в требуемом месте для осуществления технологического процесса прогрева.

Таким образом, предложенное устройство позволяет решить задачу нагрева, отогрева, обогрева рабочих тел (мерзлого грунта, бетона, дорожного покрытия) радиационно-конвективным способом при аварийных и ремонтно-строительных работах, повысить качество, надежность и эффективность устройств подобного класса, применяемых для нагрева любых рабочих тел, проводить энергетические и технические обследованиях различных строительных элементов зданий, сооружений, строений, проводить дефектоскопию рабочих тел.

Как показали расчетно-экспериментальные исследования устройства для радиационно-конвективного оттаивания мерзлого песчаного грунта, проводимые кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» при ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», глубина оттаивания увеличивается по зависимостям, сходным с зависимостями, определяемыми аналитическими и численными расчетами по различным известным математическим моделям и экспериментальным данным. При этом радиационно-конвективный способ нагрева позволяет в несколько раз быстрее осуществить оттаивание рабочих тел по сравнению с другими известными способами.

Так, например, при подводимой к песчаному грунту тепловой энергии в количестве 1300 Вт в течение 60 мин, глубина прогрева мерзлого песчаного грунта плотностью 1600 кг/м³ , влажностью 40%, начальной температурой (-10)°C, при наружной температуре воздуха (-2)°С, составила 250 мм, что, примерно, в 20 раз быстрее, чем при применении устройств, основанных на теплопередаче за счет теплопроводности (термоматы).

1. Устройство для радиационно-конвективного нагрева рабочих тел, содержащее корпус с расположенной в нем дымогарной трубой, на одном конце которой смонтирована газовая горелка с каналами для подачи газа и воздуха, на другом конце - вентилятор, воздухоподогревателем, а также отражательным экраном, отличающееся тем, что труба имеет U-образную или П-образную форму, при этом воздухоподогреватель соединен одним каналом с воздухоподводящей трубой с газовой горелкой, а другим каналом посредством газоотводящей трубы - с вентилятором на входе и с неподвижным рассекателем на выходе, который, в свою очередь, размещен между дымогарной трубой и отражательным экраном и выполнен в виде прямых или изогнутых расширяющихся каналов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рассекатель выполнен вращающимся под действием энергии потока дымовых газов.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что снабжено приспособлением для его переноса в виде рукоятей.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что снабжено приспособлением для транспортирования в виде платформы с колесами.