ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2280821

СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО

Имя изобретателя: Семёнов Анатолий Леонидович (RU); Белых Сергей Анатольевич (RU); Белянин Николай Михайлович (RU); Котельников Юрий Леонидович (RU)
Имя патентообладателя: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" (RU)
Адрес для переписки: 111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", отдел интеллектуальной собственности
Дата начала действия патента: 2004.12.22

Изобретение относится к области подогрева промышленных газов, в том числе воздуха, при больших расходах методом электротермии. Способ нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с включает нагрев нагревательного элемента электрическим током и теплоотдачу нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, при этом нагреваемый поток воздуха пропускают внутри нагревательного элемента симметричными потоками, направленными навстречу друг другу, и формируют общий поток нагретого воздуха путем слияния встречных потоков, отбирая общий нагретый поток в пространство вдоль центральной осевой линии между нагревательными элементами. Устройство для нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с содержит источник трехфазового электрического питания, полые нагревательные элементы, каждый из которых соединен с одной фазой трехфазового электрического питания, коллекторы для подвода и отвода воздуха, к которым подсоединены концы полых нагревательных элементов, причем коллектор для подвода воздуха выполнен в виде, по меньшей мере, двух симметричных стояков, к каждому из которых подсоединена полость полого нагревательного элемента, а каждый полый нагревательный элемент разделен, по меньшей мере, на две одинаковые секции, расположенные вдоль общей продольной оси и подсоединенные противоположными концами к соответствующему стояку коллектора для подвода воздуха, который является входным потоком для каждого полого нагревательного элемента, и к выходному коллектору, расположенному вдоль центральной оси устройства симметрично относительно стояков входного коллектора, а обе секции каждого нагревательного элемента электрически соединены между собой последовательно и электрически изолированы от входного и выходного коллекторов изоляторами, укрепленными на каждом полом нагревательном элементе. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение входного давления подаваемого для нагрева потока воздуха за счет снижения потерь давления по длине нагревательного элемента.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области подогрева промышленных газов, в том числе воздуха, а более точно касается средств для высокотемпературного подогрева воздуха и/или промышленных газов (далее - воздуха) при больших расходах методом электротермии.

Изобретение может быть применено для нагрева воздуха и его дальнейшего использования в различных промышленных установках, в том числе в системах кондиционирования, в стационарных топках, в системах сушки. Оно может быть использовано для исследовательских целей, например, в аэродинамических трубах.

Известны устройства для подогрева воздуха с использованием электричества.

Известны омические подогреватели воздуха проточного типа (электрокалориферы).

Нагрев воздуха (или иной текучей среды) в таких подогревателях производится за счет джоулева тепла при смывании потоком воздуха нагревательных (тепловыделяющих) элементов - проводников с относительно большим электрическим сопротивлением, по которым проходит электрический ток.

Известны электрические подогреватели, в которых в качестве нагревательного элемента используются пластинчатые нагревательные элементы, спирали, трубки, сетки и т.п.

Известны электрические подогреватели текучей среды, где в качестве нагревательных элементов применены трубки в виде коридорного пучка трубок, шахматного пучка трубок при поперечном или продольном обтекании их воздухом.

Известен электрический подогреватель текучей среды, который содержит нагреваемые током трубы, соединенные по концам со сборными коллекторами, и токоведущие шины (авт. св. №117394, МКИ F 24 Н 3/04, опубл. 1958).

Известен способ нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С, включающий нагрев нагревательного элемента электрическим током и теплоотдачу нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, при этом нагреваемый поток воздуха пропускают внутри нагревательного элемента (авт. св. №1776930, МКИ F 24 Н 3/04, опубл. 1992).

Известен электроподогреватель газа (авт. св. №1776930, МКИ F 24 Н 3/04, опубл. 1992), который содержит подключенные к сборному коллектору полые трубчатые нагреватели, соединенные с токоведущими шинами, расположенными на нагревателях со смещением относительно коллектора, при этом токоведущие шины выполнены в виде шунта, соединяющего трубчатые нагреватели, электрическое сопротивление которого в 5-10 раз меньше электрического сопротивления нагревателей на шунтируемом участке.

Известные способ нагрева потока воздуха и электроподогреватель могут быть использованы преимущественно в испытательных установках, например, аэродинамических трубах, для испытательных и исследовательских целей.

В основу изобретения положена задача - создать способ и устройство для нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с для использования в промышленных условиях в промышленных установках. Другой задачей являлось создание экономичного нагрева такого потока воздуха.

Сложность решения задачи состоит в том, что для высокотемпературного нагрева потока воздуха большого массового расхода, каким являются указанные значения, требуется достижение высокого потока (коэффициента) теплоотдачи, которое обеспечивается увеличением скорости потока, но это вызывает сильное увеличение аэродинамического сопротивления, которое пропорционально квадрату скорости потока в нагревательном элементе. При нагреве потока воздуха с массовым расходом 0,3 кг/с, например, от фазы трехфазного электрического тока, в полом нагревательном элементе до температуры 700°С, потеря давления составит от 35 до 40 атм, что требует подачи на вход в нагревательный элемент воздушного потока с рабочим давлением выше 40 атм. Обеспечение процесса нагрева и перемещения потока воздуха сквозь полый нагревательный элемент в этом случае должно обеспечиваться наличием постороннего источника сжатого воздуха. Таким источником сжатого воздуха в промышленных условиях обычно являются компрессорные установки. В промышленных условиях по экономическим и технологическим требованиям обычно не целесообразно применение (и не применяются) компрессорных установок с давлением выше 20 атм. Потребность высокого давления на входе для высокотемпературного и высокоскоростного нагрева потока воздуха, не позволяет использовать известные изобретения в промышленных условиях в промышленных установках, а большая потеря давления при этом дополнительно обуславливает неэкономичность такого нагрева.

Авторами установлено, что при подобном способе подачи воздуха в подогреватель, путем разделения потока нагреваемого воздуха, например, на «n» симметричных потоков, скорость потока в нагревательном элементе снижается в «n» раз, потери давления, при этом, как пропорциональные квадрату скорости, снижается в «n2» раз, при этом, при осуществлении нагрева согласно предлагаемому изобретению, достигается нагрев всего массового расхода до максимальной расчетной температура нагрева

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение входного давления подаваемого для нагрева потока воздуха за счет снижения потерь давления по длине нагревательного элемента.

Указанная задача решается тем, что в способе нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с, включающем нагрев нагревательного элемента электрическим током и теплоотдачу нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, при этом нагреваемый поток воздуха пропускают внутри нагревательного элемента, согласно изобретению нагреваемый воздух подают к нагревательному элементу симметричными потоками, направленными навстречу друг другу и формируют общий поток нагретого воздуха путем слияния встречных потоков, отбирая общий нагретый поток в пространство вдоль центральной осевой линии между нагревательными элементами.

Нагрев нагревательного элемента можно осуществлять фазой электрического тока мощностью выше 0,3 МВт.

Целесообразно, чтобы электрический ток выводился в положение максимальной мощности менее чем за 20 секунд.

Указанная задача решается также тем, что в устройстве для нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с, содержащем источник трехфазового электрического питания, полые нагревательные элементы, каждый их которых соединен с одной фазой трехфазового электрического питания, коллекторы для подвода и отвода воздуха, к которым подсоединены концы полых нагревательных элементов, согласно изобретению коллектор для подвода воздуха выполнен в виде по меньшей мере двух симметричных стояков, к каждому из которых подсоединена полость полого нагревательного элемента, а каждый полый нагревательный элемент разделен по меньшей мере на две одинаковые секции, расположенные вдоль общей продольной оси и подсоединенные противоположными концами к соответствующему стояку коллектора для подвода воздуха, который является входным потоком для каждого полого нагревательного элемента, и к выходному коллектору, расположенному вдоль центральной оси устройства симметрично относительно стояков входного коллектора, а обе секции каждого нагревательного элемента электрически соединены между собой последовательно и электрически изолированы от входного и выходного коллекторов изоляторами, укрепленными на каждом полом нагревательном элементе.

Целесообразно, чтобы изоляторы были укреплены на каждом полом нагревательном элементе без зазора.

Целесообразно также, чтобы каждый изолятор был выполнен из композитного тканевого материала на основе кремнезема.

Кроме того целесообразно, чтобы каждый полый нагревательный элемент был выполнен из металлического токопроводящего материала на основе нержавеющей стали.

Каждый полый нагревательный элемент может иметь длину от 5 до 10 метров.

Целесообразно, чтобы внешний диаметр каждого полого нагревательного элемента составлял от 11 до 20 мм.

Целесообразно также, чтобы внутренний диаметр каждого полого нагревательного элемента составлял от 10 до 18 мм.

Выгодно, чтобы в качестве источника трехфазового электрического питания был применен источник мощностью выше 0,9 МВт и силой тока выше 1000 А.

Выгодно также, чтобы электрический ток выводился бы в положение максимальной мощности менее чем за 20 секунд.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется описанием примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО

Фиг.1 изображает принципиальную схему установки для нагрева потока воздуха согласно изобретению

СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО

Фиг.2 - вид установки для нагрева потока воздуха согласно изобретению по стрелке А фиг.1

СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО

Фиг.3 - вид установки для нагрева потока воздуха согласно изобретению (вариант)

СПОСОБ НАГРЕВА ПОТОКА ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО

Фиг.4 - изображает разрез со стрелке В фиг.3.

Способ нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с осуществляют следующим образом.

Нагревают полый нагревательный элемент с поданным внутрь этого нагревательного элемента потоком воздуха, фазой электрического тока. Нагрев нагревательного элемента можно осуществлять фазой электрического тока мощностью выше 0,3 МВт.

Электрический ток выводится в положение максимальной мощности менее чем за 20 секунд. Процесс выхода на рабочий режим нагревательного элемента с поданным внутрь его потоком воздуха составляет менее 40 секунд.

При этом согласно изобретению нагреваемый воздух подают к нагревательному элементу симметричными потоками, направленными навстречу друг другу. При прохождении воздуха внутри нагревательного элемента происходит теплоотдача нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, за счет чего на выходе из нагревательного элемента его температура становится выше 500°С. Встречные потоки нагретого воздуха сливают в общий нагретый поток, отбирая общий нагретый поток в пространство вдоль центральной осевой линии между нагревательными элементами.

Устройство для нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с (фиг.1) согласно изобретению содержит источник трехфазного электрического питания 1, полые нагревательные элементы 2, каждый из которых соединен с одной фазой трехфазного источника питания. Каждый полый нагревательный элемент 2 разделен, по меньшей мере, на две одинаковые секции 3 и 4, расположенные симметрично вдоль общей продольной оси (не показаны). Однако, как вариант, возможно расположение секций 3 и 4 симметрично с уклоном. Как показано на фиг.2, нагревательный элемент 2 разделен на две секции - секцию 3 и секцию 4, при этом секции выполнены дугообразными. Нагревательный элемент 2 может быть разделен на несколько секций больше двух. (Как показано на фиг.3, нагревательный элемент 2 разделен на 4 секции.) Каждая секция нагревательного элемента - секция 3 и секция 4 - соединена токоведущей шиной 5 и 51 с одной фазой трехфазового электрического питания 1. Токоведущая шина 51 показана на фиг.1 схематически. В натуре ее роль выполняет фланец 10 (фиг.2). Устройство содержит также коллектор 6 для подвода воздуха, который выполнен в виде двух стояков 7, к каждому из которых подсоединена полость полых нагревательных элементов 2, и каждый из которых является входным потоком для каждого полого нагревательного элемента 2, выходной коллектор 8, расположенный вдоль центральной оси устройства для отвода нагретого воздуха, симметрично относительно стояков 7 входного коллектора 6 для подвода воздуха. Секции каждого полого нагревательного элемента - секция 3 и секция 4 - электрически соединены между собой последовательно и электрически изолированы от входного и выходного коллекторов изоляторами 9, укрепленными на каждом полом нагревательном элементе 2.

Как показано на фиг.4, изоляторы 9 укреплены на каждом полом нагревательном элементе 2 без зазора и скреплены фланцем 10. В качестве материала для изготовления изоляторов 9 применен композиционный тканевый материал на основе кремнезема.

Каждый полый нагревательный элемент 2 выполнен из металлического токопроводящего материала на основе нержавеющей стали. Внутренний диаметр каждого полого нагревательного элемента составляет от 10 до 18 мм, а внешний диаметр - от 11 до 20 мм, а длина - от 5 до 10 м.

Устройство работает следующим образом и при работе реализует способ согласно изобретению.

Подают на нагревательный элемент 2 электрический ток от фазы трехфазового электрического питания 1, который нагревает нагревательный элемент до расчетной температуры.

Поток воздуха поступает в коллектор 6, разделяется на симметричные потоки, поступающие в стояки 7, в которых он далее разделяется на симметричные потоки, поступающие в полости секций 3 и 4 нагревательного элемента 2. При прохождении воздуха внутри нагревательного элемента, происходит теплоотдача нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, за счет чего на выходе из нагревательного элемента его температура становится выше 500°С. Потоки нагретого воздуха из секций 3 и 4 сливаются в общий нагретый поток в выходной коллектор 8, откуда нагретый воздух выводится и далее может быть использован в промышленных условиях в промышленных установках.

Для работы устройства важно обеспечить симметричность потоков, направляемых навстречу друг другу для обеспечения равномерности поля массовой скорости в поперечных сечениях полостей нагревательного элемента. У нагревательных элементов согласно изобретению удельное тепловыделение, например, на единицу объема можно считать практически постоянным для данного сечения, и поэтому неравномерность массовой скорости с неизбежностью приводит к неравномерности полей температуры и коэффициентов теплоотдачи, вследствие чего возникает неравномерность температуры нагревательного элемента - местные перегревы, которая способна привести к его разрушению.

Примеры конкретного осуществления способа с использованием устройства согласно изобретению на фиг.1.

Пример 1. Подают на каждый нагревательный элемент 2 электрический ток мощностью выше 0,3 МВт от фазы источника трехфазового электрического питания 1, мощностью 1 МВт и силой тока 1000 А и одновременно на вход коллектора 6 подают поток нагреваемого воздуха с массовым расходом 1 кг/с. Давление потока воздуха на входе в коллектор 6-55 бар, температура 20°С. На выходе из коллектора 6 поток нагреваемого воздуха делится на два симметричных потока, каждый из которых (по 0,5 кг/с) поступает в соответствующий стояк 7, где делится еще на три потока, каждый из которых (по 0,167 кг/с) поступает на вход соответствующих секций 3 и 4. При прохождении воздуха внутри нагревательного элемента, происходит теплоотдача нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла и температура его на входе в коллектор 8 равна 680°С, давление составляет 50 бар.

Электрический ток силой 1000 А выводится в положение максимальной мощности за 19 секунд. Процесс выхода на рабочий режим устройства с поданным внутрь его нагревательных элементов потока воздуха массового расхода 1 кг/с составляет 38 секунд.

Примеры 2-4. Способ осуществляют на устройстве согласно изобретению в условиях примера 1, но при этом варьируют поступающим массовым расходом и давлением на входе потока воздуха.

Данные экспериментов, относящиеся к примерам 2-4, приведены в таблице.

Таким образом, способ нагрева потока воздуха и устройство согласно изобретению позволили осуществить высокотемпературный и высокоскоростной нагрев потока при рабочем давлении на входе ниже 20 бар. Потери давления при этом составляют порядка 8-10% от давления на входе, что позволяет снизить энергетические и эксплуатационные затраты и широко использовать предлагаемое изобретение в промышленных условиях в промышленных установках.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с, включающий нагрев нагревательного элемента электрическим током и теплоотдачу нагреваемому потоку воздуха джоулева тепла, при этом нагреваемый поток воздуха пропускают внутри нагревательного элемента, отличающийся тем, что нагреваемый воздух подают к нагревательному элементу симметричными потоками, направленными навстречу друг другу, и формируют общий поток нагретого воздуха путем слияния встречных потоков, отбирая общий нагретый поток в пространство вдоль центральной осевой линии между нагревательными элементами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев нагревательного элемента осуществляют фазой электрического тока мощностью выше 0,3 МВт.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрический ток выводится в положение максимальной мощности менее чем за 20 с.

4. Устройство для нагрева потока воздуха до температуры выше 500°С при массовом расходе потока выше 0,5 кг/с, содержащее источник трехфазового электрического питания, полые нагревательные элементы, каждый из которых соединен с одной фазой трехфазового электрического питания, коллекторы для подвода и отвода воздуха, к которым подсоединены концы полых нагревательных элементов, отличающееся тем, что коллектор для подвода воздуха выполнен в виде, по меньшей мере, двух симметричных стояков, к каждому из которых подсоединена полость полого нагревательного элемента, а каждый полый нагревательный элемент разделен, по меньшей мере, на две одинаковые секции, расположенные вдоль общей продольной оси и подсоединенные противоположными концами к соответствующему стояку коллектора для подвода воздуха, который является входным потоком для каждого полого нагревательного элемента, и к выходному коллектору, расположенному вдоль центральной оси устройства симметрично относительно стояков входного коллектора, а обе секции каждого нагревательного элемента электрически соединены между собой последовательно и электрически изолированы от входного и выходного коллекторов изоляторами, укрепленными на каждом полом нагревательном элементе.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что изоляторы укреплены на каждом полом нагревательном элементе без зазора.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждый изолятор выполнен из композитного тканевого материала на основе кремнезема.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый полый нагревательный элемент выполнен из металлического токопроводящего материала на основе нержавеющей стали.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый полый элемент имеет длину менее 10 м.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внешний диаметр каждого полого нагревательного элемента составляет от 11 до 20 мм.

10. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутренний диаметр каждого полого нагревательного элемента составляет от 10 до 18 мм.

11. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве источника трехфазового электрического питания применяют источник мощностью выше 0,9 МВт и силой тока выше 1000 А.

12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что электрический ток выводится в положение максимальной мощности менее чем за 20 с.

Версия для печати
Дата публикации 07.12.2006гг


вверх