Спосіб та пристрій нагріву повітря

Винахід відноситься до технології та обладнання нагріву повітря шляхом застосування теплообміну при використанні теплової, електричної або електромагнітної енергії відповідно в пристроях у вигляді теплових насосів, калориферів або мікрохвильових нагрівачів. Відомі різні способи та пристрої нагріву повітря за рахунок конвективного теплообміну між нагрівальним агентом та повітрям через тепловідвідні металічні чи металокерамічні поверхні. Спосіб нагріву повітря шляхом теплопередачі в тепловому насосі за схемою "повітря-агент-повітря" (В.С. Мартыновский. Тепловые насосы. Госэнергоиздат, М., Л., 1955, c.8; 48, фиг.4-3) реалізує обернений циклічний процес при застосуванні пари легкокип’ячих речовин. При цьому безперервно відводить тепло від теплообмінника конденсатора, де агент конденсується, до повітря в каналі його нагнітання, коли вмикають компресор, який забезпечує низький тиск агента в випаровувачі і високий - в конденсаторі. Таким чином, тепло, яке витрачається у випаровувачі, під час сжаття в конденсаторі передається теплообміннику цього конденсатора та з допомогою тепловідвідних ребер - повітрю. Недоліком цього способу є відсутність можливості високотемпературного нагріву повітря. Пристрій нагріву повітря - за допомогою електричних калориферів (В.Д. Камінський, М.Б. Бабіч. Переробка та зберігання сільськогосподарської продукції. Одеса. 2000, с.189, рис.6.1), містить вентилятор, нагрівальні елементи, калорифер, канал нагнітання повітря, що містить металеві тепповідвідні ребра і з'єднує вентилятор з калорифером, який містить нагрівальні елементи. Металеві тепловідвідні ребра жорстко прикріплені до калориферу. Недоліком цього пристрою є забрудненість потоку повітря, коли нагрівальні елементи калориферу є елементами відкритого типу, а також низький коефіцієнт корисної дії пристрою, коли нагрівальні елементи калорифера розміщують в діелектричному середовищі, яке звичайно має низький коефіцієнт теплопровідності. З відомих способів та пристроїв нагріву повітря найбільш близьким за технологічною сутністю до способу, який пропонується, є спосіб мікрохвильового нагріву (згідно Патенту України №34520, М. кл. 7Н 05В6/64). При цьому способі електромагнітні коливання в робочій камері концентрують в напрямі на баластний поглиначперетворювач електромагнітної енергії в теплову, яким покривають стінку камери з внутрішнього боку, а вентиляційний потік повітря підігрівають шляхом нагнітання його до каналу, який створюють безпосередньо під баластним поглиначем. Недоліком прототипу є технологічна складність забезпечення високотемпературного нагріву повітря з малим рівнем мікрохвильових фонових випромінювань. Ця складність обумовлюється суперечністю вимог до цих якісних показників технології нагріву. Дійсно, високотемпературний теплообмін повітря є можливим лише за допомогою потужних мікрохвильових генераторів, які, природньо, спричиняють зростання рівня випромінювань мікрохвильового фону через шлюзи робочої камери нагріву. Все це вимагає ускладнення шлюзів пристрою нагріву, а також ускладнення конструкції теплообмінника в каналі нагнітання повітря. В другому випадку, при зменшенні потужності генераторів, теплообмін під площиною баластного поглинача є недостатньо ефективним, що запобігає високотемпературному нагріву повітря. Задачею, на рішення якої спрямований даний винахід, є така зміна технології та засобів нагріву повітря, при якій використовують хвилеводи нагріву, попередньо заповнюють їх високотемпературним радіопоглинаючим матеріалом, складають хвилеводний нагрівач у формі гіпоциклоїди, яку разом з металевим теплообмінником закріплюють в каналі нагнітання повітря та підключають вершини хвилеводної гіпоциклоїди до мікрохвильових генераторів. Таким чином, теплообмін здійснюють одразу з багатобокових напрямів в обсязі, який є зовсім ізольованим від навколишнього середовища, тому забезпечується: а) відсутність фону мікрохвильового випромінювання навіть при занадто потужному нагріву хвилеводних гілок гіпоциклоїди; б) високотемпературний нагрів повітря, який досягає декількох сотен градусів, коли це необхідно. Для рішення цієї задачі в відому технологію нагріву повітря шляхом перетворення електромагнітної енергії в теплову радіопоглинаючим матеріалом і конвективного теплообміну повітря з джерелом тепла, згідно винаходу, здійснюють перетворення енергії електромагнітного поля в теплову енергію за допомогою радіопоглинаючого матеріалу, який має високотемпературні властивості і, яким попередньо, з градієнтом зростання втрат електромагнітної енергії, заповнюють хвилеводи нагріву, в які подають енергію мікрохвильових генераторів і які з'єднують з металевими тепловідвідними ребрами та розміщують в каналі нагнітання, крізь який нагнітають повітря. В пристрій нагріву повітря, який містить мікрохвильові генератори, постачальні хвилеводи, які своїми входами з'єднані з мікрохвильовими генераторами, радіопоглинаючий матеріал-перетворювач електромагнітної енергії, канал нагнітання повітря, що містить металеві тепловідвідні ребра, згідно винаходу, вводять хвилеводний нагрівач, який має форму гіпоциклоїди з її гілками - хвилеводами нагріву та вершинами - входами хвилеводів нагріву, які підключені до вихідних розкривів постачальних хвилеводів і жорстко з'єднані зі стінками каналу нагнітання повітря, а гілки-хвилеводи нагріву містять радіопоглинаючий матеріал з позитивним градієнтом питомої електропровідності і перемкнуті металічною заглушкою в кожному центральному їх поперечному перерізі та своїми широкими стінками механічно з'єднані з металевими тепловідвідними ребрами з їх радіальним і концентричним розміщенням в каналі нагнітання повітря, вісесиметрично в площині, перпендикулярній продольній вісі цього каналу. Пропонуємий спосіб та пристрій нагріву повітря забезпечує отримання екологічно чистого високотемпературного потоку повітря, безфоновий та ефективний нагрів цього потоку за рахунок безпосереднього перетворення електромагнітної енергії в теплову в цілким зачиненому об'ємі хвилеводного нагрівача в формі багатогілкової гіпоциклоїди, конструкція якої з'єднана з тепловідвідними ребрами та узгоджена з перерізом канала нагнітання повітря. Приклад реалізації пропонуємого способу та пристрою. Для мікрохвильового нагріву потоку повітря до конкретної температури, яку задано, маємо початкові дані: температура повітря початкова - 293К, кінцева - 413К; кількість повітря - 3600м 3/год., його динамічний тиск - 1,5-3,8Па; діаметр каналу постачання повітря - 0,56м, каналу нагнітання повітря - 1,0м; потужність одного НВЧ-генератора - 15кВт; розміри стінок хвилеводних гілок нагрівача - 0,045x0,090м; кількість хвилеводних гілок нагрівача - 8; кількість тепловідвідних ребер - 60; довжина каналу нагнітання повітря - 1,3м; товщина тепловідвідних ребер - 3×10-3м. Треба визначити потрібні витрати електромагнітної корисної енергії або потрібну корисну потужність, отже потрібну кількість НВЧ-генераторів. Розв’язання цієї задачі з урахуванням питомого потрібного постачання тепла в потік повітря, часу експозиції повітря в каналі нагріву, маси повітря, який нагрівається під час експозиції та ін. дає потрібну потужність, яка дорівнює 120квт, тобто необхідна кількість НВЧ-генераторів в цьому прикладі - 8од. Пристрій, який реалізує пропонований спосіб та наведений приклад, зображено на фіг.1, 2. Пристрій, фіг.1, містить: НВЧ-генератори 1; постачальні хвилеводи 2, які своїми входами з'єднані з НВЧгенераторами 1; радіопоглинаючий композиційний матеріал 3; канал нагнітання повітря 4; металічні тепловідвідні ребра 5. В пристрій введено: хвилеводний нагрівач 6, який має форму гіпоциклоїди, вершини якої жорстко з'єднані зі стінками каналу 4 нагнітання повітря і підключені до вихідним розривам постачальних хвилеводів 2, а хвилеводні гілки гіпоциклоїди 6 заповнені радіопоглинаючим композиційним матеріалом 3 з градієнтом зростання його питомої електропровідності і механічно з'єднані з металічними тепловідвідними ребрами 5 з радіальним і концентричним розміщенням та перемкнуті металічною заглушкою 7 в кожному центральному їх поперечному перерізі (фіг.2). Застосування мікрохвильового хвилеводного нагрівача-гіпоциклоїди 6 забезпечує осесиметричний багатобоковий нагрів потоку повітря в каналі нагнітання повітря 4. При цьому кожний НВЧ-генератор 1 є навантажений одразу на дві половини гілок гіпоциклоїди 6. Електромагнітна енергія перетворюється в теплову в високотемпературному радіопоглинаючому матеріалі 3, наприклад, у вигляді аморфного метакаоліну з напівпровідниковим наповнювачем. Наявність градієнту зростання електропровідності цього матеріалу 3 зменшує коефіцієнт відбиття електромагнітних коливань від поглинача в хвилеводі. Саме це забезпечує надійну роботу НВЧ-генераторів і в режимі "бігучої хвилі". Це значно збільшує коефіцієнт корисної дії пристрою. Металічна заглушка 7, розподіляє кожну гілку гіпоциклоїди 6 навпіл, забезпечує розв'язання коливань сусідніх НВЧгенераторів 1. Всі ці особливості створюють можливість отримати екологічно чистий нагрів повітря до температур 100-300°С і навіть значно більш, що занадто складно досягнути за допомогою прототипу. Таким чином, досягнення технологічного результату за допомогою пропонуємого способу та пристрою, який реалізує цей спосіб, що характеризується сукупністю його суттєви х ознак, а також реалізуємість способу, уявляються обґрунтованими.