Автономний теплогенератор на рідкому або газоподібному паливі і воді

Реферат: Автономний теплогенератор на рідкому або газоподібному паливі і воді складається з зовнішнього та внутрішнього циліндричних корпусів, в яких розміщені парогенератор, пароперегрівач, форсунки, топка, з'єднувальні трубопроводи. Парогенератор і пароперегрівач, для забезпечення великої площі нагрівання і запобігання коксуванню, виконані в вигляді паралельних циліндрів, розміщених в камері горіння. UA 104916 U (12) UA 104916 U UA 104916 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до автономних енергетичних установок (теплоенергетики) і спрямована на генерацію тепла при спалюванні газоподібного чи рідкого вуглеводневого палива (в тому числі низькоякісного або відходів нафти) і перегрітої водяної пари. Відомий "Пальник на рідкому паливі"(Патент US № 3804579 від 16.04.1974), який містить циліндричний корпус, що складається з трьох скріплених відсіків. У першому відсіку розміщені елементи, що регулюють подачу палива, повітря і води під тиском. У другому (центральному) відсіку розміщені трубопроводи. У третьому відсіку розміщена камера для змішування палива, повітря і перегрітої водяної пари, попереду неї встановлено розподільник з великою кількістю каналів (диск з отворами). Далі камера газогенерації і після неї співвісно розміщений теплообмінник спірального типу для отримання перегрітої водяної пари від тепла власного факела. Недоліком такого пальника є недостатнє спалювання енергетичного газу через відносно невисоку температуру факела, необхідність систем подачі палива, води і повітря під тиском, ненадійна система пароутворення, що властива для парогенераторів даної форми. Відомий "Спосіб спалювання вуглеводневого палива" (Патент RU № 2407987 від 03.08.2009), в якому для отримання високотемпературного факела використовується рідке вуглеводневе паливо, водяна пара і повітря. В співвісному циліндричному пальнику відбувається піроліз палива, згоряння та змішування полум'я первинного факела із струменем водяної пари для формування вторинного високотемпературного факела. Недоліком такого способу і, відповідно, пальника є необхідність подачі водяної пари від окремого джерела і постійний контроль за температурою піролізу палива (близько 630 °С), при якому створюються частинки сажі розміром 3-5 нм. Найбільш близьким аналогом є "Пальниковий пристрій"(Патент RU № 2523591 від 09.04.2013), що використовує для горіння рідке паливо і перегріту водяну пару. Складається в основному із зовнішнього корпусу з топкою, в яку самопливом подається паливо, внутрішнього корпусу із вкладених одна в одну циліндричних труб, з яких сформовано парогенератор, що включає в себе камеру для виробництва водяної пари і дві камери для пароперегрівання із паровою форсункою на виході та з'єднувальних трубопроводів. Недоліком даного пальникового пристрою є неможливість роботи із газоподібним вуглеводневим паливом, складність виготовлення пароперегрівача із спіральними каналами, відсутність системи подачі води під тиском для довготривалого горіння, відсутність термоізоляції корпусу. Крім того через конструктивні особливості розміщення співвісних циліндричних камер парогенератора і пароперегрівача відбувається закоксованість їх поверхні, сажа і кокс забиває зазори між ними та перешкоджає тепловіддачі від вогню до камер парогенератора. В основу корисної моделі поставлена задача усунення недоліків у відомому пристрої та створення довготривалого, високоефективного, екологічно чистого спалювання рідкого (газоподібного) вуглеводневого палива в суміші із перегрітою парою. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій, який складається із окремих блоків і систем, з'єднаних між собою згідно її технологічної схеми роботи: - зовнішнього термоізольованого циліндричного корпусу із отворами внизу, що призначені для регульованої подачі повітря в топку з допомогою рухомого зовнішнього регулятора; розміщеної на його дні циліндричної топки із отворами для ежекції повітря та постачання палива при довготривалій роботі; - внутрішнього циліндричного корпусу, в якому закріплено герметично закритий, багатокамерний генератор водяної пари в вигляді трьох циліндрів, з'єднаних між собою трубками для води і пари; циліндричну камеру для пароперегрівання і каталізу, (в якій розміщені каталізатори в вигляді металічного дроту чи стружки) з'єднаної трубкою із паровою форсункою; газової форсунки (при використанні газового палива), яка з'єднується трубопроводом із джерелом горючого газу (наприклад пропану, метану); окремої циліндричної камери із каталізатором-доспалювачем із жаростійкої кераміки або нержавіючої сталі із сіткою із ніхромного дроту, яка закріплюється над соплом камери горіння; системи автономної подачі води під тиском в парогенератор при довготривалій роботі, що складається із ємності для води і стисненого повітря, крана, зворотного клапана, клапана для накачування повітря в ємність насосом, дозатора, з'єднувальних шлангів, трубопроводів і манометра; системи подачі рідкого палива самопливом в топкову камеру, що складається із ємності для рідкого палива, крана, дозатора, з'єднувальних шлангів і трубопроводів; системи подачі газоподібного палива в топкову камеру, що складається з ємностей для газоподібного палива і рідкого вуглеводню (дизпаливо, керосин чи відпрацьована олива) для збагачення газу вуглеводнями при проходженні газу через паливо; з'єднувальних шлангів і трубопроводів. 1 UA 104916 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Процеси і багаточисельні термохімічні реакції, що відбуваються в зоні горіння пристрою із врахуванням складного вмісту паливних газів при взаємодії із каталізаторами є відомими і в цілому описуються наступним чином: - паливний газ, що створюється, є сумішшю горючих газів, і складається в основному із парів палива, що випаровується при нагріванні, водню при дисоціації водяної пари при температурах вище 500 °С, окису вуглецю, синтез-газу (водяного газу), який створюється при пропусканні суміші перегрітої водяної пари і парів палива через нагрітий до високої температури каталізатор (сажа, метали VIII групи - Ni, Co, Fe), а також ОН-радикалів, які є найбільш хімічно активними компонентами та ініціюють процес горіння, їх високі концентрації створюються в результаті гетерогенно-каталітичного розкладу молекул води на нанокластерах сажі (вуглецю С) в основі факела горіння; - всі звичайні види палива на основі нафти мають надлишок вуглецю та водню, тому на початку горіння генерується вуглекислий газ СО 2, який в подальшому при його реакції із паливом, що містить вуглець, при обмеженій кількості окислювача (повітря) створюється також горючий газ окис вуглецю: СО2+С=2СО; при досягненні температури 500 °С створюється полум'я із великою кількістю частинок сажі (вуглецю); в подальшому при додаванні високоенергетичної перегрітої водяної пари формується додаткове полум'я, в якому на частинках сажі йде каталітичний розпад (дисоціація) молекул води (водяної пари), що призводить до ефективного спалювання палива і підтримки стійкого горіння палива: Н2О+С=Н2+СО; перегріта водяна пара, а точніше її високоенергетичні молекули розбивають частинки продуктів горіння на менші кластери, таким чином забезпечуючи більш повне їх спалювання; крім того виробляється суміш горючих газів, в тому числі водень, окис вуглецю і складних вуглеводневих сполук, що при згорянні дають високу температуру, а також створюється швидкісний потік полум'я, що призводить до розрідження і додаткової інжекції повітря, що сприяє більш повному згорянню і виділенню додаткового тепла; - в процесі подальшого нагрівання вищі вуглеводні палива вступають в термохімічну реакцію із перегрітою водяною парою із генерацією синтез-газу (водяного газу), що складається в основному із водню і окису вуглецю, при неповному термічному окисленні: CnHm+nН2О=nСО+(n+m/2)Н2; реакція вуглеводнів метану із водяною парою: СН4+Н2О=3Н2+СО, СО+Н2О=Н2+СО2; При нагріванні до високої температури камери пароперегрівача-каталізу, в якій розміщені каталізатори, та при проходженні через них перегрітої водяної пари під тиском, відбуваються термохімічна дисоціація молекул води по формулах: Н2О=2Н+О, Н2О=Н+ОН. Надзвичайно важливим є спеціальна підготовка води, що використовується в даному пристрої, звичайна водопровідна вода має багаточисельні хімічні, промислові і інші добавки та складну кластерну структуру, вона важко піддається термічній дисоціації навіть у вигляді пари. Тому вода, що застосовується для роботи теплогенератора повинна бути структурована (наприклад з допомогою природних мінералів таких, як шунгіт) та активована в кавітаційному пристрої або в сильному постійному магнітному полі, що створюється (наприклад неодимовими магнітами), що є також ефективним методом в боротьбі із накипом в парогенераторі. Вода в процесі обробки сильним магнітним полем втрачає складну кластерну структуру, молекули формуються заново. Залежно від типу палива, що застосовується, до води додаються до 5 % від загального об'єму спеціальні вуглеводневі домішки (спирти, ацетон, керосин, цукор), після чого суміш ретельно розмішується. Все це сприяє процесу виділення додаткової кількості горючих газів, кращої взаємодії перегрітої водяної пари із каталізаторами, парами палива, частинками факела, позитивно впливає на стабілізацію горіння і таким чином збільшується кількість тепла, що генерується. Суть корисної моделі пояснюється кресленням. Пристрій складається із циліндричного зовнішнього корпусу 3 із отворами 4, регулятором подачі повітря 19, циліндричної топки 5 із отворами 6, загального кругового днища 18, циліндричного внутрішнього корпусу 7 із верхньою кришкою 17, трикамерного парогенератора 8, трубки для подачі води 11, трубки 12 для подачі пари, трубки 2 для подачі води із герметичною пробкою 1, циліндричного пароперегрівача камери каталізу 9, з'єднувальної трубки 13, трубки 14 для виводу перегрітої пари до парової форсунки 15, каталізатора-доспалювача 10, камери горіння 20, кріплення внутрішнього корпусу 16, зовнішньої циліндричної камери-доспалювача (не показано), системи автономної подачі води під тиском в парогенератор (не показано), системи подачі рідкого палива самопливом (чи під тиском) в топкову камеру (не показано), системи подачі газового палива із окремою форсункою (не показано), шару термоізоляції зовнішнього корпусу (не показано). Пристрій працює наступним чином: Спеціально підготовлену чисту, структуровану та активовану воду (при необхідності із невеликими домішками вуглеводнів) заливають через трубку 2 в парогенератор 8 в кількості 2 UA 104916 U 5 10 15 20 25 30 35 приблизно 80 % від його об’єму і закривають герметично пробкою. В топку 5 заливається відповідна кількість рідкого вуглеводневого палива, можливо низької якості (наприклад відпрацьованої оливи чи керосину) і підпалюється. Через 5-8 хвилин після прогрівання корпусу пристрою і парогенератора виробляється водяна пара, яка через з'єднувальну трубку 13 надходить в камеру пароперегрівання і каталізу 9, в якій пара, нагріваючись до високої температури та проходячи через каталізатори, розпадається на водень і кисень та інші складні газові сполуки. Гази під тиском надходять із пароперегрівача трубкою 14 в форсунку 15 і розпилюються вертикальним струменем через полум'я в камері горіння 20, формуючи при цьому суміш паливних газів, включаючи водень, окис вуглецю, синтез-газ (водяний газ) та інші паливні компоненти. Факел виходить із сопла камери горіння і проходить через каталізатордоспалювач 10 та додаткову зовнішню циліндричну камеру-доспалювач, в яких відбувається процес доспалювання паливних компонент і частинок сажі із виділенням додаткового тепла та мінімізацією викидів в атмосферу шкідливих речовин. Після виходу пристрою в робочий режим доступ повітря в камеру зменшується регулятором подачі повітря 19, що сприяє більш економній витраті палива. Велика площа циліндричних камер парогенератора і пароперегрівача забезпечує великий фронт взаємодії полум'я, суміші високотемпературних паливних газів, сажі із повітрям, що надходить із отворів зовнішнього корпусу і топки, розміщених внизу камери горіння, а також із додатковим киснем, що виробляється в результаті дисоціації молекул водяної пари (води), сприяє однорідному змішуванню і як результат відбувається більш повне згоряння паливних компонент. При необхідності довготривалої роботи пристрою вода дозовано, в розрахованій кількості, подається під тиском 2-5 бар (в залежності від діаметру форсунки) в парогенератор через трубку для подачі води 2 від автономної системи, що складається із ємності для води і повітря, крану, зворотного клапана, манометра, насоса для підкачування повітря, клапанадозатора, пробки із трубкою, з'єднувальних трубок. Рідке паливо в необхідній кількості може подаватися в топкову камеру самопливом через трубку від окремої ємності із паливом через кран і дозатор. При необхідності роботи пристрою із газоподібним паливом, воно подається в топкову камеру після прогрівання пристрою в певній кількості залежно від потужності пристрою. При цьому (для стабілізації і оптимізації режиму роботи пристрою) додається самопливом рідке паливо низької якості в невеликій кількості, яке при випаровуванні ефективно взаємодіє із перегрітою водяною парою та іншими газами і покращує процес горіння в цілому. Виготовлені і тестовані пристрої продемонстрували теплові потужності від 5 до 20 Квт, температура факела на виході 1200-1300 °С, витрату від 0,5 до 1 літра рідкого чи газоподібного палива та приблизно таку ж кількість води. Застосовування запропонованого пристрою дозволить зменшити витрати палива для обігрівання житлових та виробничих приміщень, спростити створення та експлуатацію різноманітних теплогенеруючих пристроїв, в тому числі для виконання ремонтновідновлювальних робіт та суттєво зменшить забруднення навколишнього середовища. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 1. Автономний теплогенератор на рідкому або газоподібному паливі і воді, який складається з зовнішнього та внутрішнього циліндричних корпусів, в яких розміщені парогенератор, пароперегрівач, форсунки, топка, з'єднувальні трубопроводи, який відрізняється тим, що парогенератор і пароперегрівач, для забезпечення великої площі нагрівання і запобігання коксуванню, виконані в вигляді паралельних циліндрів, розміщених в камері горіння. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що для генерації додаткової кількості водню пароперегрівач заповнений каталізаторами (метали VIII групи - Ni, Co, Fe). 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що застосовується автономна система дозованої подачі води під тиском в парогенератор для довготривалої роботи. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що може застосовуватися газоподібне паливо природний газ, пропан, метан, біогаз, піролізний газ. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що для покращення процесу горіння застосовується спеціально підготовлена структурована, активована в сильному магнітному полі чи кавітаторі вода, в яку при необхідності додаються до 5 % від загального об'єму рідкі або тверді вуглеводні (спирт, ацетон, керосин, цукор). 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що на виході із зони горіння встановлено знімну циліндричну камеру-доспалювач із нержавіючої трубки із отворами, що обгорнута сіткою із нержавіючої сталі та ніхромного дроту. 3 UA 104916 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4