Каталитический нагревательный элемент - RU2062402C1
Код документа: RU2062402C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к энергетике, к технике сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, используемых для решения задач быта человека. Изобретение может быть использовано в производстве бытовых переносных обогревателей для нагрева помещений, обогревателей для обогрева теплиц, нагревателей для воды в водогрейных колонках и котлах малой мощности.
Известна каталитическая горелка [1] содержащая перфорированную трубу с пористым наружным покрытием. Поверх наружного покрытия расположена электрическая спираль, которая разогревает при запуске наружное покрытие, трубу и прилегающие слои катализатора.
Подлежащее окислению топливо подается по топливному патрубку внутрь перфорированной трубы.
Пары топлива через пористое покрытие поступают в предварительно разогретые слои катализатора, где окисляются с выделением тепла.
Существенными недостатками являются отсутствие его автономности из-за наличия электроподогрева, ограниченная мощность горелки, связанная с раздельной подачей топлива и окислителя и лимитирующей стадией диффузии кислорода из окружающего пространства к поверхности катализатора, сложность конструкции.
В следующем изобретении [2] осуществляется совместная подача воздуха и подлежащего окислению топлива в охлаждаемый через стенку реактор. Центральная часть реактора полая, через нее осуществляется транспорт исходных реагентов и продуктов реакции. Катализатор расположен в виде радиальных слоев. Cъем тепла из зоны реакции осуществляется через стенку реактора. Недостатками данного изобретения является низкая интенсивность передачи тепла через стенку реактора, возможность проскока реагирующего вещества по центру реактора, сложность конструкции.
В изобретении [3] для окисления органических веществ, содержащихся в воздухе, используются сотовые катализаторы, в которых каналы образованы плоскими и гофрированными каталитически активными пластинками. В качестве материала для пластин используются асбест или керамические материалы.
Недостатком изобретения является возможность использования устройства только для дожига низких концентраций органических веществ, а также использование нетеплопроводных материалов для приготовления подложки катализатора. Все это затрудняет использование данного изобретения для решения задач нагрева газов.
Наиболее близкой конструкцией к предлагаемой является [4] где приведено устройство излучающей горелки. Эта горелка содержит узел подачи газовоздушной смеси в камеру смешения. Из нее смесь через перфорации опорного листа и распределительные патрубки поступает в каталитическую насадку, предварительно разогретую до температуры начала реакции. В слое катализатора происходит экзотермическая реакция окисления, равномерность распределения тепла от которой обеспечивается распределительными патрубками разной длины, заглубленными в засыпку катализатора на 1/3 2/3 их длины. Выделение тепла в окружающую среду осуществляется через наружную поверхность катализатора, закрепленного перфорированной пластиной.
Недостатками этого изобретения, выбранного в
качестве прототипа, являются:
1.
Наличие электронагрева, лишающего систему автономности.
2. Низкая активность катализатора.
3. Использование зернистого слоя катализатора.
4. Сложность равномерного распределения газовых потоков по сечению камеры смешения и температур в слое катализатора, возможность образования застойных зон в местах крепления патрубков.
5. Малая эффективность преобразования химической энергии в тепловую.
6. Громоздкость устройства.
Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции нагревательного устройства, увеличения его эффективности и улучшения потребительских качеств.
Для решения поставленной задачи предлагается создание компактного каталитического нагревательного элемента, позволяющего проводить сжигание газообразного или сжиженного углеводородного топлива при малом избыточном давлении (не ниже 20 кПа) на входе в устройство.
Разрабатываемый каталитический нагревательный элемент (КНЭ), сочетает в себе тепловыделяющие и теплообменные поверхности и является новым материалом в химическом реакторостроении и теплоэнергетическом оборудовании. Он состоит из проницаемой каталитически активной порометаллической стенки, причем окислитель и подлежащее окислению топливо подаются с разных ее сторон. Химическая реакция во внешнедиффузионном режиме протекает на поверхности катализатора, а продукты реакции, разогретые до соответствующей температуры, уходят в окружающую среду.
Естественной областью применения КНЭ являются нагревательные приборы для бытовых и промышленных целей. Они состоят из источника газа (баллон, либо газопровод), дросселирующего устройства (редуктор или инжектор) и нагревательного прибора, в котором используются КНЭ. В качестве топлива можно использовать метан, пропан-бутан и другие углеводородные газы, в качестве окислителя и нагреваемого газа применяется воздух.
Проведенные испытания такого типа устройств показали полное отсутствие в продуктах реакции окиси углерода, оксидов азота. Степень превращения при сжигании газа с использованием КНЭ достигает 99,9% что значительно выше, чем при сжигании в горелках.
На фиг. 1 изображен каталитический нагревательный элемент; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 схема установки с использованием каталитического нагревательного элемента инжекционного типа; на фиг. 4 - газораспределительная трубка каталитического нагревательного элемента.
Нагревательный элемент состоит из перфорированной металлической трубки, заглушенной с одной стороны 1. Для обеспечения равномерного распределения газа и равномерного тепловыделения по длине трубки на ее внешней поверхности расположен слой порометалла, спеченного со стенкой, и параллельно оси намотано несколько слоев проницаемых армированных плоских 3 и гофрированных 4 лент с нанесенным гетерогенным катализатором.
Ленты расположены таким образом, что их нечетные ряды гофрированы, а четные состоят из плоских негофрированных лент, но витки последующего ряда перекрывают ряды предыдущего. Ленты образуют каталитически активные каналы, на стенках которых происходит окисление газовоздушной смеси с образованием углекислого газа и воды, которые через каналы между лентами удаляются в окружающую среду. Передача тепла от поверхности нагревателя в объем осуществляется посредством конвекции и инфракрасного излучения.
Катализаторами сжигания топлива являются армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Co3О4, CuO, Cr2O3, Fe2O3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях на основе Тi и сплавов Ni c Аl, Ni c Аl, Ni с Cr, Тi c Si и т.д. Гидравлическое сопротивление каталитических слоев при максимальном расходе газовоздушной смеси составляет несколько мм водн.ст. что достигается применением гофрированных слоев с высотой гофра 2 2,5 мм. Для герметизации образующихся каналов с торцов на нагревательном элементе предусмотрено уплотнение 5.
Каталитический нагревательный элемент конструкции, приведенной на рис. 1, может работать в диффузионном или инжекционном режиме. При работе в диффузионном режиме газообразное топливо подается внутрь трубки 1, распределяется по ее длине за счет газового распределителя 2, выходит радиально через каналы, образованные плоскими 3 и гофрированными 4 лентами. Окислитель кислород воздуха в этом случае подается в зону реакции за счет диффузии из окружающей среды.
При инжекционном режиме работы газообразное топливо и воздух подаются спутным потоком, смешиваясь предварительно в инжекторе, в газораспределительную трубку элемента 1. Газовоздушная смесь распределяется по длине трубки за счет газового распределителя 2, выходя радиально в каталитически активные каналы образованными плоскими 3 и гофрированными 4 лентами, на стенках которых происходит химическая реакция окисления топлива.
Конструкция нагревательных элементов позволяет использовать их, группируя в секции с общим подводом газовоздушной смеси, и создавать, таким образом, устройства любой необходимой мощности.
Отличительными
признаками предполагаемого технического решения по отношению к прототипу являются:
использование катализатора в виде проницаемых для газа армированных лент, навитых на
газораспределительную
трубку;
использование в качестве армирующей подложки для катализатора металлической сетки или порометалла;
армированные ленты выполнены плоскими и
гофрированными и навиты с зазорами
между витками на газораспределительную трубку с образованием газовоздушных каналов между ними и указанной трубкой;
четные ряды навивки состоят из плоских
лент, а нечетные из гофрированных,
причем витки последующего ряда перекрывают зазоры предыдущего;
-применение в качестве распределителя газа порометалла, спеченного с поверхностью трубки;
в качестве катализатора
используют армированный пористый материал, содержащий в качестве активных компонентов Co3O4, CuO, Cr2О3, Fе2О3, Al2O3, металлы VIII группы, закрепленные на металлических носителях с помощью сплавов на основе Тi, сплавов Тi c Аl, Ni c Аl, Ni c Cr, Ti c Si.
Предлагаемый каталитический нагревательный элемент позволяет проводить сжигание газообразного или сжиженного углеводородного топлива при температурах не выше 850 900oС. При этом в продуктах сгорания содержатся экологически безопасные вещества.
Вариант технической реализации установки с использованием каталитического нагревательного элемента инжекционного типа приведен на рис. 2.
Газ из емкости 6 для его хранения по трубе 7 через вентиль 8 и манометр 9 поступает в сопло инжектора 10. Избыточное давление на входе в сопло должно быть не ниже 20 кПа. При открытой воздушной заслонке 11 в камеру смешения 13 поступает воздух 12 и в результате образуется газовоздушная смесь с избытком воздуха 1,05 от стехиометрического. В дальнейшем газовоздушная смесь поступает в газораспределительную трубку каталитического нагревательного элемента 14. На стенках каталитически активных каналов происходит химическая реакция, продукты которой по каналам 15 выводятся в окружающую среду.
Пример 1. Рассматривается каталитический нагревательный элемент инжекционного типа мощностью 1,5 кВт. Его характеристики:
длина
газораспределительной трубки 420 мм;
длина каталитического покрытия 350 мм;
диаметр газораспределительной трубки 10 мм:
диаметр трубки КНЭ 25 мм;
количество
каталитических слоев 3;
температура
каталитической поверхности 850oС;
полнота окисления 100%
содержание СО нет;
содержание NОx нет;
поверхность
излучения 210 см2;
рабочее давление перед соплом инжектора 0,035 мПа;
расход газа 15 см3/с.
Пример 2. Рассматривается каталитический
нагревательный элемент инжекционного типа
мощностью 4 кВт. Его характеристики:
длина газораспределительной трубки 420 мм;
длина каталитического покрытия 350 мм;
диаметр
газораспределительной трубки 20 мм;
диаметр трубки КНЭ 32 мм;
количество каталитических слоев 3;
температура каталитической поверхности 850oC;
полнота
сгорания 100%
содержание СО нет;
содержание NОx нет;
поверхность излучения 350 см2;
рабочее давление газа перед соплом инжектора 0,035 мПа;
расход газа 40 см3/с.
Пример 3. Рассматривается каталитический нагревательный элемент диффузионного типа мощностью 0,75 кВт. Его характеристики:
длина
газораспределительной трубки 420 мм;
длина
каталитического покрытия 350 мм;
диаметр газораспределительной трубки 8 мм;
диаметр трубки КНЭ 26 мм;
количество
каталитических слоев 4;
температура каталитической
поверхности при окислении пропан-бутановой смеси 550oС;
полнота окисления 100%
содержание СО нет;
содержание NОx нет;
расход газа 7,5 см3
/с.
Как следует из представленных примеров, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение cледующего технического результата: каталитический нагревательный элемент позволяет проводить с высокой эффективностью сжигание газообразного или сжиженного углеводородного топлива при температурах не выше 850oC, причем в продуктах сгорания не содержится экологически вредных веществ. ЫЫЫ2
Реферат
Использование: в области энергетики, в частности для сжигания природных и сжиженных газов на каталитических нагревательных элементах, используемых для решения задач быта человека. Сущность изобретения: каталитический нагревательный элемент представляет собой газораспределительную трубку 1 с размещенными на ее поверхности распределителем 2 газа и слоем катализатора. Катализатор выполнен в виде проницаемых для газа армированных лент 3,4, навитых на трубу, в качестве армирующей подложки для катализатора используют металлическую cетку или порометалл. Армированные ленты 3,4, навитые на трубки, имеют плоскую и гофрированную формы и образуют каналы, расположенные на внешней поверхности трубки. Четные ряды навивки состоят из плоских лент 3, а нечетные - из гофрированных лент 4, причем витки последующего ряда перекрывают зазоры предыдущего. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.
