Использование: в установках аэродинамического нагрева, преимущественно в камерных сушилках. Сущность изобретения заключается в том, что роторы могут размещаться произвольно в секциях, снабжены направляющими экранами в виде полуокружности или ломаной линии и установлены на поворотном диске с возможностью поворота вокруг оси на 180 o , в перегородке имеются отверстия с заслонками, а регулирующий орган установлен на выходе из нагревателя. 4 з. п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к воздухонагревателям, в частности к устройствам для нагрева и нагнетания воздуха, и может быть использовано в установках аэродинамического роторного нагрева, например в камерных сушилках для древесины. Наиболее близок по технической сущности к заявляемому устройству описанный в книге В.В. Сергеева "Аэродинамические лесосушильные камеры". М. 1981 г. аэродинамический нагревать, содержащий камеру с прямоугольным выходным отверстием в стенке и регулировочной заслонкой в нем, разделенную перегородкой на две секции, в каждой из которых размещен ротор аэродинамического теплогенератора. Устройство-прототип обслуживает лесосушильную камеру. Недостаток известного решения значительная неравномерность скоростей истечения потока из выходного отверстия. Из-за неорганизованного взаимодействия струй, выходящих с лопаток ротора и отраженных от стенок камеры, соотношение скоростей составляет в известном устройстве 1:0,6:0,3 (верх, середина, низ). Отсюда большой разброс скоростей в потоке воздуха, омывающего обрабатываемый материал, и в циркуляционном тракте. Такая аэродинамика отрицательно сказывается на качестве тепловой обработки, в частности, в сушилках, приводит к неравномерности конечной влажности в штабеле по высоте. Цель изобретения улучшение технико-экономических показателей работы установки, а именно качества продукции и экономичности за счет повышения равномерности подачи и расширения возможностей регулирования совместной работы роторов. Эта цель достигается тем, что в аэродинамическом нагревателе роторы в секциях камеры нагрева размещены произвольно, причем по одному сторону роторов установлены прилегающие к фронтальной и торцевой стенкам камеры направляющие экраны, а в разделительной перегородке между роторами выполнены отверстия, снабженные шарнирно закрепленными заслонками; направляющие экраны выполнены в виде полуокружности вокруг ротора в его плоскости с радиусом кривизны R, равным от 0,6 до 1,0 диаметра ротора D, и с эксцентриситетом Б относительно его оси, составляющим 0,1 0,3 диаметра ротора. Второй конструктивный вариант формы экранов в виде ломаной линии, отрезки которой расположены по касательной к полуокружности вокруг ротора с радиусом кривизны R от 0,6 до 1,0 D, ось которой расположена с эксцентриситетом Б относительно оси ротора от 0,1 до 0,3 D диаметра ротора. Роторы имеют возможность вращения в обоих направлениях. Разделительная перегородка между секциями камеры примыкает по касательной к направляющему экрану одного из роторов (нереверсивный нагреватель). В другом варианте каждый направляющий экран установлен на поворотном в плоскости ротора диске, имеющем возможность поворота на 180 o (реверсивный нагреватель). Предлагаемое техническое решение схематично представлено на чертежах, где показаны: на фиг. 1, 2, 6, 7 конструктивные варианты устройства, в двух проекциях фронтальной и в плане; на фиг. 3, 4, 5 схемы узлов нагревателя; на фиг. 8, 9, 10 варианты реализации устройства в промышленных установках на примерах печи для термообработки, сушильной камеры и отопительно-вентиляционной установки соответственно. Во всех вариантах конструктивного оформления устройства роторы 1 установлены в камере нагрева между верхней 2 и нижней 3 стенками; камера разделена на две секции перегородкой 4 с отверстиями 5 и заслонками 6 (фиг. 1, 2, 4, 6, 7). С одной стороны роторы закрыты направляющими экранами 7, они (экраны) перекрывают всю полость камеры, примыкая к нижней 3 и боковым ее стенкам торцевой (задней на чертежах) 8 и фронтальной (передней) 9 (фиг. 1-3, 6, 7). Стенки 2, 3, 8, 9 образуют выходной канал с отверстием 10 (фиг. 1, 2, 6, 7); в передней стенке 9 имеется входное отверстие 11. Канал 10 перекрывается регулировочной заслонкой 12, например поворотной, выполняющей роль регулятора тепловой мощности нагревателя путем регулирования подачи ротора. Привод роторов 1 может быть реверсивным; вращение роторов в обоих направлениях дает двухступенчатое регулирование потребляемой мощности, а следовательно теплопроизводительности, от номинальной N ном при прямом вращении до 0,7 N ном при обратном. Расположение роторов может быть произвольным (фиг. 1, 2). На фиг. 6, 7 показан пример другого, промежуточного между крайними расположения роторов. При таком исполнении устройство легко встраивается в различные схемы, агрегаты, упрощаются компоновка, соединение с циркуляционным трактом. Направляющие экраны 7 согласно предложению могут быть выполнены в двух вариантах: в виде полуокружности в плоскости ротора (фиг. 3а) либо в виде описанного многоугольника относительно окружности (фиг. 3б) с радиусом кривизны R, равным от 0,6 до 1,0 D, и эксцентриситетом Б относительно оси ротора в пределах 0,1 0,3 D, где D наружный диаметр ротора. Экраны с прилегающими стенками камеры образуют как бы корпус ротора подобно устройству вентилятора, с проемом для подачи (выхода) потока. Указанные соотношения обеспечивают точность изготовления и контроль размеров экранов; эти соотношения выбраны как наиболее рациональные по опытным и расчетным данным и рекомендациям: значения радиуса кривизны R и эксцентриситета обеспечивают в сочетании компактность узла (ограничение верхнего значения R) с одной стороны и достаточно плавный профиль экрана (ограничение R снизу) с другой и тем самым невысокие аэродинамические сопротивление узла и потери энергии потока. В заявляемом объекте, в рамках одного общего технического решения, предусматриваются два технологических варианта устройства: нереверсивный (фиг. 1, 2) и реверсивный (фиг. 6, 7) нагреватели. В нереверсивном устройстве разделительная перегородка 4 установлена по одну сторону от плоскости, проходящей через оси вращения роторов, по касательной к экрану одного из роторов и служит продолжением экрана. Поток движется в одном направлении (на фиг. 1, 2 справа налево). Направление потока показано стрелками. Реверсирование потока, практикуемое иногда в сушильных камерах, улучшает аэродинамику, обеспечивает равномерный обдув материала и способствует повышению качества тепловой обработки (равномерность сушки, снижение перепадов температуры в материале). В реверсивном нагревателе (фиг. 6, 7) экраны 7 установлены на поворотном диске (площадке) 13, имеющем возможность поворота на 180 o (фиг. 5). Вал этого диска проходит наружу, к приводному устройству (рычагу) через стенку камеры, например, в то же отверстие, что и вал ротора (не показано). На фиг. 6 исходное положение экранов; на фиг. 7 положение после поворота экранов на 180 o . Направление движения воздуха меняется при этом на противоположное. В реверсивном нагревателе перегородка 4 расположена по обе стороны от проходящей через оси роторов плоскости. На фиг. 4 показано устройство перегородки 4 с гравитационным приводом заслонок, как вариант, в виде груза 14, прижимающего заслонку 6, которая закрывает отверстие 5. Конструкция перегородки в сочетании с экраном 7 позволяет получить равномерное распределение потока по высоте. Как показали испытания опытного образца, соотношение скоростей в выходном отверстии по высоте составляет 0,95:1:0,95. Регулировочная заслонка или регулятор мощности 12 может быть выполнена секционной или сплошной, как показано на чертежах для простоты. Заслонка устанавливается в канале 10 на выходе потока из камеры нагрева и имеет выведенный наружу привод ручной, механический, дистанционный, автоматический (не показан). Работа заслонки улучшает распределение потока по всему выходному сечению за счет дросселирования, регулируя мощность при открытии заслонки до 90 o от 0,35 N ном до 1,0 N ном (из-за неплотностей). Для управления потоком в условиях реверса нагреватель снабжен двумя регулировочными заслонками 12 и двумя клапанами 15, установленными под углом 90 o друг к другу (фиг. 6, 7). Нижняя и верхняя стенки камеры снабжены технологическими выступами 16 для выравнивания потока, по высоте камеры установлен продольный экран 17. Конструкция работает следующим образом. При малой потребности в энергии в работе находится один ротор, например левый на фиг. 1. Поток от ротора направляется экраном 7 и распределяется перегородкой 4 равномерно по выходному сечению. Потоком воздуха заслонки 6 прижимаются к перегородке и закрывают отверстия 5. Регулятором 12 изменяют проходное сечение выходного канала 10, регулируя тем самым подачу и связанную с ним мощность ротора. При увеличении нагрузки включают второй ротор, например верхний, фиг. 2. Потоком воздуха от этого ротора заслонки 6 в перегородке 4 открываются, потоки от обоих роторов сливаются и образуют общий поток с относительно равномерным распределением скоростей в выходном отверстии 10. Требуемую тепловую мощность устанавливают регулятором 12. Реверсивный нагреватель работает с одним ротором аналогично нереверсивному по схеме на фиг. 1: на фиг. 6 в работе нижний ротор, на фиг. 7 верхний, только в этом случае все заслонки 6 закрыты. На фиг. 6, 7 показаны варианты работы обоих роторов, но с различным направлением потока. По схеме на фиг. 6 воздух засасывается справа между передней стенкой 9 и продольным экраном 17 во входные отверстия 11; поток выходит из роторов под напором, формируется и направляется под воздействием экранов 7 и выступов 16, разворачивается влево и через выходной канал 10 и регулятор 12 выходит из нагревателя; направление потока справа налево. Реверсирование потока производят поворотом направляющих экранов 7 на 180 o с помощью поворотных дисков 13 (фиг. 5, 7). В исходном положении (фиг.6) отверстия 5 в верхней части перегородки 4 открыты, а в нижней закрыты. После поворота экранов на 180 o (фиг. 7) отверстия верхней половины перегородки закрыты, а нижней открыты. Направление потока - обратное. Для ступенчатого регулирования мощности нагревателя меняют направление вращение ротора, включают в работу один или оба ротора. В результате имеют ступени мощности, от номинальной: 1:0,7:0,5:0,35: оба ротора прямого и обратного вращения и один ротор в тех же режимах соответственно. Плавное регулирование обеспечивают регулятором мощности 12 от 1 до 0,35 N ном ротора В реверсивном нагревателе используют два регулятора мощности 12 попеременно: один из них закрыт, другим регулируют поток на выходе (фиг. 6, 7). Два клапана 15 в приточном канале также находятся попеременно в позициях "открыто-закрыто" одновременно с регулятором 12. Эти клапаны 15 изменяют направление потока воздуха к входным отверстиям 11, идущего по всасывающему каналу между стенкой 9 и экраном 17. Фиг. 8-10 иллюстрируют применение нагревателя в промышленных установках. Так, в печи с нереверсивным нагревателем для тепловой (термической) воздушной обработки материала установке типа ПАП (фиг. 8) роторы установлены в корпусе печи 18 под сводом, а их приводы электродвигатели 19 на своде. Обрабатываемый материал 20 размещают на тележке 21 и закатывают в печь, закрывая корпус дверью 22. Для притока свежего и выброса отработанного воздуха имеются приточно-вытяжные трубы 23. Предлагаемый нагреватель обеспечивает нагрев и циркуляцию воздуха в рабочем объеме по замкнутому контуру, тепловую обработку материала с высокой равномерностью и регулированием тепловой нагрузки в широких пределах 0,35 - 1,0 N ном. Установка (термическая печь, сушильная камера и т.п.), показанная на фиг. 9, оборудована реверсивным нагревателем. Реверс потока осуществляют поворотом направляющих экранов 7 на 180 o , перестановкой регуляторов мощности и клапанов. На фиг. 10 показано применение устройства как отопительно-вентиляционного агрегата. Воздух всасывается по каналу 24 с клапаном 15 и нагнетается через выходной канал 10 и регулятор 12 в помещение 25. На выходе установки предусмотрена заслонка 26, с помощью которой обеспечивают рециркуляцию потока в корпусе установки с целью интенсификации нагрева и повышения тепловой мощности. Таким образом, отличительные признаки описывают объект изобретения, удовлетворяющий требованиям существенной новизны, и дают новый эффект по сравнению с известными решениями, а именно: многоступенчатое и плавное регулирование в больших пределах, большие равномерность скоростей потока на выходе и в контуре, однородность тепловой обработки, лучшее качество продукции, большие возможности и лучшие условия регулирования нагрузки электродвигателей и тем самым экономичность их работы за счет повышения значений КПД и cos при включении одного или двух роторов. 2 4
Формула изобретения
1. Аэродинамический нагреватель, преимущественно для сушильной установки, содержащий камеру нагрева с параллельными фронтальной и торцевой стенками, выходным каналом и регулировочным дроссельным органом, направляющими экранами, и разделенную перегородкой на две секции, в каждой из которых размещен ротор аэродинамического теплогенератора, установленный с возможностью вращения в двух направлениях, отличающийся тем, что направляющие экраны выполнены криволинейной формы, размещены с частичным обрамлением каждого ротора и установлены в камере по всей ее ширине от фронтальной до торцевой стенки, а в перегородке выполнены отверстия, дополнительно снабженные шарнирно закрепленными заслонками. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что направляющие экраны имеют в сечении форму полуокружностей с радиусом кривизны, равным от 0,6 до1 диаметра ротора, оси которых размещены с эксцентриситетом относительно оси ротора, составляющим 0,1-0,3 диаметра ротора. 3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что направляющие экраны выполнены в виде ломаной линии, отрезки которой расположены по касательной к полуокружности вокруг ротора с радиусом кривизны от 0,6 до 1,0, ось которой расположена с эксцентриситетом относительно оси роторов от 0,1 до 0,3 диаметра ротора. 4. Нагреватель по пп.1-3, отличающийся тем, что разделительная перегородка между секциями камеры установлена по одну сторону от плоскости, проходящей через оси вращения роторов, и примыкает по касательной к направляющему экрану одного из роторов. 5. Нагреватель по пп.1-4, отличающийся тем, что направляющие экраны установлены каждый на поворотном в плоскости ротора диске с возможностью поворота на 180 o .
(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Ефимчик Степан Алексеевич(72) Автор Ефимчик Степан Алексеевич(73) Патентообладатель Ефимчик Степан Алексеевич(57) Аэродинамический нагреватель, содержащий центробежное рабочее колесо, включающее несущий и покрывной диски с расположенными между ними лопатками, содержащее также центральное входное отверстие для забора воздуха в колесо на лопатки, отличающийся тем, что центробежное рабочее колесо установлено на нейтральном валу ротора привода вращения в корпусе, состоящем из задней части - планшайбы и передней части улитки, в центральной части улитки также выполнено входное отверстие для забора воздуха, во входном отверстии улитки установлен цилиндрический стакан, на внешней стороне которого на расстоянии 3-12 мм от его внутреннего торца выполнен фланец, а на наружном торце цилиндрического стакана установлен воздушный фильтр, в улитке выполнено также выходное отверстие, к которому снаружи корпуса нагревателя присоединен 102862014.08.30 сужающийся конусообразный стакан, выходное отверстие которого имеет в 3-5 раз меньший диаметр, чем диаметр входных отверстий рабочего колеса и улитки, а лопатки расположены по окружности входного отверстия рабочего колеса под углом 70-75 по отношению к диаметру входного отверстия рабочего колеса и направлены в противоположную сторону от вращения колеса.(56) 1. Актуальные направления развития сшки древесины. Тезисы докладов Всесоюзной конференции 8-12 сентября. - ЦНИИМОД, Архангельск, 1980. - С. 193. 2. Тепловая электрическая пушка 5, КЛИМАТТОРГ. Климатическое оборудование. Тепловое оборудование. Тепловые пушки электрические он-лайн (Найдено 2013-11-25. Найдено в интернет ////-/-5/ . 3. Патент 2119136 1, 1998. 4. Национальный комплекс нормативно-технических документов в строительстве,СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ. ОТОПЛЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА. СНБ 4.02.01-03. Издание официальное. - Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. - Минск. 2 УТВЕРЖДЕН Приказом 259 Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь от 30 декабря 2003 г. Предлагаемая полезная модель относится к воздухонагревательным устройствам и может быть использована, например, для подогрева воды горячим воздухом в теплообменниках, для обогрева жилых и производственных помещений, а также в деревообрабатывающей промышленности для сушки древесины. Известно центробежное рабочее колесо для лесосушильных камер аэродинамического нагрева, содержащее несущий и покрывной диски, установленные между ними профильные лопатки 1. Недостатками известного рабочего колеса являются увеличенные габариты и вес, низкая долговечность работы. Для получения заданной температуры нагрева сушильного агента (воздуха) в нем приходится значительно увеличивать габариты (диаметральные и осевые). В местах сварки торцов лопаток с дисками через некоторое время работы появляются трещины из-за наличия вибраций ротора, которые в дальнейшем приведут к разрушению колеса, что снижает долговечность. Для обогрева помещений применяются тепловые пушки. Они производятся в металическом корпусе с отверстием для забора воздуха и отверстием для выхода горячего воздуха. Внутри корпуса размещаются воздухонагреватель, а также вентилятор с электродвигателем. При этом во время работы вентилятор забирает воздух из окружающего пространства через входное отверстие корпуса и направляет его сквозь нагревательный элемент наружу через выходное отверстие. Тепловая электрическая пушка 5 потребляет мощность 3-5 кВт, производит 420 метров кубических горячего воздуха в час. Повышение температуры 36 С 2. Недостатком тепловой пушки является ее достаточно низкий КПД, то есть при данном потреблении электрической энергии невозможно достигнуть более высоких температур и большего объема нагретого воздуха. Известен также аэродинамический нагреватель для камерных сушилок, содержащий центробежное рабочее колесо, включающее несущий и покрывной диски, установленные между ними профильные лопатки, причем в местах стыков лопаток с дисками на спинках лопаток установлены накладки повторяющие профиль лопаток и соединенные с лопатками и диском, например, сваркой, при этом свободные торцы накладок снабжены скругленными выемками 3. 2 102862014.08.30 Это техническое решение принято за прототип заявляемой полезной модели. Недостатками этого решения являются низкий коэффициент полезного действия аэродинамического нагревателя, а также невозможность нагревания воздуха свыше 80-100 С. Также потребляемая мощность электроэнергии на нагревание воздуха в этом устройстве достаточно высока, до 20 кВт/ч. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия устройства, повышение получаемой температуры нагретого воздуха до 170220 С и выше, увеличение объема нагретого воздуха и значительное снижение потребляемой мощности устройства, а значит, и удешевление процесса нагревания воздуха. Эта задача решается за счет того, что в аэродинамическом нагревателе, содержащем центробежное рабочее колесо, включающее несущий и покрывной диски с расположенными между ними лопатками, содержащее также центральное входное отверстие для забора воздуха в колесо на лопатки, центробежное рабочее колесо установлено на центральном валу ротора привода вращения в корпусе, состоящем из задней части - планшайбы и передней части - улитки, в центральной части улитки также выполнено входное отверстие для забора воздуха, во входном отверстии улитки установлен цилиндрический стакан, на внешней стороне которого на расстоянии 3-12 мм от его внутреннего торца выполнен фланец, а на наружном торце цилиндрического стакана установлен воздушный фильтр, в улитке выполнено также выходное отверстие, к которому снаружи корпуса нагревателя присоединен сужающийся конусообразный стакан, выходное отверстие которого имеет в 3-5 раз меньший диаметр, чем диаметр входных отверстий рабочего колеса и улитки, а лопатки расположены по окружности входного отверстия рабочего колеса под углом 70-75 по отношению к диаметру входного отверстия рабочего колеса и направлены в противоположную сторону от вращения колеса. Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 представлен аэродинамический нагреватель, вертикальный разрез. На фиг. 2 - то же, вид сбоку. На фиг. 3 - то же, вид сверху. На фиг. 4 - то же, вид спереди. Аэродинамический нагреватель состоит из корпуса, который имеет заднюю часть, выполненную в виде планшайбы 1, и переднюю часть, выполненную в виде улитки 2. На центральном валу 3 привода 4 вращения установлено аэродинамическое колесо,представляющее собой два параллельных диска - покрывной 5 и несущий 6, при этом вал 3 соединен с приводом 4 вращения через ременную передачу - ручейковый ремень 1. Поверхность вала 3 выполнена зубцеобразной для взаимодействия с ручейковым ремнем 7. Между покрывным 5 и несущим 6 дисками аэродинамического колеса установлены по окружности входного отверстия рабочего колеса восемь лопаток 8 под углом 70-75 по отношению к диаметру входного отверстия, направленные в противоположную сторону от вращения колеса, для затягивания воздуха из окружающего пространства в аэродинамическое колесо через центральное входное отверстие 9 диаметром 190 мм, выполненное в улитке 2. Во входном отверстии 9 установлен цилиндрический стакан 10 с фланцем 11,выполненным на внешней стороне его внутреннего торца 12. Зазор между фланцем 11 и покрывным диском 5 аэродинамического колеса составляет от 3 мм при диаметре колеса 150 мм до 35 мм при диаметре колеса 600 мм. На наружном торце 13 цилиндрического стакана 10 установлен цилиндрический воздушный фильтр 14 для очистки заборного воздуха. Выходное отверстие 15 диаметром 190 мм для выхода нагретого воздуха также расположено в улитке 2. К выходному отверстию 15 снаружи присоединен сужающийся конусообразный стакан 16 с его выходным отверстием 17 диаметром 50 мм. Диаметр входного отверстия 9 превышает в 3-5 раз выходное отверстие 17 конусообразного сужающегося стакана 16. При этом привод 4 соединен с ПЧВ (преобразователь частоты векторный) 18. 3 102862014.08.30 Работает заявляемое устройство следующим образом. Вал 3 аэродинамического колеса приводится в движение приводом 4 вращения через ручейковый ремень 1. Мощность привода 4, в зависимости от необходимой мощности всего устройства, составляет 1,5 кВт/ч и выше. Лопатки 8 аэродинамического колеса затягивают воздух через фильтр 14 и входное отверстие 9, создавая в улитке 2 давление, так как весь втянутый воздух не имеет возможности выйти через выходное отверстие 17 конусообразного сужающегося стакана 16 вследствие его меньшего диаметра по сравнению с диаметром входного отверстия 9 аэродинамического нагревателя, и поэтому втянутый воздух совершает в улитке 2 круговое движение между покрывным 5 диском аэродинамического колеса и фланцем 11 цилиндрического стакана 30 с линейной скоростью более 200 м/с, за счет чего происходит уплотнение воздуха между этими деталями, то есть повышение его давления, и в связи с этим значительно увеличивается коэффициент трения воздуха о покрывной диск 5 аэродинамическою колеса и фланец 11 цилиндрического стакана 10, а также о внутреннюю поверхность улитки 2. За счет этого трения происходит нагревание втянутого воздуха. Далее нагретый воздух частично выходит через выходное отверстие 15, сужающийся конусообразный стакан 16 и его выходное отверстие 17, которое имеет в 3-5 раз меньший диаметр, чем входное отверстие 9 аэродинамического нагревателя. ПЧВ 18 управляет работой привода 4 и позволяет аэродинамическому нагревателю работать в автоматическом режиме с поддержанием заданной температуры при наименьшим потреблении электроэнергии. Путем испытаний была получена температура нагретого воздуха 176,4 С при использовании электрического двигателя мощностью 7,5 кВт/ч. При этом в течение часа было получено 6780 м 3 горячего воздуха с температурой 176,4 С. Судя по конструкции прототипа, можно утверждать, что КПД предлагаемого изобретения многократно превосходит КПД прототипа. Если сравнивать предлагаемую полезную модель с известным устройством для нагрева воздуха - тепловой пушкой 5, которая потребляет мощность 3-5 кВт и производит при этом 420 м 3 горячего воздуха в час, а температура воздуха на выходе из сопла тепловой пушки может достигать 130 С, то предлагаемый аэродинамический нагреватель воздуха при потреблении 5 кВт выдаст 5650 м 3 горячего воздуха в час с температурой 176,4 С. То есть у предлагаемой полезной модели при увеличении потребляемой мощности увеличивается и производительность, а именно повышаются и температура, и объем нагреваемого воздуха. Таким образом, у заявляемой полезной модели при том же потреблении электроэнергии объем получаемого горячего воздуха в час в 13,4 раза больше, чем у тепловой пушки(565042013,4). При этом температура нагреваемого воздуха у заявляемой полезной модели в 1,35 раз выше, чем у тепловой пушки (176,41301,35). То сеть КПД заявляемой полезной модели в 18 раз выше, чем у тепловой пушки (13,41,35). Расчетные данные в соответствии формулами, предлагаемыми в 4, показывают, что по нормам, принятым в настоящее время, для того чтобы нагреть воздух объемом 6780 м 3 с 20 до 80 С, то есть на 60 С при нормальном давлении распространенными нагревательными устройствами, необходимо затратить 134 кВт электрической энергии. Предлагаемая же полезная модель позволяет нагреть на 60 С тот же объем воздуха при потреблении всего лишь 6,5 кВт электроэнергии, т.е. более чем в 20 раз меньше, чем по существующим нормам, что значительно удешевляет процесс получения нагретого воздуха. Таким образом, предлагаемая полезная модель обладает многократно более высокими показателями КПД, температуры нагретого воздуха и получаемого объема нагретого воздуха при одновременном снижении потребления электроэнергии, а значит, и снижении материальных затрат на процесс нагревания воздуха. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5
Аэродинамический нагрев, нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе. А. н. - результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела.
Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью культур, торможение происходит прежде всего в ударной волне , возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в пограничном слое . При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т. е. температура газа вблизи поверхности движущегося тела повышается максимальная температура, до которой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т. н. температуре торможения:
T 0 = Т н + v 2 /2c p ,
где Т н - температура набегающего воздуха, v - скорость полёта тела, c p - удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении. Так, например, при полёте сверхзвукового самолёта с утроенной скоростью звука (около 1 км/ сек ) температура торможения составляет около 400°C, а при входе космического аппарата в атмосферу Земли с 1-й космической скоростью (8,1 км/сек ) температура торможения достигает 8000 °С. Если в первом случае при достаточно длительном полёте температура обшивки самолёта достигнет значений, близких к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры.
Из областей газа с повышенной температурой тепло передаётся движущемуся телу, происходит А. н. Существуют две формы А. н. - конвективная и радиационная. Конвективный нагрев - следствие передачи тепла из внешней, «горячей» части пограничного слоя к поверхности тела. Количественно конвективный тепловой поток определяют из соотношения
q k = а (Т е -Т w),
где T e - равновесная температура (предельная температура, до которой могла бы нагреться поверхность тела, если бы не было отвода энергии), T w - реальная температура поверхности, a - коэффициент конвективного теплообмена, зависящий от скорости и высоты полёта, формы и размеров тела, а также от других факторов. Равновесная температура близка к температуре торможения. Вид зависимости коэффициента а от перечисленных параметров определяется режимом течения в пограничном слое (ламинарный или турбулентный). В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. Это связано с тем обстоятельством, что, помимо молекулярной теплопроводности, существенную роль в переносе энергии начинают играть турбулентные пульсации скорости в пограничном слое.
С повышением скорости полёта температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и ионизация молекул. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область - к поверхности тела. Там происходит обратная реакция (рекомбинация ), идущая с выделением тепла. Это даёт дополнительный вклад в конвективный А. н.
При достижении скорости полёта порядка 5000 м/сек температура за ударной волной достигает значений, при которых газ начинает излучать. Вследствие лучистого переноса энергии из областей с повышенной температурой к поверхности тела происходит радиационный нагрев. При этом наибольшую роль играет излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой космической (8,1 км/сек ) радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным. При второй космической скорости (11,2 км/сек ) их значения становятся близкими, а при скоростях полёта 13-15 км/сек и выше, соответствующих возвращению на Землю после полётов к другим планетам, основной вклад вносит уже радиационный нагрев.
Частным случаем А. н. является нагрев тел, движущихся в верхних слоях атмосферы, где режим обтекания является свободномолекулярным, т. е. длина свободного пробега молекул воздуха соизмерима или даже превышает размеры тела (подробнее см. Аэродинамика разреженных газов ).
Особо важную роль А. н. играет при возвращении в атмосферу Земли космических аппаратов (например, «Восток», «Восход», «Союз»). Для борьбы с А. н. космические аппараты оснащаются специальными системами теплозащиты .
Лит.: Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике, М., 1960; Дорренс У. Х., Гиперзвуковые течения вязкого газа, пер. с англ., М., 1966; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966.
Н. А. Анфимов.
Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978
Нагрев поверхности ракеты во время ее движения в плотных слоях атмосферы с большой скоростью. А.н. – результат того, что налетающие на ракету молекулы воздуха тормозятся вблизи ее корпуса. При этом происходит переход кинетической энергии относительного движения частиц воздуха в тепловую.
Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью, торможение происходит, прежде всего, в ударной волне, возникающей перед носовым обтекателем ракеты. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности ракеты, в т.н. пограничном слое. При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т.е. температура газа вблизи поверхности повышается. Максимальная температура, до которой может нагреться газ в пограничном слое движущейся ракеты, близка к т. н. температуре торможения: T0 = Тн + v2/2cp, где Тн – температура набегающего воздуха; v – скорость полёта ракеты; cp - удельная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.
Из областей газа с повышенной температурой тепло передаётся движущейся ракете, происходит ее А.н. Существуют две формы А.н. – конвективная и радиационная. Конвективный нагрев – следствие передачи тепла из внешней, «горячей» части пограничного слоя к корпусу ракеты. Количественно удельный конвективный тепловой поток определяют из соотношения: qk = ? (Те - Тw), где Te – равновесная температура (температура восстановления – предельная температура, до которой могла бы нагреться поверхность ракеты, если бы не было отвода энергии); Tw – реальная температура поверхности; ? – коэффициент теплоотдачи конвективного теплообмена, зависящий от скорости и высоты полёта, формы и размеров ракеты, а также от других факторов.
Равновесная температура близка к температуре торможения. Вид зависимости коэффициента? от перечисленных параметров определяется режимом течения в пограничном слое (ламинарный или турбулентный). В случае турбулентного течения конвективный нагрев становится интенсивнее. Это связано с тем обстоятельством, что, помимо молекулярной теплопроводности, существенную роль в переносе энергии начинают играть турбулентные пульсации скорости в пограничном слое.
С повышением скорости полёта температура воздуха за ударной волной и в пограничном слое возрастает, в результате чего происходит диссоциация и ионизация молекул. Образующиеся при этом атомы, ионы и электроны диффундируют в более холодную область – к поверхности тела. Там происходит обратная реакция (рекомбинация), идущая также с выделением тепла. Это даёт дополнительный вклад в конвективный аэродинамический нагрев.
При достижении скорости полёта порядка 5 км/сек температура за ударной волной достигает значений, при которых воздух начинает излучать. Вследствие лучистого переноса энергии из областей с повышенной температурой к поверхности ракеты происходит ее радиационный нагрев. При этом наибольшую роль играет излучение в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. При полёте в атмосфере Земли со скоростями ниже первой космической скорости (8,1 км/сек) радиационный нагрев мал по сравнению с конвективным. При второй космической скорости (11,2 км/сек) их значения становятся близкими, а при скоростях полёта 13-15 км/сек и выше, соответствующих возвращению на Землю, основной вклад вносит уже радиационный нагрев, его интенсивность определяется удельным радиационным (лучистым) тепловым потоком: qл = ? ?0 Те4, где? – степень черноты корпуса ракеты; ?0 =5,67.10-8 Вт/(м2.К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Частным случаем А.н. является нагрев ракеты, движущейся в верхних слоях атмосферы, где режим обтекания является свободномолекулярным, т. е. длина свободного пробега молекул воздуха соизмерима или даже превышает размеры ракеты.
Особо важную роль А.н. играет при возвращении в атмосферу Земли космических аппаратов и боевого оснащения управляемых баллистических ракет. Для борьбы с А.н. космические аппараты и элементы боевого оснащения снабжаются специальными системами теплозащиты.
Лит.: Львов А.И. Конструкция, прочность и расчет систем ракет. Учебное пособие. – М.: Военная академия им. Ф.Э.Дзержинского, 1980; Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. – М., 1960; Дорренс У.Х., Гиперзвуковые течения вязкого газа. Пер. с англ. – М., 1966; Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд. - М., 1966.
