тепловой аккумулятор для нагрева газа

Формула изобретения

1. Тепловой аккумулятор для нагрева газа, содержащий корпус, теплоаккумулирующий элемент, патрубки входа и выхода газа, теплоизоляцию, электрический нагреватель с токоподводами, отличающийся тем, что теплоаккумулирующий элемент выполнен в виде моноблока в форме цилиндра, в торцах которого утоплены крышки с патрубками, причем крышки стыкуются с цилиндром по коническим поверхностям через герметизирующие торцевые уплотнители, образуя коллекторы для входа и выхода газа, вдоль продольной оси цилиндра расположены плоский электрический нагреватель и каналы или кольцевая щель для прохода газа, а ось расположения каналов или кольцевой щели делит массу теплоаккумулирующего элемента на две равные части, при этом в каналах или кольцевой щели размещена пористая вставка или набор плохообтекаемых тел, кроме того, все узлы теплового аккумулятора покрыты защитным газоплотным материалом.

2. Тепловой аккумулятор для нагрева газа по п.1, отличающийся тем, что теплоаккумулирующий элемент и электрический нагреватель выполнены из мелкокристаллического высокоплотного графита, крышки - из углерод-углеродного композиционного материала, а в качестве материала торцевых уплотнителей используется высокотемпературный пластичный графит.

3. Тепловой аккумулятор для нагрева газа по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного газоплотного материала для покрытия узлов теплового аккумулятора используется карбид кремния или нитрид циркония.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к высокотемпературным электронагревательным устройствам для нагрева газа и может быть использовано в космической технике для нагрева компонентов топлива в ракетах и космических двигателях, в самолетостроении и других отраслях промышленности.

Известен кауперный электронагреватель газов [1], содержащий корпус с патрубками входа и выхода, в котором размещены теплоаккумулирующая насадка и элементы ее разогрева, предназначенный для периодического нагрева порций газа за счет тепла, аккумулированного в процессе предварительного разогрева насадки. Недостатком известного электронагревателя является низкая эффективность теплопередачи вследствие ограниченной поверхности теплосъема, обусловленной формой насадки, выполненной в виде параллельных плоских стен.

Более простым и эффективным является принятый за прототип нагреватель газа регенеративного типа [2], содержащий корпус с футеровкой, теплоаккумулирующую насадку из газопроницаемого материала, расположенную в трубе, внутренняя поверхность футеровки выполнена с вертикальными пазами для установки в них электронагревательных элементов.

В известном устройстве обеспечена максимально развитая поверхность теплосъема, высокий объемный коэффициент теплоотдачи. Вместе с тем использование теплоаккумулирующей насадки требует больших габаритов для ее размещения из-за низкой плотности (пористый слой), что приводит к увеличению массы конструкции и увеличенным тепловым потерям через футеровку и корпус.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности нагрева газа, снижения массы конструкции, уменьшения габаритов и снижения тепловых и гидравлических потерь подогреваемого газа.

Для достижения этого технического результата в тепловом аккумуляторе для нагрева газа, содержащем корпус, теплоаккумулирующий элемент, патрубки входа и выхода газа, теплоизоляцию, электрический нагреватель с токоподводами, теплоаккумулирующий элемент выполнен в виде моноблока в форме цилиндра, в торцах которого утоплены крышки с патрубками, причем крышки стыкуются с цилиндром по коническим поверхностям через герметизирующие торцевые уплотнители, образуя коллекторы для входа и выхода газа, вдоль продольной оси цилиндра расположен плоский электрический нагреватель и каналы или кольцевая щель для прохода газа, а ось расположения каналов или кольцевой щели делит массу теплоаккумулирующего элемента на две равные части, при этом в каналах или кольцевой щели размещена пористая вставка или набор плохообтекаемых тел, кроме того все узлы теплового аккумулятора покрыты газоплотным материалом.

В качестве материала для изготовления теплоаккумулирующего элемента и электрического нагревателя может быть использован мелкокристаллический высокоплотный графит, для изготовления крышек - углерод-углеродный композиционный материал, для торцевых уплотнителей - высокотемпературный пластичный графит, а в качестве защитного газоплотного материала для покрытия узлов теплового аккумулятора - карбид кремния или нитрид циркония.

Достижение вышеизложенных технических результатов обеспечивается тем, что использование теплоаккумулирующего элемента в виде моноблока уменьшает габариты аккумулятора, а использование утопленных крышек уменьшает тепловые потери в радиальном направлении, при этом стыковка крышек с теплоаккумуляторным элементом по коническим поверхностям через герметизирующие торцевые уплотнители обеспечивает герметичность стыков на всех режимах работы теплового аккумулятора и уменьшает тепловые потери за счет исключения утечек нагреваемого газа. Формирование коллекторов для входа и выхода газов уплотненными крышками приводит к уменьшению габаритов теплового аккумулятора. Плоский электрический нагреватель позволяет обеспечить необходимый уровень тепловыделения при уменьшенных габаритах. Использование каналов или кольцевой щели с размещенной пористой вставкой или набором плохообтекаемых тел улучшает теплоподвод к нагреваемому газу, а деление массы теплоаккумулирующего блока на две равные части повышает эффективность подогрева газа за счет равномерного теплоподвода по смачиваемому периметру канала или щели. Мелкокристаллический высокоплотный графит, предлагаемый для изготовления теплоаккумулирующего элемента и электрического нагревателя, обеспечивает большой запас тепла в режиме разогрева теплоаккумулирующего элемента при малых габаритах. Использование крышек из углерод-углеродных материалов, обладающих анизотропией физических свойств, уменьшает тепловые потери по торцам теплоаккумулирующего элемента. Использование для торцевых уплотнителей высокотемпературного пластичного графита позволяет нагревать теплоаккумулирующий элемент до высокой температуры, тем самым увеличивая температуру нагреваемого газа и, соответственно, тепловую эффективность теплового аккумулятора. Для исключения износа и образования примесей все узлы теплового аккумулятора защищаются газоплотным покрытием из карбида кремния или нитрида циркония в зависимости от рабочей температуры теплоаккумулирующего элемента.

На чертеже приведена конструкция предлагаемого теплового аккумулятора для нагрева газа.

Тепловой аккумулятор содержит корпус 1, крышки 2, 3 с патрубками входа и выхода газа, теплоаккумулирующий элемент 4, отделенный от корпуса 1 со всех сторон теплоизоляцией 5, плоский электрический нагреватель 6 с токоподводами 7, которые через электроизоляционные втулки 8 выведены из теплоаккумулирующего элемента, канала или кольцевую щель 9 для прохода газа, коллекторы 10 - входной, 11 - выходной, образованные соответственно крышками 2, 3 и цилиндром теплоаккумулирующего элемента по коническим контактным поверхностям, пористую вставку или набор плохообтекаемых тел 12. Для удобства монтажа нагреватель собирается как автономный блок, а затем устанавливается в цилиндр аккумулирующего элемента.

Тепловой аккумулятор для нагрева газа работает следующим образом. Перед подачей газа включается плоский электрический нагреватель 6, осуществляющий нагрев теплоаккумулирующего элемента 4 до необходимой температуры. Затем нагреватель 6 отключают и подают холодный газ через патрубок в крышке 2 в коллекторную полость 10 и далее в каналы или кольцевую щель 9, в которых размещена пористая вставка или набор плохообтекаемых тел 12. При этом газ нагревается и собирается в выходном коллекторе 11 и через патрубок на крышке 3 подается потребителю.

Предлагаемый тепловой аккумулятор изготовлен и прошел испытания, показав достаточно высокую эффективность при малых габаритах.

Используемая литература

1. Авторское свидетельство СССР N 431649, 05.06.74.

2. Авторское свидетельство СССР N 481143, 15.08.75.