ОТКРЫТАЯ ЗАМКНУТАЯ ПАРОВАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ РАБОТЫ Российский патент 1995 года по МПК F24D1/00 

Изобретение относится к отопительной технике, преимущественно к разделу отопления помещений с некруглосуточным режимом работы.

При удаленности помещений (зданий) от источников центрального теплоснабжения для их отопления применяются или электроприборы, или печи с использованием какого-либо топлива. Такие нагревательные приборы с неограниченной теплоносителем верхней температурой поверхности обладают повышенной пожароопасностью, имея небольшую поверхность нагрева, не способны быстро и равномерно прогреть помещение, требуют подвода первичной энергии или топлива в каждую комнату помещения.

Наилучший тепловой режим в помещениях при значительном снижении пожароопасности создается при применении центрального водяного или пароводяного отопления с температурой теплоносителя не выше 100^оС. Системы центрального отопления сравнительно дешевы, просты в монтаже и обслуживании.

Но использование общеизвестных водяных и пароводяных систем для отопления помещений с некруглосуточным режимом работы ведет к нерациональному расходу топлива (энергии) для отопления помещения при отсутствии в нем людей. Отключение же нагревателя системы от источника энергии при минусовой температуре окружающего воздуха без слива из системы теплофикационной воды связано с риском разрушения элементов системы замерзающей в них водой и с трудностью запуска охлажденной системы в работу.

Практически разрушению подвергается любая конструкция их хрупкого материала, содержащая замкнутый объем с водой при температуре ее замерзания. Этот замкнутый объем с замерзающей водой может образоваться в узле или на участке трубопровода, ограниченном или закрытыми задвижками, или ранее образовавшимися ледяными пробками, для выталкивания которых требуется усилия больше, чем может выдержать конструкция данного узла или трубопровода.

Открытая центральная паровая система отопления с самотечным возвратом конденсата и сухим конденсатопроводом, сравнительно с другими вариантами исполнения открытых паровых и водяных систем имеет минимум узлов и трубопроводов, могущих выйти из строя при замерзании в них воды. Она состоит из парового котла с нагревателем, паровой магистрали, отопительных приборов, вертикального конденсационного стояка, верхнее воздушное пространство которого сообщено с атмосферой, и конденсатопровода, наклонного в его сторону.

При выключенном нагревателе, т.е. когда появляется вероятность замерзания воды, отопительные приборы и трубы разводки этой системы воды не содержат. Вся теплофикационная вода сливается в котел и конденсационный стояк, соединенные между собой в нижней части горизонтальным трубопроводом, доверху заполненным водой.

Эти три элемента системы котел, вертикальный конденсационный стояк и соединяющий их горизонтальный трубопровод и могут разрушиться при замерзании в них воды. Кроме того, при частом отключении нагревателя от источника энергии и охлаждении системы до минусовой температуры увеличивается риск переохлаждения стекающего конденсата, образования в наклонных трубопроводах ледяных пробок и соответственно выхода из строя всей системы.

Отсутствие в конце отопительной системы устройства, свободно выпускающего в атмосферу воздух, не содержащий влаги, и препятствующего выходу водяных паров, может привести к быстрой потере системой теплофикационной воды, т.е. создает проблему изыскания воды в условиях минусовых температур окружающего воздуха. Большая тепловая инерционность системы не дает возможность быстро прогреть промерзшее помещение.

Целью изобретения является повышение надежности работы открытой пароводяной системы отопления с самотечным возвратом конденсата и сухим конденсатопроводом в условиях минусовых температур окружающего воздуха при отоплении помещений с некруглосуточным режимом работы, т.е. получение возможности не тратить энергию (топливо) на отопление помещения в нерабочее время.

Для достижения цели решаются конкретные конструктивные задачи: устранение протяженных горизонтальных и вертикальных участков трубопроводов, доверху заполненных водой при выключенном нагревателе, снижение инерционности системы, устранение (вариант снижение) потерь паров теплоносителя через открытое в атмосферу отверстие, устранение возможности образования ледяных пробок в элементах системы.

Первая и частично вторая задачи решаются сокращением длины трубопровода, соединяющего котел и конденсационный стояк, до толщины разделяющей их перегородки, и выполнением котла и конденсационного стояка в виде горизонтальных емкостей, частично заполненных водой, имея в виду, что ограниченный участок горизонтального трубопровода, заполненный водой частично, имеющий в верхней части соединенный с атмосферой газовый объем более 0,1 содержащегося объема воды, с несужающимися кверху боковыми стенками, способными выдержать изнутри давление 30-40 кгс/см², разрушиться при замерзании в нем воды не может, так как лед при таком давлении разрушается и дополнительно появляющийся его объем заполняет верхнее газовое пространство. Лед, образующийся под перегородкой, вынужден, разрушаясь, расширяться за счет вытеснения его излишков по обе стороны перегородки. Усилие, развиваемое при этом, при толщине перегородки, стремящейся к нулю, тоже стремится к нулю.

Вторая задача решается снижением количества теплофикационной воды в котле до минимума, определяемого ориентировочным расчетом или экспериментально по количеству ее, необходимому для заполнения насыщенным паром полостей всех теплоотдающих элементов системы, создания потока конденсата, достаточного для подпитки котла и с учетом снижения уровня воды в котле при заполнении системы паром. Снижение металлоемкости котла и конденсационного стояка достигается снижением прочности их стенок за счет рациональной конфигурации выполнения в виде расширяющихся кверху сосудов.

Третья задача решается установкой устройства обезвоживателя воздуха, вытесняемого из системы при заполнении ее паром. Это устройство не является предметом изобретения. О нем упоминается в журнале "Изобретатель и рационализатор", N 4, 1988, с.23). Для достижения цели предлагается еще вариант обезвоживателя, снижающий влагосодержание выходящего из системы воздуха, выполненный в виде охладителя влажного воздуха, в конденсационном стояке. Глубокое охлаждение конденсата и сопутствующего ему влажного воздуха в наклонном обратном трубопроводе недопустимо из-за риска образования в нем ледяной пробки. Охлаждение воздуха и конденсата в конденсационном стояке вплоть до замерзания воды в удаленном от перегородки районе не нарушает работоспособности системы.

Четвертая задача решается выполнением теплоотдающей части системы в виде петли из подающего и обратного трубопроводов повышенного сечения, соответствующего определению "сухой конденсатопровод", с расположением нагревательных приборов не в разрыве этой петли, а над одним из трубопроводов, а также применением импульсного циклического режима подачи насыщенного пара в теплоотдающие элементы системы, обеспечивающего быстрое их заполнение с последующим полным отключением нагревателя в котле. Минимальная мощность нагревателя при этом должна быть больше мощности, отбираемой внутренними стенками теплоотдающих полостей системы от вошедшего в них пара. Но так как для ускоренного запуска в работу охлажденной до минусовой температуры системы необходимо быстро расплавить лед в котел и нагреть до кипения воду, то наибольший эффект может быть получен при значительном (в принципе неограниченном) превышении мощности нагревателя над мощностью, отдаваемой системой окружающему воздуху.

Образование ледяных пробок в обратном, наклонном к конденсационному стояку трубопроводе невозможно при постоянном опережении паровоздушным фронтом стекающего потока конденсата или при достаточной передаче тепла от подающего к обратному трубопроводу, например, с помощью металлической связи. Невозможность образования ледяных пробок в обратном трубопроводе за счет медленного поступления в него пара из котла после выключения нагревателя гарантируется условием наличия в котле малого количества остывающей воды, сохранением тепла остывающими стенками трубопровода и применением достаточного его сечения, соответствующего определению "сухой конденсатопровод".

На фиг.1 изображена система отопления с обезвоживателем, полностью закрывающим проход влаги через открытое отверстие; на фиг.2 система с теплопередающей связью от подающего трубопровода к обратному; на фиг.3 система с охладителем выходящего из системы воздуха (конденсатором пара).

Система отопления содержит частично заполненные водой котел 1 и конденсационный стояк 2, выполненные в виде секций горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой 3 с отверстием 4, нагреватель 5, теплоотдающую часть отопительной системы, выполненную в виде петли из подающего 6 и обратного 7 трубопроводов, наклонных соответственно в сторону секции-котла и секции-конденсационного стояка, с металлической связью 8 между ними, с установленными над одним из трубопроводов нагревательными приборами 9, датчик 10, установленный в нижнем конце обратного трубопровода 7, фиксирующий момент заполнения трубопроводов 6 и 7 насыщенным паром по изменению заданных температуры или влажности внутренней газовой среды, проходящей в месте его установки, и дающий команду на включение или отключение нагревателя 5, обезвоживатель 11 выходящего из системы воздуха, отверстие 12, сообщающее газовое пространство секции конденсационного стояка с атмосферой, переливное отверстие 13, ограничивающее верхний допустимый уровень воды в горизонтальной емкости и расположенное в удаленной от конца обратного трубопровода стенке секции конденсационного стояка, и крышку 14 к переливному отверстию.

В третьем варианте системы (фиг.3) отверстие одно. Обезвоживатель выходящего из системы воздуха выполнен в виде конденсатора пара в воздушном пространстве секции конденсационного стояка и состоит из полости с охлаждаемыми наружными стенками в верхней части этой секции. Причем конец обратного трубопровода 7 врезан в ближайшую к перегородке 3 стенку конденсатора.

Система работает следующим образом.

Емкость 1, 2 заполняется водой до низа отверстия 13, которая при выключенном нагревателе и минусовой температуре окружающего воздуха превращается в лед, включается схема автоматического управления, и при отклонении параметров газовой среды внутри трубопровода 7 в месте установки датчика 10 ниже заданных датчик 10 включает нагреватель 5 секции-котла. Лед в этой секции плавится, вода нагревается до кипения, и образующийся насыщенный пар начинает заполнять трубопровод 6. Конденсат при этом стекает в секцию с нагревателем.

Затем не успевший сконденсироваться в трубопроводе 6 пар вытесняет холодный воздух из трубопровода 7, и паровоздушный фронт приближается к датчику 10, который фиксирует заполнение паром прямого и обратного трубопроводов и отключает нагреватель 5. Пар в трубопроводах конденсируется, горячий конденсат из трубопровода 7 стекает в секцию-конденсационный стояк и плавит возможно сохранившийся лед у перегородки 3, избыточное давление в трубопроводах сменяется разрежением, и через отверстие 12 в систему начинает поступать атмосферный воздух, вытесняя не успевший сконденсироваться пар вверх по трубопроводу 7. Датчик 10 реагирует на приход газовой среды с нижними заданными параметрами и включает нагреватель 5.

Второй цикл работы системы, как и все последующие, отличается от первого отсутствием операции плавления льда и ускорением прогрева трубопроводов. Время работы нагревателя при повышении температуры воздуха в помещении с каждым следующим циклом уменьшается.

При использовании в качестве обезвоживателя конденсатора пара в секции конденсационном стояке по фиг.3 стекающий из трубопровода 7 горячий конденсат нагревает вертикальную стенку конденсатора и вызывает появление восходящего потока воздуха вдоль этой стенки. Начавшаяся после первого цикла работы нагревателя естественная циркуляция воздуха в полости конденсатора продолжается до полного выравнивания температуры во всех точках этой полости независимо от того, работает нагреватель или нет.

Из справочников по сантехнике не известны варианты открытой морозоустойчивой системы отопления, поэтому предлагаемый вариант системы имеет очевидные преимущества, создавая возможность снижения расхода энергии (топлива) при некруглосуточной работе в помещении. Замена пожароопасных нагревательных приборов на предлагаемые центральные паровые системы повышает комфорт в помещениях и дает экономию за счет их сохранности.

Сущность изобретения: паровой котел и конденсационный стояк выполнены в виде секций горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой, соединяющий их трубопровод (ТР) выполнен в виде отверстия в нижней части перегородки. Обезвоживатель выходящего из системы воздуха установлен в верхней части секции конденсационного стояка. Переливное отверстие размещено в боковой стенке секции выше отверстия в перегородке и с возможностью ограничения уровня воды в горизонтальной емкости. Теплоотдающая часть системы выполнена в виде петли из подающего и обратного ТП, наклонных соответственно в сторону секции-котла и секции конденсационного стояка с установленными над одним из ТП нагревательными приборами. Датчики температуры или влажности укреплены в конце обратного ТП, нагреватель секции - парового котла изготовлен тепловой мощностью, многократно превышающей тепловую мощность, отдаваемую системой отопления. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Открытая замкнутая паровая система отопления, содержащая паровой котел с нагревателем, теплоотдающую часть системы с самотечным возвратом конденсата и сухим конденсатопроводом и кондесационный стояк с отверстием вверху, соединенный внизу трубопроводом с паровым котлом, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит обезвоживатель выходящего из системы воздуха, вертикальную перегородку, датчик температуры или влажности и переливное отверстие, при этом паровой котел и конденсационный стояк выполнены в виде секций горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой, а соединяющий их трубопровод выполнен в виде отверстия в нижней части перегородки, обезвоживатель выходящего из системы воздуха установлен в верхней части секции конденсационного стояка, переливное отверстие размещено в боковой стенке последней выше отверстия в перегородке и с возможностью ограничения уровня воды в горизонтальной емкости, теплоотдающая часть системы выполнена в виде петли из подающего и обратного трубопроводов, наклонных соответственно в сторону секции котла и секции конденсационного стояка с установленными над одним из трубопроводов нагревательными приборами, датчик температуры или влажности укреплен в конце обратного трубопровода, нагреватель секции парового котла изготовлен тепловой мощностью многократно превышающей тепловую мощность, отдаваемую системой отопления. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что нагреватель секции парового котла изготовлен мощностью большей, чем тепловая мощность, отдаваемая системой отопления, а от подающего к обратному трубопроводу смонтирована теплопередающая металлическая связь. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что обезвоживатель выходящего из системы воздуха выполнен в виде конденсатора паров в секции - конденсационном стояке с возможностью организации в нем естественной замкнутой циркуляции паровоздушной смеси, при этом переливное отверстие находится в удаленной от конца обратного трубопровода боковой стенке этой секции. 4. Способ циклической работы открытой замкнутой паровой системы отопления, включающей паровой котел с нагревателем и конденсационный стояк с переливным отверстием, выполненные в виде секций горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой с отверстием внизу, теплоотдающую часть системы, выполненную в виде петли из подающего и обратного трубопроводов, наклонных в сторону горизонтальной емкости, с установленными над одним из них нагревательными приборами, обезвоживатель выходящего из системы воздуха в секции конденсационном стояке и датчик температуры или влажности, укрепленный в конце обратного трубопровода, отличающийся тем, что систему включают в работу и поддерживают ее в рабочем состоянии до подхода паровоздушной смеси с верхними заданными параметрами к месту установки датчика температуры или влажности, а затем систему отключают и поддерживают ее в этом состоянии до подхода к месту установки указанного датчика паровоздушной смеси с нижними заданными параметрами, после чего процесс включения системы повторяют.