ОТКРЫТАЯ ЗАМКНУТАЯ ПАРОВАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ Российский патент 1996 года по МПК F24D1/00 

Изобретение относится к области отопительной техники и 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 приборы и печи с неограниченной теплоносителем верхней температурой поверхности обладают повышенной пожароопасностью. Имея небольшую поверхность нагрева, они не способны быстро и равномерно прогреть все помещение, требуют подвода первичной энергии или топлива в каждую его комнату.

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

Но использование общеизвестных водяных и пароводяных систем для отопления помещений с некруглосуточным пребыванием в них людей ведет к нерациональному расходу топлива (энергии) в нерабочее время. Отключение нагревателя котла от источника энергии при минусовой температуре окружающего воздуха без слива из системы теплофикационной воды связано с риском разрушения конструкции замерзающей в ней водой и трудностью запуска охлажденной системы в работу. Практически разрушению подвергается любая конструкция из хрупкого материала, содержащая замкнутый объем с замерзающей водой. Этот замкнутый объем может образоваться в узле или на участке трубопровода, ограниченном или закрытыми задвижками или ранее образовавшимися ледяными пробками, для выталкивания которых требуется усилие больше, чем может выдержать конструкция данного узла или трубопровода.

Открытая центральная замкнутая паровая система отопления с самотечным возвратом конденсата и сухим конденсатопроводом ("Справочник прораба-сантехника", изд. "Будивельник", Киев, 1975 с. 199, рис. 61) сравнительно с другими вариантами исполнения открытых паровых систем имеет минимум узлов и трубопроводов, которые могут выйти из строя при замерзании в них воды.

Она состоит из парового котла с нагревателем, паровой магистрали, отопительных приборов, вертикального конденсационного стояка, соединенного внизу с котлом трубопроводом, доверху заполненным водой, верхнее воздушное пространство которого сообщено отверстием с атмосферой, и конденсатопровода, который наклонен в сторону конденсационного стояка.

При выключенном нагревателе, т.е. когда появляется вероятность замерзания воды, отопительные приборы и трубы разводки этой системы воды не содержат, вся она сливается в котел и конденсационный стояк с соединяющим их трубопроводом.

Вот эти 3 элемента системы котел, вертикальный конденсационный стояк и соединяющий их трубопровод и могут разрушиться при замерзании в них воды.

Кроме того, при частом отключении системы от источника энергии и охлаждении ее до минусовой температуры увеличивается риск переохлаждения стекающего конденсата, образования в наклонных трубопроводах и нагревательных приборах ледяных пробок и выхода из строя всей системы. Этому способствует и включение нагревательных приборов в разрыв петли, образованной магистральным паропроводом и конденсатопроводом, т.к. повышенное гидравлическое сопротивление приборов и их повышенная теплоотдача создают замедление при прогреве системы паром.

Отсутствие в конце отопительной системы устройства, свободно выпускающего из системы 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 настоящего 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 помещений в нерабочее время.

Для достижения этой цели решаются конкретные конструктивные задачи:
1. Устранение протяженных горизонтальных участков трубопроводов, доверху заполненных водой, и вертикальных емкостей с водой.

2. Снижение инерционности системы.

3. Устранение (снижение) потерь паров теплоносителя через открытое в атмосферу отверстие в конденсационном стояке.

4. Устранение возможности образования ледяных пробок в конструкции системы при прохождении пара от котла до конденсационного стояка.

Первая и частично вторая задача решаются выполнением котла и конденсационного стояка с соединяющим их внизу трубопроводом в виде секций горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой с отверстием внизу у дна емкости, с переливным отверстием в боковой стенке емкости, ограничивающим верхний допустимый уровень воды в секциях, имея ввиду, что горизонтальная емкость, частично заполненная водой, имеющая 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 ней воды не может, т.к. лед при таком давлении разрушается и дополнительно появляющийся его объем будет заполнять 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 будет стремиться к нулю.

Вторая задача решается также снижением количества теплофикационной воды в секции-котле до минимума, определяемого по количеству ее, необходимому для заполнения насыщенным паром полостей всех теплоотдающих элементов системы и создания потока конденсата, достаточного для подпитки секции-котла. Для предупреждения перехода горячей воды из этой секции в секцию конденсационный стояк отверстие в перегородке снабжается клапаном, свободно открывающимся в сторону секции-котла и не пропускающим воду обратно. Снижение металлоемкости устройства достигается уменьшением толщины боковых стенок секций при сохранении устойчивости к разрушению льдом изнутри за счет рациональной конструкции секций 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.

Для достижения заявленной цели предлагается вариант обезвоживателя, снижающий влагосодержание выходящего из системы воздуха, выполненный в виде охладителя воздуха в секции-конденсационном стояке, т.е. в виде конденсатора пара, поступающего с паровоздушной смесью из конца обратного трубопровода и образующегося на месте при испарении сливающегося горячего конденсата. Глубокое охлаждение конденсата в наклонном обратном трубопроводе недопустимо из-за риска образования в нем ледяной пробки. Охлаждение воздуха и конденсата в секции-конденсационном стояке вплоть до замерзания воды в удаленном от перегородки районе не нарушит работоспособности системы.

Четвертая задача решается выполнением теплоотдающей части системы в виде подающего и обратного трубопроводов повышенного сечения (способного свободно пропускать встречные потоки пара и конденсата), которые наклонены соответственно в сторону секции-котла и секции-конденсационного стояка и соединенных в наиболее удаленной от этих секций точке, с нагревательными приборами, устанавливаемыми не в разрыве этих трубопроводов, а над одним из них. Перемещение теплоносителя в приборах происходит за счет гравитации, а не перепада давления. Задача решается также применением циклического режима работы нагревателя котла.

В подающем трубопроводе, который наклонен в сторону секции-котла, ледяная пробка образоваться не может и при небольшом превышении мощности, отдаваемом паром, над мощностью, отдаваемой системой окружающему воздуху. В обратном трубопроводе, который наклонен в сторону секции-конденсационного стояка, при охлаждении стенок трубопровода до минусовой температуры и отставании горячей паровоздушной среды от потока стекающего конденсата его переохлаждение и образование ледяной пробки вполне возможно. Пробка там может образоваться и при раннем отключении нагревателя, когда горячая среда еще не дошла до конца обратного трубопровода, конденсация паров в трубопроводах создала разряжение в них и из отверстия в секции-конденсационном стояке в обратный трубопровод стал поступать воздух с минусовой температурой, охлаждая встречный поток стекающего по нему конденсата.

Для предотвращения переохлаждения конденсата необходимо заполнять теплоотдающую часть системы паром с такой интенсивностью, чтобы горячая паровоздушная смесь постоянно опережала поток стекающего конденсата или выполнить теплопередачу от подающего к обратному трубопроводу.

В любом случае мощность нагревателя в секции-котле должна быть больше тепловой мощности, отдаваемой системой отопления окружающему воздуху, и при подходе горячей паровоздушной смеси к нижнему концу обратного трубопровода нагреватель секции-котла отключать, но не ранее этого момента.

Теплопередача осуществляется или расположением обратного трубопровода непосредственно над подающим или путем образования между трубопроводами металлической связи.

В этом случае предпочтительна установка в нижнем конце обратного трубопровода датчика, реагирующего на изменение влажности, а не температуры газообразной среды внутри трубопровода.

Для ускоренного запуска в работу охлажденной до минусовой температуры системы необходимо быстро расплавить лед в секции с нагревателем и нагреть до кипения воду. Поэтому наибольший эффект может быть получен при многократном (неограниченном) превышении мощности нагревателя над мощностью, отдаваемой системой окружающему воздуху.

На фиг.1 изображен вариант системы с обезвоживателем, полностью закрывающим проход влаги через открытое в атмосферу отверстие; фиг.2 вариант системы с таким же обезвоживателем и с теплопередающей металлической связью между подающим и обратным трубопроводами; фиг.3 вариант системы с охладителем воздуха (конденсатором пара) в секции-конденсационном стояке.

Система отопления содержит частично заполненные водой секцию-котел 1 и секцию-конденсационный стояк 2, выполненные в виде горизонтальной емкости 1
2, разделенной вертикальной перегородкой 3 с отверстием 4 у дна емкости и клапаном 5, открывающимся в сторону секции-котла, нагреватель 6, теплоотдающую часть системы с подающим 7 и обратным 8 трубопроводами повышенного сечения, которые наклонены соответственно в сторону секции-котла и секции-конденсационного стояка и (вариант) металлической связью 9 между ними с установленными над одним из трубопроводов нагревательными приборами 10, датчик 11, установленный в нижнем конце обратного трубопровода 8, фиксирующий момент заполнения трубопроводов 7 и 8 насыщенным паром и дающий команду на включение или отключение нагревателя 6, обезвоживатель выходящего из системы воздуха 12, отверстие 13, сообщающее газовое пространство секции-конденсационного стояка с атмосферой, переливное отверстие 14, ограничивающее верхний допустимый уровень воды в секциях и крышку к нему 15.

Переливное отверстие может быть и в боковой стенке секции-котла, открывающееся только во время заполнения секций водой.

В третьем варианте системы отверстие в боковой стенке секции-конденсационного стояка может быть одно. Обезвоживатель выходящего из системы воздуха 12 на фиг.3 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 8 врезан в ближайшую к перегородке 3 стенку конденсатора.

Система работает следующим образом.

Секции 1 2 заполняются водой до низа отверстия 14, которая при выключенном нагревателе и минусовой температуре окружающего воздуха превращается в лед, включается схема автоматического управления и при отклонении параметров газовой среды внутри трубопровода 8 в месте установки датчика 11 ниже заданных, последний включает нагреватель секции-котла 6. Лед в этой секции правится, вода нагревается до кипения и образующийся насыщенный пар начинает заполнять трубопровод 7. Конденсат при этом стекает обратно в секцию-котел. Затем пар вытесняет холодный воздух из трубопровода 8 и паровоздушный фронт приближается к датчику 11, который отключает нагреватель 6. Пар в трубопроводах конденсируется, горячий конденсат из трубопровода 8 стекает в секцию-конденсационный стояк и плавит возможно сохранившийся лед у перегородки 3, избыточное давление в трубопроводах сменяется разряжением и через отверстие 13 в систему начинает поступать атмосферный воздух, вытесняя не успевший сконденсироваться пар вверх по трубопроводу 8. Датчик 11 реагирует на приход газовой среды с нижними заданными параметрами и включает нагреватель 6.

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 8 горячий конденсат нагревает вертикальную стенку конденсатора и вызывает появление восходящего потока воздуха вдоль этой стенки. Начавшаяся после I-го цикла работы нагревателя естественная циркуляции воздуха в полости конденсатора продолжается до полного выравнивания температуры во всех точках внутреннего пространства секции конденсационного стояка независимо от того, работает нагреватель или нет.

Из информации МКИ F 24 D и справочников по сантехнике заявителю 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 же 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. Клапан в отверстии нижней части перегородки открывается в сторону котла. Обезвоживатель выходящего воздуха установлен в верхней части стояка. Переливное отверстие размещено в боковой стенке стояка выше отверстия в перегородке и с возможностью ограничения необходимого верхнего уровня воды в секциях. Теплоотводящая часть выполнена в виде подающего и обратного трубопроводов (ТП), которые наклонены соответственно в сторону котла и стояка и соединены между собой в наиболее удаленной от обеих секций точке с установленными над одним ТП нагревательными приборами. Датчик температуры или влажности укреплен в нижнем конце обратного ТП. Нагреватель 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 самоточным возвратом конденсата и сухим конденсатопроводом и конденсационный стояк с отверстием вверху и соединенный внизу трубопроводом с паровым котлом, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит обезвоживатель выходящего из системы воздуха, вертикальную перегородку, клапан, датчик температуры или влажности газообразной среды внутри трубопровода 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 внизу этой перегородки с клапаном, открывающимся в сторону секции-котла, 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 необходимого верхнего уровня в секциях, теплоотдающая часть системы выполнена в виде подающего и обратного трубопроводов, наклонных соответственно в сторону секции-котла и секции-конденсационного стояка и соединенных между собой в наиболее удаленной от обеих секций точке с установленными над одним из трубопроводов нагревательными приборами, датчик температуры или влажности укреплен в нижнем конце обратного трубопровода, нагреватель секции-парового котла изготовлен с тепловой мощностью, многократно прерывающей тепловую мощность, отдаваемую системой отопления. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что нагреватель секции-парового котла изготовлен с тепловой мощностью большей, чем тепловая мощность, отдаваемая системой отопления, и смонтирована теплопередающая металлическая связь от подающего к обратному трубопроводу. 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 системы отопления, включающей паровой котел и конденсационный стояк, выполненные в виде горизонтальной емкости, разделенной вертикальной перегородкой с отверстием внизу, снабженным клапаном, теплоотдающую часть системы, выполненную в виде подающего и обратного трубопроводов, наклонных соответственно в сторону секции-парового котла и секции-конденсационного стояка, соединенных между собой в наиболее удаленной от обеих секций точке и с установленными над одним из трубопроводов нагревательными приборами, датчик температуры или влажности, укрепленный в нижнем конце обратного трубопровода, обезвоживатель выходящего из системы воздуха в секции-конденсационном стояке и нагреватель в секции-паровом котле, тепловой мощностью большей тепловой мощности, отдаваемой системой отопления, 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 этого датчика паровоздушной смеси с нижними заданными параметрами, после чего процесс включения повторяют.