УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗЕРВНОГО РЕЖИМА ОТОПЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F24D19/10 F24H9/20 

Изобретение относится к системам отопления индивидуальных строений с газовым и электрическим теплогенератором и может быть использовано в автоматизированных системах с нагревом твердым и жидким топливом.

Известны автоматизированные отечественные газовые теплогенераторы [1, 2] для систем отопления индивидуальных строений с циркуляцией теплоносителя гравитационного типа, например АОГВ [3], а также с принудительной циркуляцией теплоносителя [4,5].

Известный теплогенератор [4], представленный как аналог, оснащен узлом принудительной циркуляции теплоносителя, установленным последовательно с теплогенератором в гидравлической схеме отопления. Это позволяет повысить на 15-20% энергоэффективность системы отопления.

Однако эти устройства требуют качественного сетевого электропитания. В настоящее время в России невозможно обеспечить электроснабжение без перерывов. Поэтому для нормального функционирования известных устройств зарубежного производства [4] в период отключения сетевого электропитания требуется резервный источник электропитания, например, аккумулятор, бензогенератор и др. Наличие резервного источника электропитания значительно осложняет эксплуатацию и повышает в 2-3 раза первоначальные затраты потребителей. В тоже время суммарные перерывы в подаче электроэнергии не превышают 5-8% календарного времени отопительного периода.

Известный теплогенератор [5], является определенной модернизацией [4], в котором параллельно насосу, установленному так же как и в [4], в канале отопления последовательно с теплогенератором, расположен в байпасе обратный клапан таким образом, что при отключении электропитания насос выключается, давление на его выходе понижается и обратный клапан открывается под действием гравитационного перепада давления, создаваемого разностью температур холодного и горячего объемов теплоносителя. Такая гидравлическая схема расположения насоса в канале отопления и обратного клапана на байпасе позволяет выполнять роль автоматического переключателя режимов отопления от принудительной циркуляции к свободной гравитации при отсутствии электропитания, а при включении электропитания вновь возвратиться к режиму принудительной циркуляции. В этом случае функционирование системы отопления не зависит от сетевого электропитания в период его отключения.

Однако участок байпаса с расположенным в нем обратным клапаном имеет повышенное гидравлическое сопротивление из-за наличия поворотов (местные потери) в перпендикулярных направлениях. При этом работа системы отопления в гравитационном режиме происходит с излишним понижением гидравлического напора и, как следствие, приводит к снижению скорости теплоносителя в канале отопления, уменьшению скорости переходных процессов и снижению температуры в отапливаемом помещении.

Эти недостатки в значительной степени устранены в известном устройство [6] , принятом за прототип, которое содержит отопительный канал, нагнетатель (насос), расположенный на байпасе к каналу отопления.

В схеме, когда насос устанавливается в байпасе, а обратный клапан на прямом участке канала отопления, гидравлические потери значительно меньше. В случае отказа электропитания обратный клапан открывается в прямом канале отопления с большим сечением по сравнению с трубопроводом байпаса и имеет меньшее гидравлическое сопротивление, по сравнению со схемой расположения, приведенной в [5].

Вместе с тем нужно иметь ввиду, что обратный клапан при закрытии отсекает гравитационный режим, а при условии недостаточной водоподготовки при наличии открытой системы отопления может произойти с одной стороны отказ обратного клапана - неполное закрытие. Снижение вероятности такого отказа будет требовать более частой профилактики не всегда доступной всем пользователям, чтобы не допустить отказа незакрытия обратного клапана. Такой отказ ведет к дополнительным потерям энергии, нарушению гидравлической циркуляции различных контуров системы отопления, неустойчивой работе системы отопления совместно с теплогенератором.

С другой стороны обратный клапан, в случае другого типа отказа - неисправности пружины из-за коррозии в условиях нагрева, вообще не откроет канал, когда насос остановится. А ведь в [5, 6] гравитационный режим используется в период выживания системы. Наличие отрицательной внешней температуры, продолжительное отсутствие сетевого электропитания и циркуляции теплоносителя в системе отопления - это негативные условия, когда вследствие замерзания теплоносителя возможен выход из строя трубопроводов и приборов системы отопления, арматуры и дорогостоящего теплогенератора, возможны протечки теплоносителя в помещения одного или нескольких этажей, появление конденсата на строительной конструкции здания и, как следствие, финансовые потери. Типы отказов "неполное открытие-закрытие" обратного клапана или его "неоткрытие" снижают надежность работы системы.

Кроме того, обратный клапан запирает часть участка трубопровода системы отопления, отключая для течения теплоносителя один из параллельно расположенных каналов и оставляя для протока только один канал с насосом. Это не снижает общее гидравлическое сопротивление канала вместе с участком, где расположены параллельные трубопроводы (байпас и канал).

Кроме того, закрытая часть канала системы отопления, в которую под давлением насоса загоняется теплоноситель, является тупиковой ветвью, в которой возникают условия для накапливания различных взвесей и механических примесей теплоносителя. Причем по времени работа системы отопления в режиме принудительной циркуляции (накапливания примесей в тупиковой ветви) составляет более 90% времени отопительного сезона. Эти условия могут привести к отказам при открытии обратного клапана, т.к. гравитационный перепад давления сравнительно мал (~ несколько сотен Па) по сравнению с давлением от циркуляционного насоса (~ в 10³ раз больше).

Кроме того, закрытие обратного клапана приводит к утрате движения в системе отопления и расхода теплоносителя за счет гравитационного режима, который в сумме с расходом за счет циркуляционного течения не позволяет доставить большее количество тепла к приборам отопления и потребителю тепла (человеку), уменьшить время переходного процесса и получить долю энергосбережения в процедуре отопления.

Кроме того, в известных устройствах существует выраженный режим переключения с основного на резервный режим отопления, благодаря наличию механических устройств переключения, и ведущий к перестройке в работе системы и возможным сбоям.

Для устранения недостатков известных устройств предлагается устройство для резервного режима отопления, содержащее отопительный канал, нагнетатель, включенный в байпас к каналу, отличающееся тем, что вход и выход байпаса выполнены в виде патрубков с сечением, меньшим сечения канала, сечение патрубка выхода расположено по оси канала и ниже патрубка входа по течению потока.

Кроме того, в устройстве для резервного режима отопления сечения патрубков входа и выхода расположены соосно сечению канала.

Кроме того, в устройстве для резервного режима отопления ось сечения патрубка входа смещена относительно оси канала.

Кроме того, в устройстве для резервного режима отопления сечение патрубка входа расположено на стенке канала.

Предлагаемое устройство для резервного режима отопления (чертеж а, б, в, г) состоит из канала 1 отопления, насоса 2 для принудительной циркуляции, расположенного на байпасе 3 с патрубком выхода 4 с сечением 5 и патрубком входа 6 с сечением 7. Стрелками указано течение теплоносителя. Устройство может быть установлено в напорном и обратном канале системы отопления. Сечение 5 установлено соосно с сечением канала отопления 1. Выходной патрубок 4 вместе с каналом 1 образует струйный насос, в котором патрубок 4 является активным соплом, участок 8 канала отопления 1 является камерой, откуда подсасывается пассивная среда (теплоноситель), участок 9 канала 1 является камерой смешения и восстановления давления для преодоления нагрузки, представляющей собой сопротивление разветвленной системы отопления, состоящей из приборов отопления, трубопроводов и арматуры. Патрубок 6 входа байпаса, через который подается теплоноситель к активному соплу (сечение 5) патрубка 4, может располагаться в различных конструктивных положениях в зависимости от выбора его местного гидравлического сопротивления в канале отопления.

Таким образом, в такой компоновке устройство представляет собой сочетание фактически двух побудителей, один из которых является механическим с приводом от электродвигателя и питания от электросети, другой является струйным без подвижных частей, выполненный по законам построения элеватора (эжектора) типа "вода-вода" с короткой или удлиненной камерой смешения с диффузором или без него. Участок 9 может выполняться в виде камеры смешения с диффузором, патрубок 4 может выполняться в виде конического сопла.

Устройство (чертеж а) характерно тем, что сечение 5 патрубка 4 выхода байпаса 3 и сечение 7 патрубка 6 расположены на одной оси и соосны сечению канала 1 отопительной системы. В резервном (гравитационном) режиме циркуляции теплоносителя имеются два местных гидравлических сопротивления на участках канала 1, где расположены патрубок 7 входа и патрубок 4 выхода байпаса 3. В основном режиме (принудительной циркуляции) наиболее оптимальное расположение патрубков 4 и 6 байпаса 3.

Устройство (чертеж б) отличает от устройства по чертежу а конструктивно объединенный в один элемент трубопроводы 10, связывающие байпас 3 с патрубками 4 и 6. Такое объединение более выгодно в технологическом плане, позволяет сделать одну врезку в канал системы отопления и сразу разместить патрубки входа и выхода байпаса.

Устройство (чертеж в) характерно тем, что при работе в резервном режиме циркуляции теплоносителя имеет пониженное местное сопротивление на участке патрубка 6 входа байпаса, по сравнению со схемой на чертеже а. При работе в основном режиме циркуляции условия всасывания теплоносителя в патрубок входа 6 байпаса при развитом турбулентном течении практически не отличается от схемы на черптеже а. Турбулентное течение предполагает прямоугольную эпюру скоростей в канале 1 и можно считать безразличным расположение сечения 7 патрубка 6 входа байпаса 3.

Устройство (чертеж г) характерно тем, что сечение 7 патрубка 6 входа байпаса 3 расположено на стенке канала 1. В гравитационном режиме на этом участке канала имеется минимальное местное гидравлическое сопротивление. В основном режиме циркуляции на участке канала 1, где расположен патрубок 4, поток, уходящий в трубопровод байпаса 3 несколько искажает течение в канале и эпюру скоростей, создавая местное сопротивление взаимодействием двух разветвляющихся потоков. Однако отсутствие неподвижного тела патрубка 6 значительно уменьшает гидравлическое местное сопротивление как в резервном гравитационном режиме, так и в основном режиме.

Устройство работает следующим образом.

При работе устройства для резервного режима отопления появляется гидравлическое взаимодействие потоков на патрубках входа в байпас и выхода из него. Выражено это в виде струйного эффекта эжекции, обеспечивающей автоматическую самоочистку канала отопления за счет использования перехода с комбинированного рабочего режима (гравитационный плюс принудительный циркуляционный) на чисто гравитационный резервный режим отопительной системы в период отключения электропитания. Использование эффекта самоочистки в предложенном устройстве и отсутствие подвижных частей в канале системы отопления значительно повышает надежность работы системы отопления.

Предлагаемое устройство предназначено для работы совместно с нагревателем теплоносителя и системой отопления в здании, индивидуальном доме, теплице, складе.

Прелагаемое устройство позволяет функционировать одновременно основному и резервному режимам отопления. При работе в основном режиме, т.е. когда не выключено электропитание, под воздействием механического нагнетателя 2, побуждающего расход теплоносителя по байпасу 3, теплоноситель из канала 1 системы отопления через патрубок 6 и 4 прокачивается через байпас и с большой скоростью вбрасывается опять в канал 1. Струя теплоносителя, выходящая из сечения 5 патрубка 4 за счет своей инверсии, подхватывает окружающие слои теплоносителя, имеющие меньшую скорость течения, и уносит их далее вниз по течению, например, по каналу обратной магистрали ("обратки") в бак газового котла. На участке 9 канала 1 в месте расположения сечения 5 патрубка 4 возникает гидравлический эффект эжекции в момент запуска циркуляции. Далее в статическом равновесии при равенстве расходов на участках 9 и 10 канала 1 имеется меньшая скорость течения на участке 8 по сравнению со скоростью теплоносителя в сечении 5 патрубка 4 байпаса. На участке 9 эффект эжекции будет проявляться в меньшей степени. В этот момент циркуляционный оборот теплоносителя будет только подгоняться за счет добавочной энергии потока, создаваемой циркуляционным насосом с электроприводом. Образное сравнение - как подгоняют палкой катящийся по дороге обруч.

Одновременно продолжает работать циркуляция, т.к. имеется проточная нагрузка, за счет сил гравитации, созданная нагревом теплоносителя и полученной разницей удельного веса верхнего и нижнего слоев жидкости в системе отопления.

При отключении электропитания и остановке насоса резервный режим отопления продолжает работать как и при наличии основного режима. При этом циркуляция осуществляется только за счет перемещения температурных слоев жидкости силами гравитации. Течение теплоносителя осуществляется по каналу 1 при минимальном местном гидравлическом сопротивлении, которое создают патрубки 4 и 6 (чертеж а, б, в) или только патрубок 4 (чертеж г).

В предлагаемом устройстве для обеспечения работы резервного режима отопления не требуются устройства с подвижными частями. Отсутствие подвижных частей в канале отопления 1, пропускающего весь циркуляционный расход, повышает надежность и ресурс работы по сравнению с известными устройствами.

При включении электропитания возобновляется основной режим работы в контурах системы отопления, обеспеченный принудительной циркуляцией от насоса. Одновременно с основным режимом продолжает функционировать резервный режим.

Таким образом, прелагаемое устройство имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- отсутствие подвижных частей
- пониженное гидравлическое сопротивление
- повышенный ресурс и надежность
- одновременная работа основного и резервного режима позволяет уменьшить время переходного процесса и повысить энергосбережение
- отсутствует выраженный режим переключения с основного на резервный
- наличие или отсутствие электропитания не приводит к пропаданию циркуляционного режима отопления, а только к его смене интенсивности.

Литература
1. Аппарат отопительный газовый бытовой АОГВ-23, 2-1-У ГОСТ 20219-74. Руководство по эксплуатации. Жуковское машиностроительное производственное объединение. Г. Жуковский. 1988.

2. Н. Л. Стаскевич и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. -Л.: Недра, 1990, стр. 351-360.

3. Межгосударственный стандарт "Аппараты отопительные газовые бытовые с водяным контуром". ГОСТ 20219-93.

4. Сравнительные характеристики напольных отопительных водогрейных котлов зарубежного производства. Газ. Строительный эксперт 34(23)/98 февраль.

5. Котел электрический типа "Руснит" моделей 212, 215, 221 и др. Паспорт и техническое описание. Изд. г.Рязань, 2000.

6. Газовый теплогенератор. Свидетельство РФ на полезную модель RU 11872 U1, кл.6 F 24 H 9/20.

Изобретение относится к теплогенераторам и системам отопления индивидуальных строений и может быть использована в автоматизированных системах нагрева с твердым и жидким топливом. Устройство содержит отопительный канал, нагнетатель, включенный в байпас к каналу. Вход и выход байпаса выполнены в виде патрубков с сечением, меньшим сечения канала, сечение патрубка выхода расположено по оси канала и ниже патрубка входа по течению потока, при этом ось сечения патрубка в ходе смещена относительно оси канала. Устройство позволяет одновременно функционировать основному режиму с принудительной циркуляцией и резервному с гравитационной циркуляцией, увеличить энергосбережение и повысить кпд системы отопления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для резервного режима отопления, содержащее отопительный канал, нагнетатель, включенный в байпас к каналу, отличающееся тем, что вход и выход байпаса выполнены в виде патрубков с сечением, меньшим сечения канала, сечение патрубка выхода расположено по оси канала и ниже патрубка входа по течению потока, при этом ось сечения патрубка входа смещена относительно оси канала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сечение патрубка входа расположено на стенке канала.