НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНВЕКТОРА Российский патент 2004 года по МПК F28F9/00 F28F11/02 

Изобретение относится к системам отопления зданий, а также к энергосберегающим автоматическим системам отопления различных строений.

Известны нагревательные элементы конвекторов типа Комфорт-20, Прогресс, KB, Ритм, Аккорд и др., состоящие из 2-х горизонтальных труб - подающей теплоноситель и обратной, выводящей теплоноситель из нагревательного элемента, и имеющие трубный элемент в виде калача для связи между трубами (В.И.Манюк, Я.И.Каплинский, Э.Б.Хиж и др. М., Стройиздат, 1988, стр.106).

Недостатком известных устройств является отсутствие радиаторного клапана с возможностью установки термостатической головки для регулирования температуры в помещении и отсутствие конструктивной принадлежности вентиля регулятора к нагревательному элементу с целью упрощения монтажа отопительного прибора на объекте отопления.

Известны нагревательные элементы, имеющие в своем составе термостатический клапан, см. например, нагревательные элементы с радиаторными термостатами, представленные на 3 выставке Аква-терм (г. Москва, 1999), а также экспонаты фирм F.W. Oventrop GMBH & CO.KG (Германия, стенд 2.1.20) и Herz Armaturen GESMBH (Австрия, стенд 2.1.08), см. каталог выставки SHK Moskau 2000, 4 Международная специализированная выставка по отоплению, вентиляции и др., Москва, 13-16 марта 2000 г.

Недостатком известных устройств является отсутствие калача, замыкающего подающую и обратную трубы нагревательного элемента, выполненного из однотипного материала, что и трубы. Эта конструкция ориентирована на замыкание с помощью дополнительного устройства типа “клапан-калач”, более дорогого и сложного по конструкции и выполненного из другого материала. Одновременно “клапан-калач” снижает энергосбережение.

В однотрубных системах отопления с энергосберегающим оборудованием, в состав которого входят радиаторные термостаты, имеется явление "остаточной" теплоотдачи (В.И.Ливчак. К вопросу об усилении роли ИТП в реализации стратегии энергосбережения. Инф.бюлл. Энергосбережение, №7, 1996, стр.1-2). Эффект "остаточной" теплоотдачи возникает при закрытом клапане термостата. Проток теплоносителя через отопительный прибор отсутствует. Однако в этом случае все же возможен перенос тепла из системы отопления через прибор отопления (конвектор) в помещение, что приводит к значительным (до 40%) и неучтенным потерям тепла. Для уменьшения указанного явления применяют известные устройства, например (Oventrop, Handbuch 1/98, Technische Daten, стр.1.43). Теплоноситель, отдавая свое тепло в помещение через нагревательный элемент прибора отопления, охлаждается и слой с меньшей температурой перемещается в нижнюю часть горизонтального трубопровода, а с большей температурой в верхнюю часть. Нижний слой вытекает в отопительную систему и на его место перемещается новый. Подобное замещение слоев приводит к утечке тепла.

Известные устройства, используя различную величину удельного веса температурных слоев жидкости при малых скоростях, формируют препятствия на пути перемещения слоев при обмене их местоположением: специальные колена, двойные изгибы трубопровода, наклонные участки трубопровода, косые каналы в специальных вставках в трубопровод и др. (R.Petitjean. Balancing of Radiator Systems. Tour & Andersson Hydronics AB, Ljung, Sweden, 1994, стр.47).

Для уменьшения потерь тепла используются схемные решения, в которых меняется расположение радиаторного термостата: до входа в прибор отопления (конвектор), после него и между подающей (например, верхней) и обратной (нижней) трубами нагревательного элемента.

Недостатком схемных решений является недостаточное уменьшение эффекта остаточной теплоотдачи и при этом не используется дополнительно энергия теплоносителя.

Далее, у нагревательного элемента верхний и нижний трубопроводы находятся в неравных условиях теплоотдачи, т.к. верхняя часть трубопровода испытывает дополнительный приток тепла от нижней части, тем самым уменьшается перепад температур в верхней части и отдача тепла в помещение, что также ухудшает послойное деление жидкости и работу заградительных устройств типа теплового затвора.

Наиболее близким устройством является нагревательный элемент конвектора Универсал-ТБ, принятый за прототип (см. сборочный чертеж Кн 407Б.06.000.сб нагревательного элемента для конвектора ТОО Витатерм; статья “Холодно или жарко”, газета Строительный эксперт №18(61), 1999, стр.14).

Известное устройство содержит подающую и обратную трубы с присоединительными узлами для отопительного оборудования, клапан и канал, подключенный параллельно вентилю. Для связи между трубами и протока теплоносителя через нагревательный элемент применен “клапан-калач”, заменяющий конструктивный трубный элемент в виде калача.

Недостатком этого известного устройства является малые величины коэффициента затекания.

Фактически функцию калача выполняет поворотный канал с углом 90° и проходными сечениями в корпусе клапана-калача менее проходов подводящих труб. Гидравлическое сопротивление клапана-калача всегда выше трубного калача. Отсюда уменьшенный коэффициент затекания при различных температурных режимах работы радиаторного термостата, завышено время переходного процесса для восстановления заданного теплового равновесия в помещении, увеличены затраты тепла в режиме перестановки затвора клапана, когда клапан еще не закрыт. Практически клапан-калач с измененным корпусом от стандартного клапана по EN-215-2 (Европейский стандарт для клапанов радиаторных термостатов) имеет меньшие коэффициенты K_v.

Кроме того, при закрытом клапане в известном устройстве имеется значительная остаточная теплоотдача из-за того, что материал корпуса клапана-калача не однотипен с подающей и обратной трубами и имеющий большую теплопроводность, приводящую к ускоренному делению теплоносителя на температурные слои внутри нагревательного элемента и увеличению остаточной теплоотдачи.

Перечисленные конструктивные параметры увеличивают гидравлическое сопротивление и потери по давлению всего узла, несмотря на две параллельные линии протока при открытом клапане. В целом для системы отопления увеличиваются потери энергии на проталкивание теплоносителя по системе и, как следствие, к увеличению требуемой мощности насоса отопительной системы здания.

Кроме того, усложнена технология изготовления корпуса клапана, который приобрел в известном устройстве часть функции калача. Это свойство приводит к удорожанию отопительного узла, дополнительному расходу цветного металла, усложнению технологии изготовления, дополнительным издержкам при монтаже и сборке нагревательного элемента с корпусом клапана-калача, излишним требованиям к соосности (ужесточению допусков) между присоединительными узлами корпуса и нагревательного элемента в разных плоскостях. Иначе, например, при монтаже, преодолевая несоосность, возникают боковые силы, перекос стыков с деформацией уплотнительных прокладок и появлением негерметичности в присоединительном узле.

Аналогичные явления возможны и при высокой температуре теплоносителя, вызывающие температурные деформации стыков из-за замещения в калаче другим материалом относительно материала труб и исчезновения криволинейной части калача с заменой ее жестким корпусом клапана, которая ранее способствовала температурной компенсации.

Для устранения отмеченных выше недостатков предлагается нагревательный элемент конвектора, содержащий подающую и обратную трубы с присоединительными торцами, клапан, расположенный на калаче, и канал с проходом менее проходов труб, подключенный параллельно клапану, в котором обратная труба выполнена в виде горизонтального участка с плавным поворотом на 90° в той же плоскости, в которой расположены прямая и обратная трубы, к присоединительному торцу, находящемуся под подающей трубой с расстоянием между торцами подающей и обратной труб, равным расстоянию между присоединительными торцами клапана углового типа, проходы труб равны между собой и одинаковы с подающей и сливной трубами системы отопления.

Кроме того, в нагревательном элементе конвектора клапан выполнен термостатическим.

Введенные новые признаки позволяют повысить энергосберегающие возможности однотрубной системы отопления с компоновкой в ней радиаторных термостатов, облегчить сборку нагревательного элемента.

Принципиальная новизна предложенного устройства состоит в следующих направлениях: 1) повышение энергосбережения; 2) передача части функций калача плавному повороту обратной трубы; 3) повышение характеристик отопительного прибора от конструктивного сочетания углового клапана и плавного поворота обратной трубы нагревательного элемента конвектора, отходящей от присоединительного узла клапана.

Существенный признак в предложенном устройстве - плавный поворот после клапана на обратной трубе - повышает энергосбережение за счет уменьшения времени переходного процесса при работе радиаторного термостата, т.е. в положении, когда затвор клапана открыт. Время переходного процесса в свою очередь уменьшено за счет того, что увеличен коэффициент затекания, после клапана уменьшено гидравлическое сопротивление тракта обратной трубы, увеличен коэффициент K_v.

Кроме того, уменьшается остаточная теплоотдача за счет плавного поворота. В положении, близком к закрытому, а также при закрытом клапане в процессе температурного разделения на слои течение теплоносителя в колене поворота по своей природе имеет двойной вихрь, который нарушает процесс разделения, течение турбулизуется, происходит перемешивание слоев и выравнивание температуры по обратной трубе. При этом уменьшается утечка нижнего слоя с пониженной температурой в систему отопления, замещение температурных слоев происходит менее интенсивно, что в целом уменьшает остаточную теплоотдачу.

Этому же явлению способствует передача части функции калача от клапана-калача в известном устройстве к плавному повороту в предложенном нагревательном элементе, который имеет другой тип материала с меньшей теплопроводностью. В предложенном устройстве часть калача и обратная труба выполнены из однотипного материала, уменьшается теплопередача от этой части нагревательного элемента, что способствует уменьшению послойного деления теплоносителя и уменьшению остаточной теплоотдачи.

Улучшение характеристик отопительного прибора от конструктивного сочетания углового клапана и плавного поворота обратной трубы нагревательного элемента конвектора, отходящей от присоединительного узла клапана, состоит в следующем:

- уменьшается гидравлическое сопротивление всего тракта нагревательного элемента за счет того, что проходы труб равны между собой и равны подводящим трубам от системы отопления;

- улучшается температурная компенсация изменения объема и длины конструктивных составляющих нагревательного элемента в целом;

- стандартные клапаны углового типа имеют увеличенные коэффициенты K_v по сравнению с клапаном-калачом. В предложенном устройстве применяется стандартный клапан углового типа;

- увеличивается коэффициент затекания;

- снижаются сборочные требования при монтаже, т.к. кривая плавного поворота является монтажным компенсатором в плоскостях (подтягивание за счет изгиба и поворот);

- удешевляется конструкция за счет применения менее дефицитного нецветного материала и применения клапана стандартного типа;

- при установке в отопительную систему, например жилого здания, большого количества предложенных нагревательных элементов требуется меньшая мощность насоса, за счет снижения гидравлического сопротивления каждого элемента;

- установка клапана для термостата позволяет эффективно управлять температурой в помещении.

На чертеже представлен нагревательный элемент конвектора, где обозначено: 1 - подающая труба, 2 - обратная труба, 3 - вентиль углового типа, 4 - плавный поворот на 90° обратной трубы, 5 - присоединительные торцы подающей и обратной труб, 6 - канал с уменьшенным проходом относительно других труб нагревательного элемента, 7 - вход теплоносителя в нагревательный элемент, 8 - выход теплоносителя из элемента.

Нагревательный элемент работает следующим образом. При открытом клапане 3 теплоноситель от входа 7 одновременно затекает в две ветви нагревательного элемента: первая ветвь - через подающую трубу 1, вентиль 3, плавный поворот 4 и обратную трубу 2 на выход 8; вторая ветвь - через подающую трубу 1, канал 6 проходит в обратную трубу 2 и удаляется в систему отопления 8.

При закрытом клапане 3 теплоноситель от входа 7 проходит только по одной ветви - через канал 6 на выход 8 в систему отопления.

Когда затвор клапана 3 открыт, повышается энергосбережение за счет уменьшения времени переходного процесса при работе радиаторного термостата. В этом положении расход теплоносителя увеличен вследствие увеличения коэффициента затекания и уменьшения после клапана 3 гидравлического сопротивления тракта обратной трубы 2.

Когда затвор клапана 3 закрыт, уменьшается остаточная теплоотдача за счет плавного поворота 4. В положении, близком к закрытому, а также при закрытом клапане 3 в процессе температурного разделения на слои течение теплоносителя в колене плавного поворота 4 по своей природе имеет двойной вихрь, который нарушает процесс разделения, течение турбулизуется, происходит перемешивание слоев и выравнивание температуры по обратной трубе 2. При этом уменьшается утечка нижнего слоя с пониженной температурой в систему 8, замещение температурных слоев происходит менее интенсивно, что в целом уменьшает остаточную теплоотдачу всего нагревательного элемента.

Ориентировка в пространстве присоединительных торцов подающей и обратной труб выполняется с меньшими требованиями по допускам и снижаются сборочные требования при монтаже, т.к. кривая плавного поворота является монтажным компенсатором (подтягивание за счет изгиба и поворот вокруг оси обратной трубы).

Изобретение предназначено для применения в системах отопления зданий, а именно в энергосберегающих автоматических системах отопления различных строений. Изобретение содержит подающую и обратную трубы с присоединительными торцами, причем обратная труба выполнена в виде горизонтального участка с поворотом, клапан, расположенный на калаче, и канал, подключенный параллельно клапану, причем обратная труба выполнена с плавным поворотом на 90° в той же плоскости, в которой расположены прямая и обратная трубы, а клапан выполнен термостатическим. Изобретение позволяет повысить энергосберегающие возможности однотрубной системы отопления, облегчить сборку нагревательного элемента. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Нагревательный элемент конвектора, содержащий подающую и обратную трубы с присоединительными торцами, причем обратная труба выполнена в виде горизонтального участка с поворотом, клапан, расположенный на калаче, и канал, подключенный параллельно клапану, отличающийся тем, что обратная труба выполнена с плавным поворотом на 90° в той же плоскости, в которой расположены прямая и обратная трубы.2. Нагревательный элемент по п.1, отличающийся тем, что клапан выполнен термостатическим.