УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗБЫТОЧНОГО ТЕПЛА ОТ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2004 года по МПК H01F27/08 

Предпосылки изобретения

В обмотках силовых трансформаторов образуется тепло, которое необходимо отводить как от самого трансформатора, так и от его непосредственного окружения. В небольших трансформаторах это обычно осуществляют посредством воздушного охлаждения с помощью охлаждающих фланцев, в то время как охлаждение больших трансформаторов обеспечивается с помощью масла (такого как минеральное), например, посредством его циркуляции по обмоткам трансформатора и каналам сердечника. Как вариант, охлаждение обеспечивают посредством погружения сердечника и обмоток в масляную ванну наружного резервуара. Независимо от типа используемого охлаждающего устройства отвод тепла является пустой тратой энергии, а кроме того, представляет собой практическую и экономическую проблему, поскольку недостаточное охлаждение и высокие температуры приводят к преждевременному износу трансформатора и связанного с ним оборудования. Особая проблема связана с текущими или сезонными колебаниями температуры наружного воздуха, так как высокие температуры наружного воздуха замедляют процесс охлаждения или делают его более трудным. Кроме того, температурные колебания возникают вследствие изменяющейся нагрузки энергопотребления от трансформатора.

Цели и особенности изобретения

Данное изобретение направлено на устранение вышеуказанных проблем посредством предложенной установки, с помощью которой можно экономически выгодно использовать избыточную энергию силового трансформатора и при этом эффективно охлаждать трансформатор независимо от сезонных или других колебаний наружной температуры. Таким образом, основной целью изобретения является создание такой установки для использования энергии, которая при необходимости обеспечивает направление избыточной тепловой энергии (как в полном объеме, так и частично) от силового трансформатора к теплопотребляющим модулям (например, к отопительным батареям жилых домов или других сооружений) или к аккумулятору тепла. Дополнительной целью является создание установки, которая пригодна для указанного назначения и конструктивно проста, при этом ее производство является недорогим и главным образом основано на использовании серийно выпускаемых стандартных комплектующих.

В соответствие с изобретением по меньшей мере основная его цель обеспечивается признаками, приведенными в отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения предложенной установки дополнительно раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает двумерный вид трансформаторного здания, содержащего два трансформатора и предложенную установку;

фиг.2 изображает увеличенный, упрощенный вид теплового насоса, включенного в предложенную установку;

фиг.3 изображает увеличенный, упрощенный вид показанного на фиг.1 элемента А.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

На фиг.1 позицией 1 в целом обозначено здание, в которое встроены два трансформатора 2. Данное здание может содержать небольшую так называемую станцию энергосистемы, аналогичную тем, что устанавливают рядом с жилыми районами или другими зданиями, имеющими ограниченные размеры. Здание 1 разделено разделительными перегородками на ряд отсеков 3, к каждому из которых имеется индивидуальный доступ через проходы, которые расположены в наружных стенах здания и могут быть закрыты посредством ставней или дверей 4. Два трансформатора установлены в отдельном отсеке. В других помещениях установлены другие виды вспомогательного оборудования для трансформаторов, например размыкающие переключатели, коллекторные каналы и т.д. В одном из этих отсеков установлен тепловой насос, включенный в предложенную установку и обозначенный в целом позицией 5.

В состав каждого отдельного трансформатора 2 входит охлаждающее приспособление, изображенное на чертеже схематически и в целом обозначенное позицией 6. Указанное охлаждающее приспособление может содержать наполненный маслом резервуар, в который погружены сердечник и обмотки трансформатора. Однако охлаждающее приспособление также может быть выполнено иным образом. Например, оно может содержать полость для накопления горячего воздуха, из которой тепло может быть выведено через соответствующие теплообменники к другой текучей среде, отличной от воздуха.

Между двумя трансформаторами 2 и тепловым насосом 5 проходит первый трубопровод 7, в котором может циркулировать первый текучий теплоноситель, более точно циркулировать в подводящей трубе 7′ и обратной трубе 7″. Из фиг.1 видно, что один конец каждой из указанных труб соединен с охлаждающими приспособлениями 6 трансформаторов через отводные каналы 8′, 8″. Другой конец каждой трубы 7′, 7″ соединен с теплообменником 9 (например, пластинчатым теплообменником), расположенным рядом с тепловым насосом 5. На практике трубопровод 7 может состоять из одиночных трубопроводных линий, сообщающихся с масляными резервуарами трансформаторных охлаждающих приспособлений через существующие патрубки, которые обычно используются для наполнения резервуара маслом. Иначе говоря, в данном случае текучий теплоноситель в трубопроводе 7 представляет собой охлаждающее масло, принадлежащее именно трансформатору.

Указанный трубопровод 7 и теплообменник 9 обеспечивают возможность распространения тепла к включенному в тепловой насос 5 испарителю 10, который известным образом через второй трубопровод 11 сообщается с компрессором 12, конденсатором 13, а также с расширительным клапаном 14. Трубопровод 11 вместе с элементами 10, 12, 13, 14 образует замкнутый трубопровод, в котором обычным образом может циркулировать вторая текучая среда. Эта вторая среда представляет собой так называемый обычный хладагент (например, имеющий в своем составе пропан), который в альтернативном случае можно испарять и конденсировать во время процесса поглощения и выделения тепла соответственно.

Третий трубопровод 15, содержащий подводящую трубу 15′ и обратную трубу 15″, одним своим концом сообщается с излучающим тепло конденсатором 13, а противоположным концом сообщается по меньшей мере с одним теплопотребляющим модулем 16. Указанные модули могут содержать, например, батареи или другие излучающие тепло устройства в зданиях различного типа. Часть трубопровода 15, соединенная с конденсатором 13, упрощенно показана в виде змеевика трубопровода 17, расположенного внутри конденсатора. На практике конденсатор представляет собой наиболее пригодный для этих целей пластинчатый теплообменник. В подводящей трубе 15′ расположен насос 18, посредством которого может быть осуществлена циркуляция текучего теплоносителя (например, воды или масла) в трубопроводе 15.

Кроме того, в состав предложенной установки включен четвертый трубопровод 19, содержащий две трубы 19′, 19″, которые выборочно могут служить соответственно в качестве подводящей трубы и обратной трубы, в зависимости от назначения установки. По меньшей мере часть указанного трубопровода выводится, например, в скальный грунт, землю или воду (например, озеро или море), причем среда, окружающая подземную или подводную часть трубопровода, в зависимости от назначения установки может использоваться в качестве теплоизлучателя (аналогично использованию так называемого грунтового тепла), или теплоотвода, или накопителя тепла. На фиг.2 позицией 20 схематично обозначены указанные совмещенные аккумулятор тепла и теплоизлучатель.

В рассмотренном варианте выполнения изобретения первый трубопровод 7 соединен с теплообменником 9, а четвертый трубопровод 19 соединен и составляет одно целое с пятым трубопроводом 21, в состав которого входят первая и вторая трубы 21′, 21″, расположенные снаружи испарителя 10. Соединение трубопровода 21 с испарителем упрощенно изображено в виде изгиба трубопровода 22, но и в этом случае испаритель содержит пластинчатый теплообменник. В месте разветвления соответственных труб (в данном случае труб 19′ и 21′ двух трубопроводов 19, 21) расположен многоходовой клапан 23, который может не только открываться и закрываться, но также и дросселировать потоки в соответствующих трубах. В трубопроводе 21 (более точно в трубе 21′, между многоходовым клапаном 23 и испарителем 10) расположен насос 24. Два трубопровода 19 и 21 объединены таким образом, что вмещают одну и ту же текучую среду, предпочтительно в виде так называемого рассола, который, например, может содержать смесь спирта с водой.

Регулирование многоходового клапана 23 осуществляется мотором 25, приводимым в действие электричеством через электрическую цепь, упрощенно показанную штрихпунктирными линиями, в которую также включен температурный датчик 26 подводящей трубы 7′ первого трубопровода 7. В связи с этим следует отметить, что в обратную трубу 7″ трубопровода 7 включен насос 27, осуществляющий циркуляцию текучего теплоносителя в трубопроводе 7.

В показанном на чертеже предпочтительном варианте выполнения предложенной установки имеется отдельный индикатор 28 тепла, соединенный с трубопроводом 15 теплопотребляющего модуля, например с батареей, которая работает совместно с вентилятором и размещена, к примеру, в отсеке 3, в котором находится тепловой насос 5. Однако в любом случае индикатор 28 тепла должен быть расположен внутри здания. Индикатор 28 тепла соединен с трубопроводом 15 через шестой трубопровод 29. Более точно, подводящая труба этого трубопровода соединена с соответствующей подводящей трубой 15′ трубопровода 15 через многоходовой клапан 30, регулируемый мотором 31. Определенная часть тепловой энергии, передаваемой в теплопотребляющий модуль 16, при необходимости может быть отведена через трубопровод 29 и индикатор 28 тепла для обогрева внутреннего пространства здания 1, в частности пространства отсеков 3, расположенных на расстоянии от отсеков для трансформаторов 2.

Функционирование предложенной установки и ее преимущества

Предположим, что установка должна работать во время холодных периодов года и что тепловой насос 5 работает в обычном режиме потребления так называемого грунтового тепла. В этом случае многоходовой клапан 23 обеспечивает открытое состояние не только подводящей трубы 19′, ведущей от подземного теплового источника 20, но также и участка трубы 21′, проходящего между клапаном и теплообменником 9. Это означает, что текучая среда (соляной раствор), имеющая сравнительно небольшую температуру (например около 0°С), смешивается с более теплой текучей средой из теплообменника 9, поглощающего в свою очередь тепло непосредственно от охлаждающего приспособления 6 трансформаторов 2 в результате циркуляции этой текучей среды в трубопроводе 7. Поэтому жидкость, смешивающаяся в многоходовом клапане 23 и затем проходящая в испаритель 10, имеет значительно более высокую температуру, нежели жидкость, поступающая из грунтовых слоев через подводящую трубу 19'. Естественно, в зависимости от изменения температуры грунтовых слоев, а также действия охлаждающих приспособлений 6 трансформаторов температура в испарителе 10 изменяется, тем не менее на практике диапазон изменений в пределах от +10 до +15°С считается очень хорошим. Ввиду того, что температура циркулирующей через испаритель текучей среды может быть значительно увеличена (в среднем от 0°С до +10°С) эффективность теплового насоса радикально повышается, конкретнее - с коэффициента, равного 3 (в обычном случае), до коэффициента, равного 5-7 или более.

Во время теплого периода года, когда необходимость в обогреве зданий незначительна или вообще отсутствует, тепловой насос может быть временно исключен из работы. Тем не менее для того чтобы все-таки обеспечить охлаждение трансформаторов, многоходовой клапан 23 может быть перенастроен таким образом, что тепло от теплообменника 9 не утилизировалось бы в теплообменнике само по себе, а отводилось бы в грунтовые слои (или в подводную среду, окружающую трубопровод 19). Это происходит из-за того, что насос 24 отводит вниз текучую среду в трубопровод 19 через трубу 19′, действующую в этом случае в качестве подводящей трубы, и затем обратно в трубопровод 21 через трубу 19″.

Преимущества изобретения очевидны. Во время холодного периода года, когда потребность в нагреве теплопотребляющих модулей является высокой, для обогрева можно весьма экономичным образом использовать избыточное тепло от трансформаторов 2, при этом эффективным становится и охлаждение трансформаторов. Во время теплого периода, когда потребность в обогреве пропадает, посредством простой регулировки клапана 23 можно переналадить установку на отведение избыточного тепла трансформаторов под землю или под воду, причем тепловая энергия может аккумулироваться в скальном грунте или под землей. В этом случае модуль 20 функционирует как аккумулятор тепла, накопленную энергию которого можно получить обратно во время холодных периодов года (если трубопровод 19 погружен в воду, например в море или озеро, вода служит исключительно для теплоотвода). Другими словами, предложенная установка гарантирует эффективное охлаждение указанного трансформатора или трансформаторов независимо от времени года, т.е. независимо от того существует ли потребность в работе теплового насоса на обогрев или нет.

Возможные модификации изобретения

Данное изобретение не ограничивается вариантом выполнения, описанным выше и изображенным на чертежах. Так, можно обойтись без отдельного теплообменника между первым и пятым трубопроводами, так как один и тот же текучий теплоноситель циркулирует в первом, четвертом и пятом трубопроводах. В качестве текучего теплоносителя в трубопроводе, сообщающемся с трансформатором, вместо масла можно использовать и другую жидкость (или газ). Кроме того, следует отметить, что нет прямой необходимости устанавливать тепловой насос предложенной установки в том же здании, где находится указанный трансформатор или трансформаторы. Поэтому тепловой насос может быть установлен либо внутри, либо около здания или зданий, в которые для обогрева подается избыточная тепловая энергия от трансформатора. В этих случаях первый трубопровод проходит довольно большое расстояние между указанным зданием или зданиями и трансформаторным зданием. Также нет необходимости устанавливать вышеуказанные теплопотребляющие модули непосредственно в помещениях. Поэтому эти модули можно расположить снаружи помещений (даже под землей) просто для отведения тепловой энергии. В данном случае установка обеспечивает лишь эффективное охлаждение трансформатора.

Данное изобретение относится к установке для использования избыточного тепла от силового трансформатора. Охлаждающее приспособление (6) трансформатора соединено с первым трубопроводом (7) для обеспечения циркуляции первого текучего теплоносителя между трансформатором и тепловым насосом (5) с возможностью передачи тепла к включенному в тепловой насос испарителю (10), который через второй трубопровод (11), заключающий в себе вторую текучую среду, соединен с компрессором (12), конденсатором (13) и расширительным клапаном (14), при этом имеется третий трубопровод (15), который содержит третий текучий теплоноситель для передачи тепла, по меньшей мере, к одному теплопотребляющему модулю (16), соединенному с конденсатором (13). Также имеется четвертый трубопровод (19), который прямо или косвенно соединен с первым трубопроводом (7) и частично выведен в скальный грунт, землю и/или воду, к комбинированному тепловому аккумулятору и излучателю (20), причем между первым и четвертым трубопроводами расположен многоходовой клапан (23), обеспечивающий отведение избыточного тепла от трансформатора через первый трубопровод (7) либо к испарителю (10) теплового насоса, либо к указанному аккумулятору (20) тепла или излучателю. Технический результат от использования данного изобретения состоит в эффективном охлаждении трансформатора и экономичном использовании избыточной энергии силового трансформатора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Установка для использования избыточного тепла от силового трансформатора (2), содержащая охлаждающее приспособление (6) для охлаждения обмоток трансформатора, отличающаяся тем, что охлаждающее приспособление (6) соединено с первым трубопроводом (7) для обеспечения циркуляции первого текучего теплоносителя между указанным охлаждающим приспособлением и тепловым насосом (5) с возможностью передачи тепла к включенному в тепловой насос испарителю (10), который известным образом через второй трубопровод (11), заключающий в себе второй текучий теплоноситель, соединен с компрессором (12), конденсатором (13) и расширительным клапаном (14), при этом имеется третий трубопровод (15), который содержит третий текучий теплоноситель для передачи тепла, по меньшей мере, к одному теплопотребляющему модулю (16) и соединен с конденсатором (13) теплового насоса, а также четвертый трубопровод (19), который прямо или косвенно соединен с первым трубопроводом (7) и частично выведен в скальный грунт, землю и/или воду, к аккумулятору тепла или теплоизлучателю (20), причем между первым и четвертым трубопроводами имеется многоходовой клапан (23), предназначенный для отведения избыточного тепла от охлаждающего приспособления (6) трансформатора через первый трубопровод (7) к испарителю (10) теплового насоса и/или к указанному аккумулятору (20) тепла.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый трубопровод (7) соединен с теплообменником (9), который, в свою очередь, соединен с испарителем (10) теплового насоса (5) через пятый трубопровод (21), сообщающийся с четвертым трубопроводом (19) и заключающий в себе тот же самый текучий теплоноситель, при этом в месте разветвления соответствующих труб (19′, 21′) двух указанных трубопроводов (19, 21) расположен многоходовой клапан (23).3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она размещена в том же самом здании (1), что и трансформатор (2), при этом имеется индикатор (28) тепла, который соединен с подводящей трубой (15′) третьего трубопровода (15) для нагрева воздуха внутри здания.