ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЙ УЗЕЛ ГЕРЦ-УТЕ Российский патент 2004 года по МПК F24D19/00 F24H9/00 

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

В однотрубных системах отопления жилых и административных зданий с энергосберегающим оборудованием, в состав которого входят радиаторные термостаты, имеется явление "остаточной" теплоотдачи [1] (В.И.Ливчак. К вопросу об усилении роли ИТП в реализации стратегии энергосбережения. Инф. бюлл. Энергосбережение, №7, 1996, стр. 1-2). Эффект от "вторичного" тепла или "остаточной" теплоотдачи, когда при закрытом клапане термостата возможен перенос тепла из системы отопления через тот же прибор отопления (конвектор) в помещение без участия терморегулятора, приводит к неучтенным и значительным (до 40%) потерям тепла. В первый момент, когда температура помещения достигает заданной, наступает тепловое равновесие. Однако в последующем остаточная теплоотдача от источника тепла (например, конвектора) прибывает в помещение, температура в помещении начинает превышать заданную. Пользователь вынужден для сохранения комфорта применять "форточный" регулятор температуры и выбрасывать значительное количество тепла в атмосферу.

Теплоноситель (рабочая жидкость) по мере поступления, отдавая свое тепло в помещение через нагревательный элемент прибора отопления, охлаждается. В таких условиях течения рабочей жидкости в трубе участвует сила гравитации, перемещающая жидкость с меньшей температурой - в нижнюю часть горизонтального трубопровода, а с большей температурой в верхнюю часть, образуя ее температурные слои.

Известны устройства для систем отопления, уменьшающих эффект "остаточного тепла" [2] (Oventrop, Handbuch 1/98, Technische Daten, стр. 1.43). Эти устройства, называемые "тепловым" барьером, используют различную величину удельного веса температурных слоев жидкости при малых скоростях ее движения и незначительном перепаде давления в приборе отопления (радиаторе, конвекторе и др.) при формировании препятствия на пути перемещения слоев и их обмене местоположением.

Для создания препятствия на пути перемещения послойного течения жидкости используются схемные решения, в которых меняется расположение радиаторное термостата: до входа в прибор отопления (конвектор) или после него, а также в промежутке между верхним и нижним трубопроводом в конвекторах, или используется схема течения через распределительный клапан. Применяются также конструктивные приемы в виде отдельных устройств: специальные колена, двойные изгибы трубопровода, наклонные участки трубопровода, косые каналы в специальных вставках в трубопровод и др. см., например, [2, стр, 1.43]; [3] (R.Petitjean, Balancing of Radiator Systems. Tour & Andersson Hydronics AB, Ljung, Sweden, 1994, стр. 47).

Недостатком известных устройств является недостаточное уменьшение остаточной теплоотдачи.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, принятое за прототип и приведенное в [4] (Свидетельство на полезную модель №22528, опубл. 10.04.2002, бюл.№10).

Известное устройство (прототип) представляет собой терморегулирующий узел для установки между системой отопления и прибором отопления, который содержит термостатический вентиль с входным штоком, входом и выходом, подающий и сливной каналы с приспособленными концевыми частями для соединения с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, соединенные между собой смещенным байпасом.

Недостатком этого известного устройства являются малые величины коэффициента затекания и отсутствие его регулировки для прибора отопления, что ограничивает возможности при настройке всей однотрубной системы отопления, перекладывая фактически эту функцию на дополнительные устройства регулировки потока.

Целью изобретения является уменьшение остаточной теплоотдачи узла отопления и упрощения настройки и эксплуатации системы водяного отопления.

Для устранения перечисленных недостатков предлагается узел терморегулирующий ГЕРЦ-УТЕ, содержащий термостатический вентиль с входным штоком, входом и выходом, напорный и сливной каналы с приспособленными концевыми частями для соединения с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, соединенные между собой смещенным байпасом, у которого в напорном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления включен вентиль с малым гидравлическим сопротивлением, у которого входной шток расположен горизонтально, вход, расположенный со стороны подводящей трубы системы отопления, и выход которого выполнены в виде плоских торцов с резьбой, в сливном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления расположен полнопроходной шаровой запорный кран, у которого ось вращения шара расположена горизонтально с возможностью образования наклонного канала в вертикальной плоскости, с входом и выходом, выполненных в виде однотипных с вентилем плоских торцов, проходные сечения запорного крана, напорного и сливного каналов равны ³/₄ дюйма, равны между собой и одинаковые с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, концевые части выполнены под сварку, расстояние между осями напорного и сливного каналов равно расстоянию между осями подающих и отводящих труб системы и прибора отопления и равно 80 мм, смещение байпаса находится в пределах 15…25% длины напорного канала между его концевыми частями и проходное сечение байпаса равно ¹/₂ дюйма.

Далее узел терморегулирующий ГЕРЦ-УТЕ имеет расстояние между осями напорного и сливного каналов, равное расстоянию между осями подающих и отводящих труб системы и прибора отопления и равное 130 мм, или 300 мм, или 500 мм.

Далее узел терморегулирующий ГЕРЦ-УТЕ имеет концевые части, выполненные резьбовыми.

Введенные новые существенные признаки в сравнении с прототипом позволяют более полно выполнить задачу устранения остаточного тепла, повысить энергосберегающие возможности однотрубной системы отопления с конвекторами и компоновкой в ней радиаторных термостатов.

Смещенный замыкающий участок (байпас) в сочетании с вентилем малого гидравлического сопротивления для однотрубных систем отопления позволяет увеличить коэффициент затекания в отопительный прибор. Расположение байпаса до вентиля в зоне 15…25% длины напорного канала между его концевыми частями и сечением ¹/₂ дюйма позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление всего узла.

Включение вентиля с малым гидравлическим сопротивлением для однотрубных систем отопления в напорный канал устройства, подключенного к системе отопления (например, с нижним розливом), позволяет иметь лучшие энергосберегающие характеристики устройства и уменьшить остаточную теплоотдачу. Для условно холодной части, разделенной послойно жидкости, в верхней части прибора отопления затруднены условия проникновения обратно в систему отопления, т.к. надо преодолевать силу тяжести и подниматься вверх.

Вентиль с входным штоком, у которого ось перемещения расположена горизонтально, позволяет без дополнительного монтажа установить в требуемое оптимальное положение термостатическую головку термостата.

Эксплуатационные характеристики устройства улучшены благодаря конструктивному новшеству в виде плоских торцов на входе и выходе вентиля, позволяющие легко демонтировать вентиль, отвернув накидные гайки со стороны трубопроводов напорного канала устройства и отодвинув их в стороны. При этом прибор отопления в процессе демонтажа вентиля не затрагивается.

Запорный кран, расположенный в сливном канале предлагаемого устройства, также улучшает эксплуатационные свойства. Запорный кран имеет полнопроходное сечение, что значительно уменьшает его сопротивление потоку теплоносителя и увеличивает коэффициент затекания. Гидравлически перекрывая напорный канал устройства запорным краном и сливной канал с помощью термостатического вентиля, можно демонтировать прибор отопления, не отключая всю систему отопления из работы.

Запорный кран, выполненный шаровым, имеет горизонтальную ось вращения шара. Это позволяет легко и просто поворотом на небольшой угол создать наклонный канал и сравнительно малое гидравлическое сопротивление основному потоку через прибор отопления. При этом для гравитационного перемещения слоев разделенной жидкости появляется значительное сопротивление для холодного слоя, находящегося в нижней части верхней трубы (объема) прибора отопления, и потенциально готовой вернуться обратно в систему отопления. За счет такого препятствия, образующего наклонный канал в вертикальной плоскости, уменьшается остаточная теплоотдача и увеличивается энергосбережение.

Регулируя проходное сечение шаровым краном, легко устанавливается требуемый коэффициент затекания в прибор отопления и настраивается вся однотрубная система отопления.

Далее, однотипность плоских торцов вентиля и запорного крана и их одинаковый диаметр, одинаковый размер проходных сечений (например, ³/₄ дюйма) значительно сокращает номенклатуру уплотнительных колец, накидных гаек и др. При этом упрощается монтаж и монтажный инструмент, сокращаются сроки регламентных работ, что в конечном счете удешевляет эксплуатацию системы отопления, укомплектованную предложенным терморегулирующим узлом.

Далее, у нагревательного элемента, например конвектора, 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. В таких же условиях работы находится и предлагаемый терморегулирующий узел. Тем самым уменьшается возможность утечки холодного слоя жидкости и его замены на более горячий. Следовательно, уменьшается остаточная теплоотдача и увеличивается энергосбережение.

Предложение поясняется чертежом, где представлена схема заявляемого терморегулирующего узла ГЕРЦ-УТЕ. На схеме представлено: подающая труба 1 системы отопления, 2 - концевая часть напорного канала для соединения с подающей трубой системы отопления, 3 - напорный канал терморегулирующего узла, 4 - вход термостатического вентиля, 5 - термостатический вентиль, 6 - термостатическая головка термостата, 7 - выход термостатического вентиля, 8 - концевая часть напорного канала для соединения с подающей трубой прибора отопления, 9 - подающая труба прибора отопления, 10 - отводящая труба системы отопления, 11 - концевая часть сливного канала для соединения с отводящей трубой системы отопления, 12 - сливной канал терморегулирующего узла, 13 - байпас, 14 - выход запорного крана, 15 - шаровой запорный кран, 16 - вход запорного крана, 17 - концевая часть сливного канала для соединения с отводящей трубой прибора отопления, 18 - отводящая труба прибора отопления, 19 - ось термостатической головки 6 и штока вентиля 5.

Если конструктивно терморегулирующий узел расположен в вертикальной плоскости, то рабочее положение оси 19 термостатической головки и вентиля - горизонтальное - перпендикулярно плоскости чертежа. На чертеже термостатическая головка показана условно повернутой на 90°. Также горизонтально расположена ось вращения шарового крана, чтобы при повороте шара можно образовать наклонный канал в вертикальной плоскости.

Если конструктивно терморегулирующий узел расположен в горизонтальной плоскости, то ось 19 вентиля и термостатической головки так же расположены горизонтально, как и ось шарового крана.

При любом положении терморегулирующего узла оси термостатической головки и шарового крана параллельны между собой и остаются в горизонтальной плоскости.

Терморегулирующий узел ГЕРЦ-УТЕ работает следующим образом (см. чертеж).

Теплоноситель от подающей трубы 1 системы отопления (например, с нижним розливом) проходит по первой ветви через напорный канал 3, вентиль 5 термостата к подающей трубе 9 прибора отопления, прибор отопления (на чертеже не показан) в отводящую трубу 18 прибора отопления, запорный кран 15, сливной канал 12, в отводящую трубу 10 системы отопления.

Одновременно теплоноситель проходит по второй ветви из напорного канала 3 через байпас 13 в сливной канал 12 терморегулирующего узла и далее к отводящей трубе 10 системы отопления.

Рассмотрим проявление нового качества предложенных признаков на примере работы в составе прибора отопления в системе отопления.

1) Вентиль 5 термостата открыт. Ось 19 штока вентиля 5 и термостатической головки 6 расположена горизонтально. На вход термостата 5 теплоноситель поступает из подающей трубы 1 системы отопления. Температура в помещении поддерживается термостатом путем регулирования проходного сечения термостатического вентиля 5. Воздух помещения омывает расположенную горизонтально термостатическую головку 6. В процессе слежения за температурой помещения изменяется соотношение между расходами жидкости, протекающей через вентиль 5 и байпас 13, при постоянстве расхода жидкости через подающую трубу 1, напорный канал 3, сливной канал 12 и отводящую трубу 18 системы отопления. При этом изменяется коэффициент затекания в прибор отопления, определяя соотношение расходов через термостатический вентиль 5 и байпас 13 и теплоотдачу от прибора отопления в помещение,

Наличие одноходового термостатического вентиля 5, выполненного как отдельная часть всего узла (готовое изделие в комплекте узла), позволяет применить вентиль более простой конструкции с расходными характеристиками (K_vs) значительно превышающими аналогичные характеристики двухходовых вентилей.

Кроме того, при работе термостата, воздействующего на вентиль 5, например, уменьшающего проходное сечение при повышении температуры в помещении, включается гидравлическая местная отрицательная обратная связь, повышающая устойчивость контура регулирования по температуре помещения, за счет того, что увеличенный поток теплоносителя, проходящий по байпасу 13, подхватывает часть потока из прибора отопления по трубе 18, увеличивает коэффициент затекания в прибор отопления, несколько тормозит процедуру охлаждения помещения и уменьшает общий коэффициент усиления в контуре регулирования “регулятор температуры - помещение”. При этом увеличивается постоянная времени термостата и повышается устойчивость в целом однотрубной системы отопления (усиливается ее инерционность при колебаниях расхода по разным ветвям) при работе термостатов помещения в разных точках на разных этажах здания.

Аналогичная работа ограничителя нагрева происходит при охлаждении помещения. Термостат воздействует на вентиль 5, который открывает проходное сечение для доступа теплоносителя к прибору отопления и уменьшения его потока через байпас 13. После некоторого переходного процесса наступает установившийся режим величины расхода теплоносителя через вентиль 5 и прибор отопления.

В отсутствие автоматического регулятора температуры помещения (термостата) вентилем управляют вручную, что характеризуется скачкообразным изменением положения затвора вентиля и проходного сечения. Такая процедура регулировки вентиля в разных точках на разных этажах может привести к возможной разбалансировке системы отопления. Применение запорного крана 15 сглаживает колебания давления и расхода в системе из-за работы гидравлической местной отрицательной обратной связи и повышается устойчивость системы отопления.

Шаровой запорный кран 15 имеет возможность регулировки, при этом изменяется проходное сечение для потока теплоносителя через байпас 13, чем достигается разный коэффициент затекания и соотношение расходов по одной ветви через вентиль термостата, конвектор и по другой ветви через байпас 13. Такая регулировка позволяет в целом по всей системе отопления, например для многоэтажного здания, провести настройку по теплоотдаче приборов отопления на разных этажах и помещениях с различным уровнем теплопотерь.

2) Вентиль 5 термостата закрыт. Теплоноситель из трубы 1 системы отопления направляется в байпас 13 и далее через сливной канал 12 в отводящую трубу. При равновесии динамических давлений, с одной стороны снаружи на срезе байпаса 13 при входе в сливной канал 12 и с другой стороны внутри сливного канала 12, достигается отсутствие расхода теплоносителя и уменьшения "остаточной" теплоотдачи от прибора отопления радиатора, конвектора, которая в известной схеме ее излучает.

При этом наклонный канал в вертикальной плоскости в запорном элементе (шаре) крана 15 препятствует гравитационному перемещению слоев жидкости.

В этом случае в полной мере функционирует терморегулирующий узел, выполняя свое назначение, появляется возможность уменьшения циркуляции в сливном канале узла, отводящей трубе прибора отопления, вентиле термостата, конвекторе. Это свойство в свою очередь увеличивает ресурс и сроки использования дорогостоящего регулятора температуры – термостата.

Кроме того, при закрытом положении вентиля 8 уменьшенный конвективный обмен между слоями теплоносителя в приборе отопления также уменьшает отложения, предотвращая известкование пары седло-затвор вентиля.

Кроме того, байпас 13 вместе со сливным 12 и напорным 3 каналами, позволяет значительно уменьшить гидравлическое сопротивление всего отопительного узла, в который входит прибор отопления, термостат 5, полнопроходной запорный кран 15. Этому уменьшению гидравлического сопротивления способствует также конструктивный признак, характеризующий размеры проходных сечений вентиля 5, напорного 3 и сливного 12 каналов, запорного крана 15 и концевых частей 2, 8, 11, 17, которые имеют одинаковое сечение.

В сравнении с известными устройствами предлагаемый терморегулирующий узел с помощью одноходового термостатического вентиля, расположенного в напорном канале на входе в прибор отопления, и запорного крана, расположенного в сливном канале на выходе из прибора отопления и одинаковых проходных сечений, осуществляет: 1) функциональное назначение - уменьшение остаточной теплоотдачи - с возможностью количественного изменения притока тепла, достигается энергосбережение, как в случае работы автоматического регулятора температуры помещения (термостата), так и ручного управления; 2) упрощение проектирования и эксплуатации как отопительных приборов, так и в целом отопительной системы; 3) повышается в целом устойчивость системы отопления здания.

Изобретение относится к системам отопления зданий, а также к энергосберегающим автоматическим системам отопления различных строений. Технический результат: уменьшение остаточной теплоотдачи узла отопления и упрощения настройки и эксплуатации системы водяного отопления. Терморегулирующий узел содержит термостатический вентиль с входным штоком, входом и выходом, напорный и сливной каналы с приспособленными концевыми частями для соединения с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, соединенные между собой смещенным байпасом, причем в напорном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления включен вентиль с малым гидравлическим сопротивлением, у которого входной шток расположен горизонтально, вход, расположенный со стороны подводящей трубы системы отопления, и выход которого выполнены в виде плоских торцов с резьбой. В сливном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления расположен полнопроходной шаровой запорный кран, у которого ось вращения шара расположена горизонтально с возможностью образования наклонного канала в вертикальной плоскости, с входом и выходом, выполненными в виде однотипных с вентилем плоских торцов. Проходные сечения запорного крана, напорного и сливного каналов равны ³/₄ дюйма, равны между собой и одинаковые с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, концевые части выполнены под сварку. Расстояние между осями напорного и сливного каналов равно расстоянию между осями подающих и отводящих труб системы и прибора отопления и равно 80 мм. Смещение байпаса находится до вентиля в пределах 15…25% длины напорного канала между его концевыми частями и проходное сечение байпаса равно ¹/₂ дюйма. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Терморегулирующий узел, содержащий термостатический вентиль с входным штоком, входом и выходом, напорный и сливной каналы с приспособленными концевыми частями для соединения с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, соединенные между собой смещенным байпасом, отличающийся тем, что в напорном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления включен вентиль с малым гидравлическим сопротивлением, у которого входной шток расположен горизонтально, его вход, расположенный со стороны подводящей трубы системы отопления, и выход которого выполнены в виде плоских торцов с резьбой, в сливном канале между байпасом и концевой частью к прибору отопления расположен полнопроходной шаровой запорный кран, у которого ось вращения шара расположена горизонтально с возможностью образования наклонного канала в вертикальной плоскости, с входом и выходом, выполненными в виде однотипных с вентилем плоских торцев, проходные сечения запорного крана, напорного и сливного каналов равны ѕ дюйма, равны между собой и одинаковые с подающей и отводящей трубами системы отопления и прибора отопления, концевые части выполнены под сварку, расстояние между осями напорного и сливного каналов равно расстоянию между осями подающих и отводящих труб системы и прибора отопления и равно 80 мм, смещение байпаса находится до вентиля в пределах 15…25% длины напорного канала между его концевыми частями и проходное сечение байпаса равно Ѕ дюйма.2. Терморегулирующий узел по п.1, отличающийся тем, что расстояние между осями напорного и сливного каналов равно расстоянию между осями подающих и отводящих труб системы и прибора отопления и равно 130 мм, или 300 мм, или 500 мм.3. Терморегулирующий узел по п.1, отличающийся тем, что концевые части выполнены резьбовыми.