СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ПОМЕЩЕНИЯХ (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F24F3/14 F24H3/02 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к установкам с принудительной подачей воздуха как тепло или хладоносителя и выполняющим функцию формирования микроклимата в отапливаемом или охлаждаемом помещении.

Аналогом к заявленному изобретению является теплогенератор, содержащий кожух, топку с колосниковой решеткой, газовоздушный теплообменник, газоход, выпускные патрубки и вентилятор теплоносителя.

Работа известного теплогенератора основана на технологии нагрева воздуха, подаваемого потребителю, включающей нагнетание воздуха вентилятором в топку и подачу через теплообменник потребителю. (См. патент РФ №2147106, F 24 Н 3/02,1997).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является воздухонагревательный аппарат, содержащий кожух, топку, газовоздушный теплообменник, газоход, увлажнитель и выпускные патрубки (см. пат. СССР №14011, F 24 H 3/08, 1930).

Изобретение поясняется чертежами, где на:

Фиг.1 - принципиальная схема движения и обработки воздуха в установке;

Фиг.2 - продольный разрез по А-А установки;

Фиг.3 - поперечный разрез по Б-Б на Фиг.2 установки;

Фиг.4 - труба с завихрителем;

Фиг.5 - сечение по В-В на Фиг.4;

Фиг.6 - схема отопления обогреваемого пола с последующей раздачей воздуха через инжекционные устройства в обогреваемые помещения;

Фиг.7 - то же, в режиме охлаждения.

Сущность изобретения.

Способ формирования микроклимата в помещениях, включающий нагрев воздуха в теплообменнике посредством сжигания топлива в топке, предварительный нагрев воздуха смешением с холодным и увлажнение его перед подачей потребителю. Предварительный нагрев воздуха осуществляют в воздушном элеваторе, затем через трубчатые теплообменники осуществляют основной нагрев воздуха, а увлажнение воздуха осуществляют в рециркуляционной линии, при этом из полости топки, зольника и увлажнителя конденсируемую влагу удаляют с помощью дренажа, причем в топку воздух нагнетают вентилятором. (Вариант 1).

Способ формирования микроклимата в помещениях, включающий укладывание в летний период к трубчатому теплообменнику водяного или сухого льда, нагнетание воздуха вентилятором в топку и подачу его через теплообменник потребителю, при этом из полости топки и зольника влагу удаляют с помощью дренажа. (Вариант 2).

Установка для формирования микроклимата в помещениях содержит кожух, топку с колосниковой решеткой, газовоздушный теплообменник, газоход, выпускные патрубки и вентилятор, она снабжена сборным коллектором, нижней воздушной камерой, трубчатыми теплообменниками, рециркулирующей линией с фильтром и воздушным элеватором, выполненным в виде горизонтальных, связанных последовательно каналов, снимающих тепло с наружных боковых сторон кожуха, а вертикальные трубчатые с завихрителями теплообменники установлены с внутренних боковых сторон стенки топки, образуют в верхней части потолочную часть теплообменника топки и связывают нижнюю воздушную камеру, расположенную под днищем зольника, со сборным коллектором и выпускными патрубками, причем рециркуляционная линия снабжена увлажнителем воздуха и связывает воздушный элеватор со сборным коллектором нагретого воздуха. Объем нижней воздушной камеры в два раза больше объема верхней воздушной камеры сборного коллектора нагретого воздуха.

Завихритель выполнен в виде металлической ленты толщиной 0,7-1,45 мм с разрезами по краям боковых сторон 1-3 мм и с шагом закрутки завихрителя В по отношению к диаметру труб D=4-7.

Полость топки, зольника и увлажнителя снабжена дренажем для удаления влаги.

В установке для воздушного отопления реализуются с помощью создания новой технологии более эффективные процессы организации пиролиза твердого топлива, его горения в топке до полного его выгорания с учетом минимального количества загрузок топлива.

Цель изобретения - создание новых простых недорогих многофункциональных установок получения тепла или холода для обеспечения необходимого микроклимата в обогреваемом или охлаждаемом помещении с использованием атмосферного воздуха как теплоносителя и хладоносителя.

Обеспечение необходимого микроклимата предусматривает, например, кондиционирование воздуха, создание и поддержание в закрытых помещениях состояния воздушной среды, наиболее благоприятной для самочувствия людей: зимой - тепла, а летом - прохлады. Системы кондиционирования воздуха включают технические средства для подогрева (охлаждения), очистки, увлажнения и перемещения воздуха, а также регулирование его температуры, влажности, давления и скорости движения.

Другой целью изобретения является создание нового принципа воздушного отопления жилых или производственных зданий с использованием воздуха как теплоносителя в отопительной системе обогреваемого пола, где могут быть удачно использованы теплофизические характеристики и температурный напор воздуха с последующей инфильтрацией его в обогреваемое помещение. Известно, что современная отопительная и климатическая техника получения тепла или холода достигла значительных результатов по техническим характеристикам работы своего оборудования, но является дорогостоящей, требующей значительных капитальных затрат на установку, сервис, входного контроля к качеству энергоносителей, высокого уровня подготовки обслуживающего персонала, что в суммарном выражении приводит к высокой себестоимости выработанного тепла или холода.

В общем смысле влияние стоимости топлива, котельного или другого оборудования, его технические и эксплуатационные характеристики являются прямыми факторами себестоимости выработанного тепла или холода. Выбор технологической схемы работы оборудования и в частности такого рабочего агента, как атмосферный воздух в качестве теплоносителя, служит сопутствующим фактором в снижении себестоимости, так как имеет ряд преимуществ перед такими теплоносителями, как вода, тосол и др. К основным преимуществам использования воздуха в качестве теплоносителя относится упрощение технологической схемы организации систем отопления с использованием устройства обогреваемого пола с последующей раздачей воздуха через инжекционные устройства в обогреваемые помещения.

Ввиду вышесказанного было бы желательно иметь установку, которая не предъявляла бы высоких требований к твердому топливу, кроме ограничений по влажности, обеспечивала полноту его сгорания. Кроме того, было бы желательно иметь такую установку, которая в дополнение к другим своим характеристикам была бы способна вырабатывать холод, например в летний период.

Заявляемые способы и установка дают значительные преимущества перед известными.

Во-первых, позволяют использовать недорогое низкосортное твердое топливо, а кроме того, применение воздуха в качестве теплоносителя делает возможным его более эффективное использование для отопления обогреваемых помещений и формирования в них необходимого микроклимата. Во-вторых, вследствие более гибкого использования топки котла и размещения внутри нее водяного или сухого льда, приточный воздух может быть охлажден и охлажденным подаваться потребителю.

Достигаемый изобретением технический результат заключается в повышении съема тепла с единицы площади теплообменной поверхности установки за счет интенсификации теплообмена, надежности работы, создания оптимального температурного режима пиролиза твердого топлива, эффективного горения топлива в топке, повышения эффективности и оптимальности теплопередачи от топочных газов к рабочему агенту через стенки труб и стенки топки, улучшения монтажных качеств и эксплуатационной надежности.

На приведенных чертежах представлены следующие конструктивные элементы:

1 - воздушные фильтры, 2 - вентилятор, 3 - теплообменник, 4 - стенки топки, 5 - воздушная камера, 6 - радиационные трубы, 7 - зольник, 8 - дно решетки, 9 - камеры топки, 10 - воздушная камера, 11 - сборный коллектор, 12 - выпускной патрубок, 13 - трубопровод 14 - увлажнитель, 15 - газоход, 16 - воздушный элеватор, 17-19 - дренажные устройства удаления избыточной влаги, 20 - спиральный завихритель, 21 - трубопровод воздухопровода, 22 - трубопровод рециркуляции, 23 - воздуховоды распределительной гребенки, 24 - системы обогреваемого пола, 25 - инжектирующие системы, 26 - дымовая труба.

Способ включает (Фиг.1) пропускание теплоносителя через воздушные фильтры 1, вентилятор 2, спаренные теплообменники 3 с коридорным движением воздуха для снятия тепла с наружных стенок 4 топки 9, нижней воздушной камеры 5, в которую вварены стальные радиационные трубы 6, которые проходят через зольник 7, дно решетки 8, основания топки камеры топки 9 и ввариваются в верхнюю воздушную камеру 10, являющуюся сборным коллектором 11 расположенных вдоль топки 9 радиационных труб 6. Из камеры 10 теплоноситель поступает в выпускной патрубок 12 и по рециркуляционному трубопроводу 22, в котором размещен увлажнителем 14 в воздушный элеватор 16, в котором происходит смешение приточного холодного воздуха с нагретым и увлажненным воздухом рециркуляционного трубопровода 22. Из увлажнителя 14, полости топки 9 и зольника 7 удаляется влага посредством дренажных устройств удаления избыточной влаги 17, 18, 19, причем теплоноситель циркулирует в боковых экранных системах со скоростью 10-25 м/сек, в радиационных трубах 6 скорость воздушного потока составляет 15-40 м/сек. Размещенный внутри трубы 6 спиральный завихритель 20 при таких скоростях потока воздуха образует тангенциальную составляющую вектора скорости потока, который влияет на температурное сопротивление пограничного слоя, что приводит к увеличению теплосъема с внутренней поверхности радиационной трубы 6, тем самым снижая температуру стенки трубы 6, а вместе с ней и температуру внутри топочного объема установки до температур, при которых идет оптимальный режим пиролиза твердого топлива.

Достигаемый изобретением технический результат заключается в повышении съема тепла с единицы площади нагрева экранной поверхности за счет интенсификации теплообмена, газификации твердого топлива и его эффективного сжигания в топке. Теплоноситель после прохождения процесса увлажнения и нагрева в определенном диапазоне температур наружного воздуха имеет параметры, близкие к тем, которые могут быть получены в системах кондиционирования воздуха и которые необходимы для формирования микроклимата в обогреваемом помещении как в зимний, так и летний периоды года. Способ нагрева, в котором теплоносителем является атмосферный воздух, предусматривает его использование как для открытой схемы с разбором теплоносителя, так и закрытой схемы циркуляции теплоносителя с его возвратом через обратную линию циркуляции на всасывание приточного вентилятора 2 и далее на нагрев в установку. Вода для увлажнителя 14 подается из водопровода по трубопроводу 21. Длина завихрителя составляет 0,5-0,8 длины трубы, а соотношение шага завивки завихрителя к диаметру трубы составляет 0,8-1,45.

Способ нагрева теплоносителя в установке иллюстрируется на Фиг.1, где показана схема движения теплоносителя по всему тракту теплообменной поверхности как в случае нагрева, так и в случае охлаждения теплоносителя.

Теплоноситель, пройдя фильтрацию в воздушном фильтре 1, приточным вентилятором 2 подается в два боковых теплообменника 3, в которых происходит охлаждение боковых стенок 4 топки при коридорном движении теплоносителя сверху вниз под днище зольника 7, в которое вварены трубы 6 с размещенными в них завихрителями 20. Трубы 6 вварены в сборный верхний коллектор 11 воздушной распределительной камеры 10, из которой выходит трубопровод подачи теплоносителя к потребителю тепла и трубопровод рециркуляции теплоносителя. На этой магистрали устанавливают увлажнитель 14 воздуха, после которого нагретый воздух, насыщаясь влагой, снижает свою температуру не снижая теплосодержания, подается в воздушный элеватор 16 трубопровода приточного воздуха, по которому воздух подается в два боковых экрана 3 охлаждения стенок топки 4. Указанный способ включает в себя создание необходимых температурных условий, при которых возможен максимальный выход летучих горючих газов из твердого топлива, и отличается тем, что для горения используется подогретый увлажненный воздух, используемый из трубопровода рециркуляции 22 после увлажнителя 14.

По схеме Фиг.3 охлаждение воздуха происходит на тех же принципах, что и нагрев агента, только вместо нагрева в топку установки у радиационных труб размешается сухой лед или куски льда, намороженного в зимний период из пресной воды, для чего в днище зольника 7 имеется дренаж воды 18, образующейся от таянья льда, для слива в канализацию 19.

Первая стадия нагрева рабочего агента происходит в линии после выведения на режим горения установки, в воздушном элеваторе 16, в котором приточный воздух смешивается с рециркуляционным нагретым теплоносителем.

Вторая стадия нагрева происходит в боковых экранах 3 по схеме движения, представленной на Фиг.3.

Третья стадия нагрева происходит в нижней воздушной камере 5 за счет охлаждения поверхности дна зольника 7.

Четвертая стадия нагрева происходит в радиационных трубах топки 9.

Пятая стадия нагрева происходит в верхней воздушной камере 10 за счет охлаждения поверхности потолочной части топки установки 9, которая служит дном и сборным коллектором 11 нагретого теплоносителя.

Установка работает следующим образом.

В топке 9 происходит сжигание твердого топлива, при этом газы, образующиеся при сгорании топлива в топке установки, отдают свое тепло радиационным трубам 6, формируя необходимое температурное поле внутри топочного объема установки, и удаляются через газоход 15.

Интенсификация теплообмена обеспечивается введением спирального завихрителя 20 из стальной ленты шириной 0.9D внутреннего диаметра экранной трубы и с шагом завивки С/Д=4,05-6,50.

Установка содержит (Фиг.1) воздушный фильтр 1, дутьевой вентилятор 2, два наружных теплообменника 3 с принудительным коридорным движением воздуха для снятия тепла с наружной стенки топки 4, нижней воздушной камеры 5, в которую вварены стальные трубы 6, которые проходят через зольник 7, дно решетки основания топки котла 8, топку 9 и ввариваются в верхнюю воздушную камеру 10, и с радиационных труб 6, расположенных вдоль топки 9. Кроме того, установка содержит выпускной патрубок 12, газоход 15 устройства системы удаления влаги 17, 18, 19.

В трубах 6 установлены лепестковые спиральные завихрители 20 воздуха.

Длина завихрителя 20 составляет 0,5-0,8 длины трубы, а соотношение шага завивки завихрителя к диаметру трубы 6 составляет 0,8-1,45.

Устройство для завихрения воздушного потока в радиационной трубе 6 топки показано на Фиг.4, 5. Образуя тангенциальную составляющую скорости воздушного потока теплоносителя в пограничном слое на поверхности теплообмена в трубе, интенсифицируется теплообмен между трубой 6 и воздухом, температура поверхности трубы 6 в топке котла снижается, что влечет за собой снижение температуры внутри топки 9 по всему объему топочного пространства, чем достигается оптимальный режим пиролиза твердого топлива и максимальный выход горючих газов из топлива, которые равномерно и эффективно сгорают в топке 9 установки. Влага, содержащаяся в твердом топливе, до определенного предела положительно влияет на процесс пиролиза твердого топлива, происходящего в топке 9. Таким образом, вследствие повышения эффективности теплообмена реализуется существенное сокращение расхода топлива за счет эффективного его сгорания в топке. Далее в соответствии с изобретением на интенсификацию теплообмена оказывает влияние увлажнитель 14 для увлажнения воздуха, который может увеличить содержание влаги в воздухе при отрицательных температурах наружного воздуха от одного грамма в одном кубическом метре воздуха до 14-18 грамм, на каждые 1000 кубических метров приточного воздуха распылить до 16-18 кг воды в виде аэрозоли для получения комфортных условий внутри обогреваемых помещений при условии, что этот воздух будет использован как источник подачи свежего воздуха приточной системы вентиляции. Вода для увлажнения подается из водопровода по трубопроводу 21 на увлажнитель 14.

Таким образом, цели изобретения реализуются с помощью теплоносителя, который представляет собой двухкомпонентный состав-воздух плюс вода, что в свою очередь через изменения теплоемкости агента и скрытой теплоты парообразования влияет на процесс теплообмена. Наибольший эффект достигается при условии, когда размер частиц влаги при увлажнении достигает от 15-40 микрон. С этой целью в установке предусмотрена байпасная линия рециркуляции воздуха 22, в которой устанавливается увлажнитель 14. На Фиг.1 показана схема циркуляции рабочего агента с параллельным соединением конвективных наружных теплообменников 3, приточного вентилятора, линии рециркуляции с увлажнителем 14 для увлажнения воздуха распределительной камеры 5, трубной части топки 9, сборного коллектора 11 выпускного патрубка 12, воздушного фильтра 1, воздуховодов распределительной гребенки 23, системы обогреваемого пола 24, инжектирующих систем 25 подачи агента непосредственно во внутрь помещения, системы обратного циркуляционного воздуховода, подающий агент на всасывание приточного вентилятора 2 и обеспечивающий циркуляцию в отопительной сети.

Установка работает следующим образом.

Она может работать на твердом, жидком, газообразном топливе, но наибольший экономический результат дает при использовании твердого топлива.

Газы, образующиеся при сжигании топлива в топке, омывают топочные радиационные экраны 6, поднимаются в верхнюю часть топки установки 9, отдают тепло трубам 6 установки и через стенки топки 9 удаляются из нее через газоход 15 и дымовую трубу 26 в атмосферу. Воздух приточным вентилятором 2 по схеме, представленной на Фиг.1, подается в два боковых теплообменника 3, в которых воздух проходит восемь ходов, омывая наружную стенку топки установки сверху вниз, подается в нижнюю распределительную камеру 5, расположенную под днищем зольника 7 (фиг.1). Теплоноситель входит в трубы 6, закручивается с помощью завихрителя 20 потока воздуха и выпускается в верхнем сборном коллекторе 11, из которого, минуя фильтр очистки нагретого воздуха направляется в распределительную сеть к потребителям тепла (Фиг.1). Эта схема предусматривает наличие трубопровода 22 рециркуляционной линии, на которой устанавливается увлажнитель 14 воздуха, который через воздушный элеватор 16 подсоединяется к нагнетательному трубопроводу проточного потока после вентилятора 2 на вход в боковые теплообменники 3. Кроме того, предусматривается частичный отбор воздуха из рециркуляционной линии для нужд самой установки в период ее растопки и максимальной нагрузки при минимальных температурах наружного воздуха. В летний жаркий период установка выполняет функции охлаждения воздуха, подаваемого в помещения за счет того, что в топке размещают куски водяного или сухого льда, талая вода которых через дренаж 18,19 удаляется в канализацию, а выделяемый газ удаляется через газоход 15. Все теплообменники состоят из труб, в зависимости от мощности установки трубная решетка может быть как однорядная, так и двухрядная.

Изобретение относится к теплотехнике и может использоваться при создании новых простых недорогих многофункциональных установок получения тепла или холода для обеспечения необходимого микроклимата в обогреваемом или охлаждаемом помещении, используя атмосферный воздух как теплоноситель и хладоноситель. Сущность изобретения по первому варианту в том, что для формирования микроклимата в помещениях используют способ, включающий нагрев воздуха в теплообменнике посредством сжигания топлива в топке, предварительный нагрев воздуха посредством смешения с холодным и увлажнение его перед подачей потребителю. Предварительный нагрев воздуха осуществляют в воздушном элеваторе, а увлажнение воздуха осуществляют в рециркуляционной линии, при этом из полости топки, зольника и увлажнителя конденсируемую влагу удаляют с помощью дренажа, причем в топку воздух нагнетают вентилятором. Способ формирования микроклимата в помещениях по второму варианту включает укладывание в летний период к трубчатому теплообменнику водяного или сухого льда, нагнетание воздуха вентилятором в топку и подачу его через теплообменник потребителю, при этом из полости топки и зольника влагу удаляют с помощью дренажа. (Вариант 2). Установка для формирования микроклимата в помещениях содержит кожух, топку с колосниковой решеткой, газовоздушный теплообменник, газоход, выпускные патрубки и вентилятор, она снабжена сборным коллектором, нижней воздушной камерой, трубчатыми теплообменниками, рециркулирующей линией с фильтром и воздушным элеватором, выполненным в виде горизонтальных, связанных последовательно каналов, снимающих тепло с наружных боковых сторон кожуха, а вертикальные трубчатые с завихрителями теплообменники установлены с внутренних боковых сторон стенки топки и образуют в верхней части потолочную часть теплообменника топки и связывают нижнюю воздушную камеру, расположенную под днищем зольника со сборным коллектором и выпускными патрубками, причем рециркуляционная линия снабжена увлажнителем воздуха и связывает воздушный элеватор со сборным коллектором нагретого воздуха. Объем нижней воздушной камеры в два раза больше объема верхней воздушной камеры сборного коллектора нагретого воздуха. Завихритель выполнен в виде металлической ленты с разрезами по краям боковых сторон и с шагом закрутки завихрителя по отношению к диаметру труб равным 4-7. Полость топки, зольника и увлажнителя снабжена дренажем для удаления влаги. Такие варианты способа формирования микроклимата и установка для его осуществления позволяют создавать и поддерживать в закрытых помещениях состояние воздушной среды, наиболее благоприятное для самочувствия людей зимой и летом.3 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ формирования микроклимата в помещениях, включающий нагрев воздуха в теплообменнике посредством сжигания топлива в топке, предварительный нагрев воздуха смешением с холодным и увлажнение его перед подачей потребителю, предварительный нагрев воздуха осуществляют в воздушном элеваторе, затем через трубчатые теплообменники осуществляют основной нагрев воздуха, а увлажнение воздуха осуществляют в рециркуляционной линии, при этом из полости топки, зольника и увлажнителя конденсируемую влагу удаляют с помощью дренажа, причем в топку воздух нагнетают вентилятором.2. Способ формирования микроклимата в помещениях, включающий размещение в летний период в топке у радиационных труб водяного или сухого льда, нагнетание воздуха вентилятором в топку и подачу его через теплообменник и трубопроводы потребителю, при этом из полости топки и зольника влагу удаляют с помощью дренажа.3. Установка для формирования микроклимата в помещениях содержит кожух, топку с колосниковой решеткой, газовоздушный теплообменник, газоход, выпускные патрубки и вентилятор, она снабжена сборным коллектором, нижней воздушной камерой, трубчатыми теплообменниками, рециркулирующей линией с фильтром и воздушным элеватором, выполненным в виде горизонтальных, связанных последовательно каналов, снимающих тепло с наружных боковых сторон кожуха, а вертикальные трубчатые с завихрителями теплообменники установлены с внутренних боковых сторон стенки топки и образуют в верхней части потолочную часть теплообменника топки и связывают нижнюю воздушную камеру, расположенную под днищем зольника со сборным коллектором и выпускными патрубками, причем рециркуляционная линия снабжена увлажнителем воздуха и связывает воздушный элеватор со сборным коллектором нагретого воздуха.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что объем нижней воздушной камеры в два раза больше объема верхней воздушной камеры сборного коллектора нагретого воздуха.5. Установка по пп.3, 4, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде металлической ленты с толщиной 0,7-1,45 мм с разрезами по краям боковых сторон 1-3 мм и с шагом закрутки завихрителя В по отношению к диаметру труб D=4-7.6. Установка по пп.3-5, отличающаяся тем, что полость топки, зольника и увлажнителя снабжена дренажем для удаления влаги.