Изобретение относится к автономным системам потребления подогретой воды, преимущественно в системах центрального отопления и/или горячего водоснабжения с использованием тепловых аккумуляторов, аккумулирующих тепло в теплоемких массах.
Из уровня техники известны автономные системы подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения (в дальнейшем системы подогрева воды или системы), которые нашли применение в технике.
Известна система подогрева воды, содержащая топочный котел с дымоходом, расширительный бак, нагревательные приспособления, установленные в обогреваемых помещениях, а также подающую и обратную линии. Система дополнительно содержит тепловой насос, который состоит из соединенных между собой трубопроводами адсорбера с теплообменником для отвода тепла адсорбции, конденсатора, ресивера с запорным вентилем, испарителя и аккумулятора тепла, причем адсорбер расположен в дымоходе котла после поверхности нагрева, а конденсатор и испаритель в объеме аккумулятора тепла [«Автономна система водяного опалення будiвель» UA 32681 (А) (Iнститут технiчноï теплофiзики нацiональноï академiï наук Украïни) F24D 3/00; 15.02.2001; аналог] [1].
Недостатком известной системы [1] является большое потребление топлива, что повышает себестоимость подогрева воды.
Известна также система подогрева воды, содержащая котел, подключенный подающей линией к нагревательным устройствам, связанным с обратной линией, в какой установлено средство регулирования подачи теплоносителя, и снабженный приспособлением принудительной циркуляции теплоносителя, который соединен нагнетательным трубопроводом с обратной линией и дополнительным трубопроводом с запорным клапаном - подающей линией. Приспособление принудительной циркуляции теплоносителя выполнено в виде сифона, при этом средство регулирования подачи теплоносителя выполнено в виде двух обратных клапанов, расположенных с обеих сторон от точки соединения нагнетательного трубопровода с обратной линией с возможностью поочередного перепускания теплоносителя в котел и паровую полость [«Одноконтурна опалювальна система малоï та середньоï потужностi» UA 42849 (U) (Донецкий нацiональний технiчний унiверситет) F24D 11/00; F24D 3/00; 27.09.2009; аналог] [2].
Недостатком известной системы [2] является отсутствие теплового аккумулятора, что снижает эффективность подогрева воды.
Известна также система подогрева воды, содержащая гидравлически сообщенный с контуром циркуляции воды нагреватель, отопительные элементы в обогреваемых помещениях, гидравлически подключенные к контуру циркуляции, расширительный бак, сообщенный с контуром циркуляции. Нагреватель содержит расположенный в нижней части контура циркуляции и сообщенный с ним через задатчик расхода воды парогенератор, а выход парогенератора теплоизолированным паропроводом сообщен с паровым входом установленного последовательно в верхнюю часть контура циркуляции парожидкостного эжекционного насоса-конденсатора [«Система водяного отопления» RU 2226653 (С2) (Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «ТГМ») F24D 3/02; 10.04.2004; аналог] [3].
Недостатком известной системы [3] является большое потребление топлива и отсутствие теплового аккумулятора, что повышает себестоимость подогрева воды.
Известна также система подогрева воды, содержащая сообщенные с контуром циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» и «обратный» трубопроводы, соответственно прямой и обратной подачи теплоносителя, тепловой аккумулятор, выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ), заключенным в теплоизолирующую оболочку и корпус, и снабженный нагревателями, пароконденсатор, систему потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, и циркуляционные насосы ["Pipe apparatus in heat accumulator" WO 9005271 (A1) (JAKOSSON LEIF)(SE) F24D 11/00; F24H 7/04; 17.05.1990; аналог] [4].
Недостатком известной системы [4] является ее сложность и недостаточная эффективность теплообменных процессов в пароконденсаторе между жидким теплоносителем (водой) контура циркуляции и паром, генерируемым тепловым аккумулятором, что повышает себестоимость подогрева воды.
Известна также наиболее близкая по назначению, количеству общих признаков и достигаемому результату система подогрева воды, содержащая сообщенные с контуром циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» и «обратный» трубопроводы, соответственно прямой и обратной подачи теплоносителя, тепловой аккумулятор, выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ), заключенным в теплоизолирующую оболочку и корпус, и снабженный нагревателями, систему потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, циркуляционный насос и расширительный бак ["Installation de chauffage central à eau chaude et precédé pour sa mise en oeuvre" FR 1429176 (A) (WITTE HEIZTECHNIK GMBH & CO) F24D 12/02; F24D 12/00; 18.02.1966; наиболее близкий аналог-прототип] [5].
Недостатком известной системы [5] является ее сложность и недостаточная эффективность теплообменных процессов между жидким теплоносителем (водой) контура циркуляции и паром, генерируемым тепловым аккумулятором, заключающаяся в основном в конвективном теплообмене с теплопередачей через стенки трубопроводов, по которым они циркулируют, что повышает себестоимость подогрева воды.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование конструкции системы подогрева воды путем введения в ее состав средств, обеспечивающих как конвективный теплообмен через стенки трубопроводов, так и прямой обмен между теплоносителем (водой) и подогревающей средой (подогретой водой или водой, конденсируемой из пара) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи и использовании усовершенствованной системы подогрева воды, заключается в повышении эффективности теплообменных процессов, происходящих между теплоносителем (водой) и подогревающей средой (подогретой водой или водой, конденсируемой из пара), что снижает себестоимость подогрева воды.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в автономной системе подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, содержащей сообщенные с контуром циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» и «обратный» трубопроводы, соответственно прямой и обратной подачи теплоносителя, тепловой аккумулятор, выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ), заключенным в теплоизолирующую оболочку и корпус, и снабженный нагревателями, систему потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, циркуляционный насос и расширительный бак, согласно изобретению она снабжена гидравлически открытым теплообменником-конденсатором, который встроен в магистраль контура циркуляции теплоносителя и одним концом соединен с «обратным» трубопроводом на участке за последовательно расположенными циркуляционным насосом и дросселем, а другим концом соединен с «прямым» трубопроводом на участке перед отводом к расширительному баку, а тепловой аккумулятор выполнен в виде водонагревателя-парогенератора, снабженного нагревателями и имеющего внутри полость для нагрева воды и генерирования пара, внутрь которой введены входной патрубок для подачи воды на подогрев и генерирование пара и выходной патрубок для отвода нагретой воды и полученного пара, при этом входной патрубок водонагревателя-парогенератора одним концом введен в полость для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом соединен с «обратным» трубопроводом на участке между циркуляционным насосом и первым дросселем, а выходной патрубок водонагревателя-парогенератора одним концом введен в полость для нагрева воды и генерирования пара так, что его торец находится на расстоянии (S1) от нижней стенки внутренней полости для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом введен в теплообменник-конденсатор с кольцевым зазором (S2), предназначенным для циркуляции и нагрева воды, так что его торец находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора.
Упомянутые главные отличия усовершенствованной системы подогрева воды за счет установки гидравлически открытого теплообменника-конденсатора, который встроен в магистраль контура циркуляции теплоносителя, а также выполнения теплового аккумулятора в виде водонагревателя-парогенератора, снабженного нагревателями и имеющего внутри полость для нагрева воды и генерирования пара, внутрь которой введены входной патрубок для подачи воды из «обратного» трубопровода на подогрев и генерирование пара и выходной патрубок для отвода нагретой воды и полученного пара в гидравлически открытый теплообменник-конденсатор, обеспечивают как конвективный теплообмен внутри теплообменника-конденсатора через стенки введенного в него конца выходного патрубка водонагревателя-парогенератора, так и прямой теплообмен между теплоносителем (водой) и подогреваемой средой (водой или паром) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов.
За счет этого повышается эффективность теплообменных процессов, происходящих между теплоносителем (водой) и подогревающей средой (подогретой водой или водой, конденсируемой из пара), что снижает себестоимость подогрева воды.
Усовершенствованная система подогрева воды имеет и дополнительные отличия, которые используются в различных модификациях выполнения системы и создают дополнительный технический результат.
В автономной системе подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, согласно изобретению «обратный» трубопровод выполнен с двумя параллельными первым и вторым трубопроводами байпасной ветви разного гидравлического сопротивления, из которых в первом трубопроводе байпасной ветви с меньшим гидравлическим сопротивлением установлен первый электроклапан, а во втором трубопроводе байпасной ветви с большим гидравлическим сопротивлением последовательно установлены термоуправляемый вентиль с регулируемым проходным сечением и второй электроклапан.
Выполнение байпасной ветви с линиями разного гидравлического сопротивления обеспечивает возможность избирательной циркуляции теплоносителя по трубопроводу с меньшим или с большим гидравлическим сопротивлением и расходом теплоносителя, в результате чего достигается возможность оперативного регулирования температуры нагрева теплоносителя в водонагревателе-парогенераторе и доведение ее до оптимальной температуры нагрева, предусмотренной в системе потребления.
В автономной системе подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, согласно изобретению водонагреватель-парогенератор снабжен первым термодатчиком, который электрически связан с первым и вторым электроклапанами первого и второго трубопроводов байпасной ветви разного гидравлического сопротивления для избирательного их включения и выключения в зависимости от температуры в водонагревателе-парогенераторе, а теплообменник-конденсатор снабжен вторым термодатчиком, который электрически связан с первым термодатчиком на водонагревателе-парогенетаторе и совместно с ним обеспечивает подачу управляющих сигналов на первый и второй электроклапаны при отклонении температуры теплоносителя на выходе теплообменника-конденсатора от заданной величины.
Установка упомянутых первого и второго термодатчиков на соответственно водонагревателе-парогенераторе и на теплообменнике-конденсаторе и их электрическая связь между собой и с первым и вторым электроклапанами трубопроводов меньшего и большего гидравлического сопротивления байпасной ветви обеспечивают регулирование температуры нагрева теплоносителя в водонагревателе-парогенераторе и доведение ее до оптимальной температуры нагрева, предусмотренной в системе потребления.
В автономной системе подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, согласно изобретению байпасная ветвь «обратного» трубопровода обратной подачи теплоносителя снабжена сливным трубопроводом с запорным клапаном.
Это обеспечивает заполнение системы теплоносителем (водой), а также ее функционирование и опорожнение при техническом обслуживании и работе.
В дальнейшем изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема системы подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, и сведениями, которые подтверждают возможность его осуществления со ссылками на прилагаемый чертеж.
Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения (см. чертеж), содержит сообщенные с контуром 1 циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» 2 и «обратный» 3 трубопроводы 2, 3, соответственно прямой и обратной подачи теплоносителя, тепловой аккумулятор 4, выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ) 5, заключенным в теплоизолирующую оболочку 6 и корпус 7, и снабженный нагревателями 8, систему потребления 9, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, циркуляционный насос 10 и расширительный бак 11.
Особенностью системы подогрева воды являются следующие усовершенствования ее конструкции.
Система подогрева воды снабжена гидравлически открытым теплообменником-конденсатором 12, который встроен в магистраль контура 1 циркуляции теплоносителя и одним концом соединен с «обратным» трубопроводом 3 на участке за последовательно расположенными циркуляционным насосом 10 и дросселем 13, а другим концом соединен с «прямым» трубопроводом 2 на участке перед отводом 14 к расширительному баку 11.
Тепловой аккумулятор 4 выполнен в виде водонагревателя-парогенератора 15, снабженного нагревателями 8 и имеющего внутри полость 16 для нагрева воды и генерирования пара, внутрь которой (16) введены входной патрубок 17 для подачи воды на подогрев и генерирование пара и выходной патрубок 18 для отвода нагретой воды и полученного пара.
Входной патрубок 17 водонагревателя-парогенератора 15 одним концом введен в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом соединен с «обратным» трубопроводом 3 на участке между циркуляционным насосом 10 и первым дросселем 13.
Выходной патрубок 18 водонагревателя-парогенератора 15 одним концом введен в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара так, что его торец находится на расстоянии (S1) от нижней стенки внутренней полости 16 для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом введен в теплообменник-конденсатор 12 с кольцевым зазором (S2), предназначенным для циркуляции и нагрева воды, так что его торец находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора 12.
«Обратный» трубопровод 3 выполнен с двумя параллельными первым и вторым трубопроводами 19, 20 байпасной ветви 21 разного гидравлического сопротивления, из которых в первом трубопроводе 19 байпасной ветви 21 с меньшим гидравлическим сопротивлением установлен первый электроклапан 22, а во втором трубопроводе 20 байпасной ветви 21 с большим гидравлическим сопротивлением последовательно установлены термоуправляемый вентиль 23 с регулируемым проходным сечением и второй электроклапан 24.
Водонагреватель-парогенератор 15 снабжен первым термодатчиком 25, который электрически связан с первым и вторым электроклапанами 22, 24 первого и второго трубопроводов 19, 20 байпасной ветви 21 разного гидравлического сопротивления для избирательного их включения и выключения в зависимости от температуры в водонагревателе-парогенераторе 15, а теплообменник-конденсатор 12 снабжен вторым термодатчиком 26, который электрически связан с первым термодатчиком 25 на водонагревателе-парогенетаторе 15 и совместно с ним (25) обеспечивает подачу управляющих сигналов на первый и второй электроклапаны 22, 24 при отклонении температуры теплоносителя на выходе теплообменника-конденсатора 12 от заданной величины.
Байпасная ветвь 21 «обратного» трубопровода 3 обратной подачи теплоносителя снабжена сливным трубопроводом 27 с запорным клапаном 28.
В качестве теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 в системе подогрева воды могут быть использованы жидкие вещества, твердые тела, а также гранулированные и порошкообразные материалы, обладающие высокой теплоемкостью.
В качестве нагревателей 8 в системе используют преимущественно электрические нагреватели, но могут быть использованы и другие нагреватели, например, использующие тепло циркулирующего в них теплоносителя.
Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, работает следующим образом.
Работа системы основана на жидкостном и парожидкостном принципах передачи тепла в систему потребления 9, например в радиаторные батареи системы отопления.
Поэтому перед вводом системы в эксплуатацию она должна быть заполнена водой.
Заполнение системы производится через отвод 14 расширительного бака 11 при выключенном циркуляционном насосе 10 и отсутствии электропитания на первом и втором электроклапанах 22, 24.
При этом температура теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 должна быть не ниже 0°C.
Тогда вода в системе потребления 9 (радиаторных батареях), в теплообменнике-конденсаторе 12 и тепловом аккумуляторе 4, выполненном в виде водонагревателя-парогенератора 15, поступает самотеком в систему, а воздух, присутствующий в системе, вытесняется из нее в атмосферу через отвод 14, и дренажный патрубок (на чертеже показан, но не обозначен) расширительного бака 11, и через сливной трубопровод 27, и открытый запорный клапан 28.
После заполнения системы водой запорный клапан 28 закрывают.
Функционирование заполненной системы, например, с электрическими нагревателями 8 начинается с момента подачи электрического напряжения на упомянутые электрические нагреватели 8, расположенные в теплоаккумулирующем теле (ТАТ) 5, а также на циркуляционный насос 10 и в цепь питания первого и второго электроклапанов 22, 24, которые установлены соответственно на первом и втором трубопроводах 19, 20 байпасной ветви 21 и соединены с участком «обратного» трубопровода 3 контура 1 циркуляции теплоносителя для питания входного патрубка 17 для подачи воды и генерирования пара теплового аккумулятора 4, выполненного в виде водонагревателя-парогенератора 15.
Разогрев теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 теплового аккумулятора 4, выполненного в виде водонагревателя-парогенератора 15, например, с электрическими нагревателями 8, осуществляют преимущественно в ночное время, когда потребление электроэнергии осуществляется по сниженному ночному тарифу.
Цепь питания первого и второго электроклапанов 22, 24 коммутируется последовательно соединенными первым и вторым термодатчиками 25, 26.
Второй термодатчик 26 замыкает и размыкает питание первого и второго электроклапанов 22, 24 в зависимости от температуры в верхней части корпуса теплообменника-конденсатора 12, а первый термодатчик 25 производит селекцию включения одного первого или второго электроклапанов 22, 24, когда температура на стенке полости 16 теплового аккумулятора 4, выполненного в виде водонагревателя-парогенератора 15, оказывается большей или меньшей заданного уровня (100°C) и тем самым обеспечивает жидкостный или парожидкостный режим передачи тепла от внутренней поверхности стенок в парогенераторе-водонагревателе 15 к потоку воды в теплообменнике-пароконденсаторе 12.
В частности, когда температура на выходе из теплообменника-конденсатора 12 оказывается ниже заданного уровня, а температура на поверхности корпуса 7 водонагревателя-парогенератора 15 меньше 100°C, то первый и второй термодатчики 25 и 26, соединенные последовательно, пропускают питающее напряжение на первый электроклапан 22.
Первый электроклапан 22 находится в магистрали первого трубопровода 19 с меньшим гидравлическим сопротивлением байпасной ветви 21 питания водонагревателя-парогенератора 15.
Переключение электроклапана 22 из нормально закрытого состояния в открытое состояние обеспечивает интенсивную подачу воды на подогрев через входной патрубок 17 в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15.
Подогретая вода, вышедшая из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15, поступает через конец выходного патрубка 18, введенный с кольцевым зазором (S2) в теплообменник-конденсатор 12, смешивается с ответвлением рециркулирующего потока воды, входящей в теплообменник-конденсатор 12 через дроссель 13.
При этом происходит как конвективный теплообмен через стенку конца выходного патрубка 18, введенного с кольцевым зазором (S2) в теплообменник-конденсатор 12, так и интенсивный прямой обмен между «холодной» водой (теплоносителем, поступающим по «обратному» трубопроводу 3 из системы потребления 9 контура 1 циркуляции) и подогретой водой (поступающей через выходной патрубок 18 из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов.
В результате происходит быстрый подогрев теплоносителя на выходе из теплообменника-конденсатора 12 до заданной температуры, которая существенно выше по сравнению с температурой теплоносителя на его входе.
За счет этого осуществляется жидкостно-жидкостный механизм передачи тепла из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15 в контур 1 циркуляции теплоносителя и в систему потребления 9, а периодическое срабатывание второго термодатчика 26 на заданном уровне температуры подогрева теплоносителя обеспечивает поддержание заданной температуры теплоносителя (подогретой воды) наподобие действия термостата.
Но когда продолжающийся нагрев теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 от, например, электрических нагревателей 8 повышает температуру на стенке полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15 до температуры 100°C и выше, то срабатывает переключатель в первом термодатчике 25.
Напряжение питания теперь поступает на второй электроклапан 24, а первый электроклапан 22 переходит в нормально закрытое состояние, то есть в работу включается второй трубопровод 20 байпасной ветви 21 с большим гидравлическим сопротивлением.
На этом трубопроводе 20 байпасной ветви 21 установлен термоуправляемый вентиль 23 с регулируемым проходным сечением, который имеет высокое гидравлическое сопротивление и тем самым резко сокращает интенсивность подачи воды в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара теплового аккумулятора 4, выполненного в виде водонагревателя-парогенератора 15, через входной патрубок 17.
В водонагревателе-парогенераторе 15 вода быстро закипает и под действием давления образующегося пара вытесняется из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара через выходной патрубок 18 водонагревателя-парогенератора 15, а также через контур 1 циркуляции теплоносителя в систему потребления 9.
Пар, вышедший из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15, поступает через конец выходного патрубка 18, введенный в теплообменник-конденсатор 12 с кольцевым зазором (S2), торец которого находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора 12, конденсируется и смешивается с ответвлением рециркулирующего потока воды, входящей в теплообменник-конденсатор 12 через дроссель 13.
При этом происходит как конвективный теплообмен через стенку конца выходного патрубка 18, введенного с кольцевым зазором (S2) в теплообменник-конденсатор 12, так и интенсивный прямой обмен между «холодной» водой (теплоносителем, поступающим по «обратному» трубопроводу 3 из системы потребления 9 контура 1 циркуляции) и горячей водой, которая конденсируется из пара (поступающего через выходной патрубок 18 из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов.
Объем воды, вытесненной паром из водонагревателя-парогенератора 15 в контур 1 циркуляции теплоносителя и в систему потребления 9, повышает уровень воды в расширительном баке 11, а в полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15 остается только объем воды, заполняющий пространство между торцом выходного патрубка 18 и нижней стенкой упомянутой полости 16, ограниченное расстоянием (S1).
Этот объем воды, вытесняемый паром, не меняется, когда через термоуправляемый вентиль 23 с регулируемым проходным сечением второго трубопровода 20 байпасной ветви 21 с большим гидравлическим сопротивлением приток питающей воды, поступающей через входной патрубок 17 в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15, в точности компенсируется убылью ее количества за счет выкипания в упомянутой полости 16 под действием теплоты, выделяемой нагревателями 8 и теплоаккумулирующим телом (ТАТ) 5.
Но при непрерывно продолжающемся процессе нагрева, например, электрическими нагревателями 8 теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 такое условие, то есть сбалансированный объем притока воды в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара и объем выкипевшей воды и преобразованный в пар не выполняется и поступающая в упомянутую полость 16 приточная вода в водонагревателе-парогенераторе 15 полностью выкипает.
Далее пар образуется только из потока воды, поступающей в полость 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15 через термоуправляемый вентиль 23 с регулируемым проходным сечением второго трубопровода 20 байпасной ветви 21 с большим гидравлическим сопротивлением и через второй электроклапан 24.
При этом вода успевает выкипать уже в пространстве входного патрубка 17, подающего ее в водонагреватель-парогенератор 15, а сам водонагреватель-парогенератор 15 начинает функционировать как устройство для перегрева пара.
Образовавшийся перегретый пар через выходной патрубок 18 поступает в теплообменник-конденсатор 12 и конденсируется.
Перегретый пар, вышедший из полости 16 для нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15, поступает через конец выходного патрубка 18, введенный в теплообменник-конденсатор 12 с кольцевым зазором (S2), торец которого находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора 12, конденсируется и смешивается с ответвлением рециркулирующего потока воды, входящего в теплообменник-конденсатор 12 через дроссель 13.
При этом происходит как конвективный теплообмен через стенку конца выходного патрубка 18 для нагрева воды и генерирования пара, введенного с кольцевым зазором (S2) в теплообменник-конденсатор 12, так и интенсивный прямой обмен между «холодной» водой (теплоносителем, поступающим по «обратному» трубопроводу 3 из системы потребления 9 контура 1 циркуляции) и горячей водой, которая конденсируется из пара (поступающего через выходной патрубок 18 из упомянутой полости 16 водонагревателя-парогенератора 15) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов.
Циркуляцию теплоносителя в контуре 1 и в системе потребления 9 обеспечивает циркуляционный насос 10, установленный в линии «обратного» трубопровода 3, который через дроссель 13 подает теплоноситель на подогрев в теплообменник-конденсатор 12.
Кроме того, циркуляционный насос 10 также обеспечивает подачу теплоносителя-воды через два параллельных первый и второй трубопроводы 19, 20 байпасной ветви 21 разного гидравлического сопротивления, снабженные первым и вторым электроклапанами 22, 24, через входной патрубок 17 в полость 16 нагрева воды и генерирования пара водонагревателя-парогенератора 15 для генерирования пара.
Температуру воды, подогретой паром, по-прежнему контролирует второй термодатчик 26, установленный на теплообменнике-конденсаторе 12.
Второй термодатчик 26 вместе с вторым электроклапаном 24 автоматически управляет подпиткой водонагревателя-парогенератора 15 водой, предназначенной для испарения, и тем самым поддерживает температуру воды на выходе из теплообменника-конденсатора 12 на заданном уровне.
В этом случае реализуется парожидкостный механизм передачи тепла от теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 водонагревателя-парогенератора 15 в контур 1 циркуляции теплоносителя и в систему потребления 9 за счет тепломассообменных процессов, происходящих в теплообменнике-конденсаторе 12.
При последующем остывании теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5, когда электрические нагреватели 8 отключаются от электрической сети, процессы, приведенные выше, реализуются в обратном порядке, вплоть до момента, когда температура теплоаккумулирующего тела (ТАТ) 5 не станет равной температуре окружающей среды.
Таким образом, усовершенствование конструкции системы подогрева воды путем введения в ее состав средств, обеспечивающих как конвективный теплообмен через стенки трубопроводов, так и прямой обмен между теплоносителем (водой) и подогревающей средой (подогретой водой или водой, конденсируемой из пара) в процессе их перемешивания и происходящих тепломассообменных процессов, снижает себестоимость подогрева воды.
Приведенные сведения подтверждают промышленную применимость усовершенствованной автономной системы подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, которая может найти широкое применение в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Перечень обозначений
1 - контур циркуляции теплоносителя
2 - «прямой» трубопровод прямой подачи теплоносителя
3 - «обратный» трубопровод обратной подачи теплоносителя
4 - тепловой аккумулятор
5 - теплоаккумулирующее тело (ТАТ)
6 - теплоизолирующая оболочка
7 - корпус
8 - нагреватель
9 - система потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения
10 - циркуляционный насос
11 - расширительный бак
12 - теплообменник-конденсатор
13 - дроссель
14 - отвод «прямого» трубопровода к расширительному баку
15 - водонагреватель-парогенератор
16 - полость для нагрева воды и генерирования пара
17 - входной патрубок для подачи воды на подогрев и генерирование пара
18 - выходной патрубок для отвода нагретой воды и полученного пара
19 - первый трубопровод байпасной ветви с меньшим гидравлическим сопротивлением
20 - второй трубопровод байпасной ветви с большим гидравлическим сопротивлением
21 - байпасная ветвь «обратного» трубопровода обратной подачи теплоносителя
22 - первый электроклапан
23 - термоуправляемый вентиль с регулируемым проходным сечением
24 - второй электроклапан
25 - первый термодатчик
26 - второй термодатчик
27 - сливной трубопровод
28 - запорный клапан
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ | 2002 |
|
RU2226653C2 |
| СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ | 2002 |
|
RU2226654C2 |
| Система автономного энергоснабжения жилого дома | 2019 |
|
RU2746434C1 |
| СПОСОБ РАБОТЫ ОТОПИТЕЛЬНОГО КОТЛА В СИСТЕМЕ ОТОПЛЕНИЯ | 2019 |
|
RU2715877C1 |
| СИСТЕМА ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ | 2015 |
|
RU2609266C2 |
| СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ | 2008 |
|
RU2382281C1 |
| ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ЭФФЕКТИВНЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ | 2018 |
|
RU2701027C1 |
| ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ | 1996 |
|
RU2120584C1 |
| СПОСОБ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО ДОМА И АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО ДОМА | 2003 |
|
RU2258870C2 |
| СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВАЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА | 2009 |
|
RU2386907C1 |
Изобретение относится к автономным системам потребления подогретой воды, преимущественно в системах центрального отопления и/или горячего водоснабжения с использованием тепловых аккумуляторов, аккумулирующих тепло в теплоемких массах. Автономная система подогрева воды содержит сообщенные с контуром (1) циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» (2) и «обратный» (3) трубопроводы (2, 3), тепловой аккумулятор (4), выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ) (5), заключенным в корпус (7), и снабженный нагревателями (8), систему потребления (9), циркуляционный насос (10) и расширительный бак (11). Система снабжена гидравлически открытым теплообменником-конденсатором (12), соединенным с «обратным» трубопроводом (3) на участке за последовательно расположенными циркуляционным насосом (10) и дросселем (13), а другим концом соединен с «прямым» трубопроводом (2) на участке перед отводом (14) к баку (11). Входной патрубок (17) водонагревателя-парогенератора (15) введен в полость (16) для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом соединен с «обратным» трубопроводом (3) на участке между насосом (10) и дросселем (13). Выходной патрубок (18) водонагревателя-парогенератора (15) одним концом введен в полость (16) так, что его торец находится на расстоянии (S1) от нижней стенки внутренней полости (16), а другим концом введен в теплообменник-конденсатор (12) с кольцевым зазором (S2), так что его торец находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора (12). Технический результат заключается в повышении эффективности теплообменных процессов, происходящих между теплоносителем и подогревающей средой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
1. Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, содержащая сообщенные с контуром (1) циркуляции теплоносителя, имеющим «прямой» (2) и «обратный» (3) трубопроводы (2, 3) соответственно прямой и обратной подачи теплоносителя, тепловой аккумулятор (4), выполненный с теплоаккумулирующим телом (ТАТ) (5), заключенным в теплоизолирующую оболочку (6) и корпус (7), и снабженный нагревателями (8), систему потребления (9), преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения, циркуляционный насос (10) и расширительный бак (11), отличающаяся тем, что она снабжена гидравлически открытым теплообменником-конденсатором (12), который встроен в магистраль контура (1) циркуляции теплоносителя и одним концом соединен с «обратным» трубопроводом (3) на участке за последовательно расположенными циркуляционным насосом (10) и дросселем (13), а другим концом соединен с «прямым» трубопроводом (2) на участке перед отводом (14) к расширительному баку (11), а тепловой аккумулятор (4) выполнен в виде водонагревателя-парогенератора (15), снабженного нагревателями (8) и имеющего внутри полость (16) для нагрева воды и генерирования пара, внутрь которой (16) введены входной патрубок (17) для подачи воды на подогрев и генерирование пара и выходной патрубок (18) для отвода нагретой воды и полученного пара, при этом входной патрубок (17) водонагревателя-парогенератора (15) одним концом введен в полость (16) для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом соединен с «обратным» трубопроводом (3) на участке между циркуляционным насосом (10) и первым дросселем (13), а выходной патрубок (18) водонагревателя-парогенератора (15) одним концом введен в полость (16) для нагрева воды и генерирования пара так, что его торец находится на расстоянии (S1) от нижней стенки внутренней полости (16) для нагрева воды и генерирования пара, а другим концом введен в теплообменник-конденсатор (12) с кольцевым зазором (S2), предназначенным для циркуляции и нагрева воды, так что его торец находится на расстоянии (S3) от нижней стенки теплообменника-конденсатора (12).
2. Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что «обратный» трубопровод (3) выполнен с двумя параллельными первым и вторым трубопроводами (19, 20) байпасной ветви (21) разного гидравлического сопротивления, из которых в первом трубопроводе (19) байпасной ветви (21) с меньшим гидравлическим сопротивлением установлен первый электроклапан (22), а во втором трубопроводе (20) байпасной ветви (21) с большим гидравлическим сопротивлением последовательно установлены термоуправляемый вентиль (23) с регулируемым проходным сечением и второй электроклапан (24).
3. Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения по п.2, отличающаяся тем, что водонагреватель-парогенератор (15) снабжен первым термодатчиком (25), который электрически связан с первым и вторым электроклапанами (22, 24) первого и второго трубопроводов (19, 20) байпасной ветви (21) разного гидравлического сопротивления для избирательного их включения и выключения в зависимости от температуры в водонагревателе-парогенераторе (15), а теплообменник-конденсатор (12) снабжен вторым термодатчиком (26), который электрически связан с первым термодатчиком (25) на водонагревателе-парогенераторе (15) и совместно с ним (25) обеспечивает подачу управляющих сигналов на первый и второй электроклапаны (22, 24) при отклонении температуры теплоносителя на выходе теплообменника-конденсатора (12) от заданной величины.
4. Автономная система подогрева воды для использования в системе потребления, преимущественно отопления и/или горячего водоснабжения по п.2, отличающаяся тем, что байпасная ветвь (21) «обратного» трубопровода (3) обратной подачи теплоносителя снабжена сливным трубопроводом (27) с запорным клапаном (28).
| EP 1108960 A2, 20.06.2001 | |||
| CN 101240909 A, 13.08.2008 | |||
| СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ | 2002 |
|
RU2226654C2 |
| АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ЗДАНИЙ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ И ТУРБИНА | 2006 |
|
RU2324119C1 |
