СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО РАЗВЕРТЫВАНИЯ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ МНОЖЕСТВА ЛЮДЕЙ В ХОЛОДНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2013 года по МПК F24D15/02 

Изобретение относится к автономным системам жизнеобеспечения (АСЖ) наземных, преимущественно автономных объектов - жилых зданий, промышленных и общественных сооружений, отдельных автономных поселений, поселков. Изобретение предназначено для обеспечения теплом, горячей водой и электроэнергией со стабилизированными частотой и напряжением указанных выше объектов. Служит для оперативного развертывания автономных жилых комплексов в любых стартовых условиях при отсутствии зданий, тепла, топлива, коммуникаций, воды. Может найти применения для организации мобильных систем жизнеобеспечения при чрезвычайных ситуациях и для организации палаточных военных городков и казарм в полевых условиях.

Системы жизнеобеспечения при чрезвычайных ситуациях в условиях зимы или холодных климатических зон организуют посредством установки палаточных городков, либо при сохранившихся зданиях, но нарушенных системах отопления проводят срочный ремонт коммуникаций.

Ремонт поврежденных коммуникаций систем отопления в зимний период чреват большими затратами на ремонт, потребностями большого числа стройматериалов и сложной техники и длительными сроками ремонта.

Для АСЖ могут быть использованы известные вихревые энергетические установки с устройствами преобразования энергии ветра в электрическую энергию, накапливаемую в электрических аккумуляторах, связанных с устройствами преобразования этой энергии в электроэнергию со стабилизированными параметрами, которая далее, естественно, может использоваться для электро- и теплоснабжения зданий и других объектов [1].

Недостатком подобных систем является малая энергетическая мощность и сложность установки. Невозможность работы ветряков при отсутствии ветра.

Для достаточности обогрева и проживания поселения на 300 человек потребуется установить порядка 20 ветряков. Это очень дорого, долго и рискованно. Чтобы снизить риск отсутствия ветра необходимо дополнительно установить энергоемкие аккумуляторы, что еще больше удорожает АСЖ и делает ее установку бессмысленной.

Известна также автономная система жизнеобеспечения для автономных объектов, например АСЖ космической станции "МИР", которая содержит солнечные батареи и устройства преобразования получаемой энергии в электроэнергию с параметрами, достаточными для зарядки аккумуляторов, сообщенных в свою очередь с устройствами преобразования накопленной электроэнергии в электроэнергию с параметрами, необходимыми для работы оборудования данного автономного объекта и его систем отопления и горячего водоснабжения [2].

Общими недостатками известных решений являются ее работа на малое число людей. Для жизнеобеспечения большого числа людей она не предназначена.

Из уровня техники известна автономная система жизнеобеспечения (АСЖ) [3] зданий и других объектов, содержащая по меньшей мере один источник даровой энергии, преобразователь этой энергии в электрическую энергию, сообщенный с аккумулятором энергии, и устройства преобразования энергии аккумулятора в тепловую и электрическую энергию, подводимую к обслуживаемым объектам, отличающаяся тем, что аккумулятор энергии выполнен в виде по меньшей мере двух тепловых аккумуляторов: один - низкотемпературный жидкостной, второй - высокотемпературный твердотельный, причем первый аккумулятор гидравлически сообщен с системой отопления и горячего водоснабжения зданий, второй - с содержащей нагреватель и холодильник тепловой машиной привода электрогенератора, сообщенного по меньшей мере с системой электроснабжения зданий.

Недостатком данной АСЖ является потребность в наличии источника дармовой энергии, которой в условиях чрезвычайных ситуациях или военно-полевых условиях, например в горах, может не быть.

Кроме того, мобильно и оперативно данную систему не развернуть.

При любых обстоятельствах оперативно возможно установить известные системы отопления, основу которых составляют электрокотлы.

Из уровня техники известны электрокотлы [4, 5, 6, 7], содержащие водонагревательный бак, внутри которого установлены ТЭНы.

Недостатком такого рода котлов является особое требование к качеству химического состава воды. Вода, содержащая известь, образует на поверхности нагревательных элементов накипь и приводит их в негодность.

Замена ТЭНов это дорого и сложно технически. Требует полного разбора бака. В чрезвычайных и походных условиях недопустима.

Наиболее близким решением являются индукционные котлы [8]. Они более надежны в эксплуатации, имеют более высокий кпд, близкий к 95-98%. Это же решение [8] также запатентовано полезной моделью РФ №87856 и описывает устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное над днищем и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит центральный внутренний цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть центрального внутреннего цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на ее поверхности выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть соединена с выходным патрубком для нагретой жидкой среды, индуктор выполнен в виде цилиндрической полости, смонтированной между корпусом и центральным внутренним цилиндрическим каналом, с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, при этом внутри цилиндрической полости установлена обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом, верхняя часть ее соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с внутренним кольцом.

Индукционные электрокотлы предназначены для использования в автономных системах отопления, горячего водоснабжения в технологических процессах, связанных с нагревом промежуточного теплоносителя. Отсутствие прямого нагрева в отличие от тэновых и газовых нагревателей позволяет котлам работать намного дольше (свыше 30 лет) не теряя своих технических показателей.

Недостатком такого рода котлов является использование замкнутого проточного бака. В результате такое устройство нельзя регулировать по мощности выработки тепла. Котел работает постоянно, что не позволяет экономить электроэнергию. Один котел устанавливают на определенную площадь нагреваемых помещений.

Устройство не может обеспечить эффективную работу при организации оперативной системы резервного отопления или при потребности экстренно повысить мощность нагрева при значительном понижении температуры окружающей среды.

Техническим результатом является возможность мобильного и оперативного развертывания на длительный срок АСЖ, не требующей никаких стартовых условий (зданий, коммуникаций, воды, топлива, электроэнергии), позволяющей регулировать мощность нагрева и не требовательной к выбору электродов, в качестве которых могут использоваться любые стальные трубы.

Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения множества людей в холодных климатических условиях, характеризующийся установкой систем отопления, в качестве основы которого используют высоковольтный индукционный электрокотел, с прокладкой от него трубопроводных коммуникаций к жилым зданиям или палаточному городку, отличающийся тем, что для энергопитания индукционного электрокотла используют дизель-генератор, топливо к которому доставляют цистерной, часть вырабатываемой электроэнергии дизель-генератора отводят коммуникациями на жилые здания или палаточный городок, в качестве теплоносителя индукционного электрокотла используют воду, которую при необходимости доставляют на место развертывания автономной системы жизнеобеспечения цистерной, причем индукционный электрокотел выполняют содержащим циркуляционный насос, проточные вертикально установленные баки, каждый из которых изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подводят напряжение, а в качестве индуктора используют электроды из нержавеющей стали, которые устанавливают внутри каждого проточного вертикально установленного бака с возможностью погружения внутрь бака на разную глубину.

Кроме того, погружение электродов на разную глубину обеспечивают путем их вкручивания или вывинчивания из корпуса бака.

Кроме того, вкручивания или вывинчивания из корпуса бака электродов обеспечивают посредством электроприводов с сальниковыми уплотнениями.

Индуктор выполняют на основе магнитной системы и первичной обмотки, состоящей из катушек, с изоляцией на класс напряжения. Катушки фиксируют в каркасе с помощью нажимных элементов, состоящих из изоляторов (сверху и снизу каждой катушки) и нажимных болтов.

На наружной поверхности входного и выходного патрубков устанавливают датчики температуры входящей и выходящей воды, на поверхности труб водонагревателя - термовыключатели, а рядом с входным (нижним) фланцем - датчик потока.

Сущность реализации системы отопления состоит в следующем. Электрокотел (см. Фиг.1) является электрическим котлом косвенного нагрева, в котором для получения горячей воды используется теплота, выделяемая при протекании индуцированного электрического тока в стенках труб (1) водонагревателя, выполненных из коррозионностойкой аустенитной стали, а внутри труб проходит нагреваемая вода. Через нагреваемую воду электрический ток не проходит, поэтому требований к воде по удельному электрическому сопротивлению не предъявляется.

Для входа и выхода воды установлены соответственно входной (2) и выходной (3) фланцы.

Индуктор может быть выполнен на основе магнитной системы (4) и первичной обмотки, состоящей из катушек (5), с изоляцией на класс напряжения. Катушки зафиксированы в каркасе с помощью нажимных элементов, состоящих из изоляторов (сверху и снизу каждой катушки) и нажимных болтов. Выводные концы катушек выведены на изоляторы вводного устройства (6). Вводное устройство выполнено для кабельного подсоединения. Магнитопровод, высоковольтная обмотка и вводное устройство электрокотла аналогичны по конструкции соответствующим узлам сухого трансформатора с воздушным охлаждением. Для интенсификации охлаждения высоковольтной обмотки в нижней части электрокотла установлены центробежные вентиляторы (7). Снаружи электрокотел закрыт защитным кожухом, предохраняющим активные и токоведущие части от доступа к ним и попадания посторонних предметов сбоку и сверху.

Водонагреватель, соединенный с заземленным корпусом электрокотла, выполняет роль вторичной, замкнутой накоротко, обмотки трансформатора. От питающей сети водонагреватель отделен изоляцией на класс напряжения. В любом режиме работы напряжение на водонагревателе относительно земли, а также между входным и выходным фланцами равно нулю. В связи с этим электрокотел допускается подключать к общей электрической сети без разделительного трансформатора и подсоединять трубопроводы подачи воды к электрокотлу без изолирующих вставок.

Для контроля тепловых параметров на наружной поверхности входного и выходного патрубков установлены датчики температуры (8) входящей и выходящей воды. Кроме того, на поверхности труб водонагревателя установлены термовыключатели (9), предназначенные для аварийного отключения электрокотла в случае недопустимого перегрева водонагревателя. Рядом с входным (нижним) фланцем установлен датчик потока (15), предназначенный для аварийного отключения электрокотла в случае нарушения циркуляции воды.

Выводные провода от охлаждающих вентиляторов, а также от датчиков температуры, потока и термовыключателей подсоединены к зажимам клеммной колодки в коробке соединений (10), находящейся в боковой части электрокотла и закрытой панелью защитного кожуха.

Для управления работой электрокотла и защиты его от ненормальных режимов работы в комплекте с ним поставляется шкаф управления (ШУ) с аппаратурой управления и защиты. К ШУ подсоединены провода связи, которые должны быть подсоединены к зажимам коробки соединений электрокотла.

Управление работой электрокотла осуществляется автоматически с помощью аппаратуры управления, находящейся в шкафу управления. В аварийных режимах аппаратура защиты отключает электрокотел.

Перед включением необходимо заполнить полностью гидравлическую систему, выпустить воздух из воздухоспускных устройств в системе и на электрокотле. Для выпуска воздуха из водонагревателя электрокотла установлен кран со сливной трубкой (11), который следует открыть при заполнении и закрыть после появления воды в трубке. Включить циркуляционный насос, убедиться в наличии нормальной циркуляции воды. Повторно приоткрыть воздухоспускные устройства, убедившись в отсутствии воздуха в системе.

В случае необходимости опорожнения водонагревателя электрокотла (например, при опасности его замерзания) необходимо слить воду из системы водоснабжения. Для чего в нижних торцах коллекторов могут быть предусмотрены заглушки (14), открытие которых позволит слить остатки воды из водонагревателя.

Теплосистема (см. Фиг.2), в которой работает электрокотел, является замкнутой системой с расширительным баком и постоянной принудительной циркуляцией теплоносителя. Циркуляция может обеспечиваться циркуляционными насосами.

Помимо отопления, вырабатываемая электрокотлом тепловая энергия может использоваться для нагрева воды для хозяйственных нужд.

Электрокотел позволяет на его основе обеспечить систему подпитки от внешнего водопровода, автоматически поддерживающей необходимый объем воды в системе, путем открытия задвижки подпитки и (при давлении во внешнем водопроводе ниже давления в системе) включении насоса подпитки. Из опыта эксплуатации, при отсутствии утечек в трубопроводах, необходимость подпитки системы возникает 2-3 раза в месяц за счет испарения воды из расширительного бака.

В качестве теплоносителя в системе отопления используется вода из внешнего водопровода, без дополнительной обработки (очистки, добавления веществ, улучшающих электропроводимость и пр.). Таким образом, свойства воды при использовании ее в системе не меняются и постоянной периодической замены (для исключения разрушительного влияния на трубопроводы и на работу электрокотла) не требуется.

Электрокотел (см. Фиг.2) работает по принципу протекания тока через теплоноситель (воду), имеющую определенное сопротивление столба воды. Соединенные в «звезду» электроды (13) котла замыкают электрическую цепь через воду, которая таким образом является и теплоносителем, и нагревательным элементом. Для подачи электроэнергии к теплоносителю служат изолированные друг от друга при помощи проходных керамических изоляторов (12) вертикально установленные баки (16), на которые подведено напряжение и, предпочтительно, не менее трех электродов (13) в каждом из нержавеющей стали, погруженных в теплоноситель (воду), внутрь баков по центру и соединенных между собой в центральной точке через воду в «звезду».

Электроды удерживаются внутри бака посредством поддерживающих устройств (15), опирающихся на края бака.

Тепловая мощность котла таким образом зависит от глубины погружения электродов (площади контакта подающих питание элементов и теплоносителя и расстояния от стержней до заземленных конструкций (второго полюса)). Более глубокое погружение электродов (13) в баки (16) вызывает увеличение тока, а соответственно мощности, подъем электродов - уменьшение. Подача холодной воды осуществляется снизу, выход горячей - сверху. Для обеспечения необходимой мощности электрокотла электроды погружены внутрь баков на заданную глубину. Опускание (поднятие) электродов производится путем их вкручивания (вывинчивания) из корпуса котла.

В целях обеспечения регулирования мощности электрокотла без его отключения возможна модернизация путем установки электроприводов с сальниковыми уплотнениями, что позволит изменять положение электродов даже при работающем котле.

Следует учесть, что при использовании котла подобной конструкции на высоком напряжении (10 кВ) может потребоваться увеличение диаметра и высоты баков для увеличения расстояния пробоя и столба жидкости. Также при увеличении мощности котла, потребуется изменить величину расхода протекающей жидкости (для исключения перегрева) путем замены циркуляционных насосов на агрегаты большей производительности и рабочего давления.

Максимальная токовая защита может быть обеспечена на основе реле ЭТ-521, питающегося от трансформаторов тока крайних фаз через испытательные блоки. При срабатывании этих реле сработает выходное реле защиты, которое замыканием своих контактов становится на самоудержание и подает плюс на катушку отключения, при этом срабатывает аварийная сигнализация, а размыканием нормально замкнутого контакта снимается оперативный ток с тепловой защиты.

Также предусмотрено отключение электрокотла при достижении теплоносителем заданной максимальной температуры и последующего автоматического включения при остывании теплоносителя. Реализовано это может быть на электроконтактном термометре ТКП-160Cr-М1-УХЛ2, что позволяет менять при необходимости установки температуры включения-отключения, в зависимости от температуры на улице. Таким образом, режим работы котла является повторно-кратковременным (в работе остается только циркуляционный насос). За счет тепловой инерции теплоносителя температура внутри отапливаемых помещений остается постоянной, но налицо экономия электроэнергии, т.к. котел не работает постоянно как в случае с прототипом.

Для сравнительной характеристики электрокотла по полезной модели мощностью на 6 кВ и промышленно выпускаемых электрокотлов 0,4 кВ были проведены контрольные замеры времени и периодичности срабатывания и потребления электроэнергии этими электрокотлами.

Результаты

При обеспечении нормальной, комфортной температуры (20-25°С (по СанПиН2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» и ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны») в помещениях, отапливаемых электрокотлом 6 кВ (общий объем 10140 м³), потребление электроэнергии за месяц составило 63000 кВт/час. Удельная энергозатрата на 1 м³ - 6,21 кВт/час за месяц.

При работе электрокотла 0,4 кВ для обеспечения той же температуры в помещениях отапливаемого здания площадью 728 м² (объем отапливаемых помещений 1820 м³) потребление электроэнергии за месяц составило 12960 кВт/час. Удельная энергозатрата на 1 м³ - 7,12 кВт/час за месяц.

Таким образом, указанный способ формирования АСЖ на базе высоковольтного индукционного электрокотла обеспечивает возможность экономии электроэнергии путем регулирования нагрузки.

Мобильное развертывание АСЖ обеспечивается (см. Фиг.3) посредством установки систем отопления, в качестве основы которого используют высоковольтный индукционный электрокотел (17). От электрокотла (17) проводят трубопроводные коммуникации (26) к жилым зданиям или палаточному городку (22). Предпочтительно коммуникации изолируют, чтобы не терять тепло.

Для энергопитания индукционного электрокотла (17) используют дизель-генератор (19), топливо к которому доставляют цистерной (24). Часть вырабатываемой электроэнергии дизель-генератора (19) отводят коммуникациями (21) на жилые здания или палаточный городок (22).

В качестве теплоносителя индукционного электрокотла используют воду, которую при необходимости доставляют на место развертывания автономной системы жизнеобеспечения цистерной (25).

Индукционный электрокотел (17) выполняют содержащим циркуляционный насос (18), проточные вертикально установленные баки, каждый из которых изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подводят напряжение.

Таким образом, вся АСЖ разворачивается на нужном месте за счет использования нескольких машин техники (23), везущих оборудование (высоковольтный индукционный электрокотел (17), дизель-генератор (19), коммуникации (21, 26), насос (18), палатки (22) при необходимости, лампы освещения и пр. И при необходимости за счет нескольких машин техники (24, 25), везущих топливо и воду.

АСЖ таким способом может быть оперативно возведена даже на пустыре или в горных условиях. Дополнительное оборудование и топливо может периодически поставляться к зоне развертывания АСЖ по необходимости.

Также быстро АСЖ может быть демонтирована и использована в ином месте.

Источники информации

1. Серебряков Р.А., Бирюк В.В. Вихревая ветроэнергетическая установка. // Ракетно-космическая техника. Сер.XII, Самара, 2000, с.48-73.

2. Техническая документация на космическую станцию "МИР" - прототип.

3. Патент RU 2215244, F24D 15/02, опубл. 27.10.2003.

4. http://www.mk-termo.ru/catalog/90/.

5. http://sogrevaem.narod.ru/kotli2_2.htm.

6. http://www.narodcom.ru/catalog/?cat_id=22.

7. http://www.sadovodu.ru/catalog/price55/.

8. http://www.ekonomkotel.ru/.

Изобретение относится к автономным системам жизнеобеспечения (АСЖ). Предназначено: для возможности мобильного и оперативного развертывания на длительный срок АСЖ, не требующей никаких стартовых условий (зданий, коммуникаций, воды, топлива, электроэнергии), для обеспечения АСЖ теплом, горячей водой и электроэнергией, позволяющей регулировать мощность нагрева и не требовательной к выбору электродов, в качестве которых могут использоваться любые стальные трубы. Способ, характеризующийся установкой систем отопления, в качестве основы которого используют высоковольтный индукционный электрокотел, с прокладкой от него трубопроводных коммуникаций к жилым зданиям или палаточному городку, отличающийся тем, что для энергопитания индукционного электрокотла используют дизель-генератор, топливо к которому доставляют цистерной, часть вырабатываемой электроэнергии дизель-генератора отводят коммуникациями на жилые здания или палаточный городок, в качестве теплоносителя индукционного электрокотла используют воду, которую доставляют на место развертывания АСЖ цистерной, причем индукционный электрокотел выполняют содержащим циркуляционный насос, проточные вертикально установленные баки, каждый из которых изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подводят напряжение, а в качестве индуктора используют электроды из нержавеющей стали, которые устанавливают внутри каждого проточного вертикально установленного бака с возможностью погружения внутрь бака на разную глубину. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения множества людей в холодных климатических условиях, характеризующийся установкой систем отопления, в качестве основы которого используют высоковольтный индукционный электрокотел, с прокладкой от него трубопроводных коммуникаций к жилым зданиям или палаточному городку, отличающийся тем, что для энергопитания индукционного электрокотла используют дизель-генератор, топливо к которому доставляют цистерной, часть вырабатываемой электроэнергии дизель-генератора отводят коммуникациями на жилые здания или палаточный городок, в качестве теплоносителя индукционного электрокотла используют воду, которую при необходимости доставляют на место развертывания автономной системы жизнеобеспечения цистерной, причем индукционный электрокотел выполняют содержащим циркуляционный насос, проточные вертикально установленные баки, каждый из которых изолирован от другого при помощи проходных керамических изоляторов, на которые подводят напряжение, а в качестве индуктора используют электроды из нержавеющей стали, которые устанавливают внутри каждого проточного вертикально установленного бака с возможностью погружения внутрь бака на разную глубину.

2. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения по п.1, отличающийся тем, что погружение электродов на разную глубину обеспечивают путем их вкручивания или вывинчивания из корпуса бака.

3. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения по п.2, отличающийся тем, что вкручивания или вывинчивания из корпуса бака электродов обеспечивают посредством электроприводов с сальниковыми уплотнениями.

4. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения по п.1, отличающийся тем, что индуктор выполняют на основе магнитной системы и первичной обмотки, состоящей из катушек, с изоляцией на класс напряжения.

5. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения по п.4, отличающийся тем, что катушки фиксируют в каркасе с помощью нажимных элементов, состоящих из изоляторов (сверху и снизу каждой катушки) и нажимных болтов.

6. Способ оперативного развертывания долговременной автономной системы жизнеобеспечения по п.1, отличающийся тем, что на наружной поверхности входного и выходного патрубков устанавливают датчики температуры входящей и выходящей воды, на поверхности труб водонагревателя - термовыключатели, а рядом с входным (нижним) фланцем - датчик потока.