НАКОПИТЕЛЬНОГО ТИПА ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО С АККУМУЛИРУЮЩИМ ЭФФЕКТОМ Российский патент 2025 года по МПК F24H1/20 F28D7/02 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области автономного водоснабжения и обогрева зданий и сооружений, а конкретно к энергосберегающим относительно компактным системам объемного типа, объединяющим функционал для единовременной возможности подачи и сохранения воды для расходно-бытовых целей, а также отопительных нужд.

Уровень техники

Из уровня техники известен накопительный бак для воды (см. DE19903442, кл. F 24 D 3/08, публ. 2000 г. [1]).

Известное решение представляет из себя емкость накопительного типа для хранения горячей воды, при этом имеющийся накопительный резервуар емкости содержит входной канал для холодной воды и выходной канал для выпуска горячей воды, которая впоследствии подается для хозяйственно-бытовых нужд.

Указанная емкость накопительного типа содержит нагреваемый, за счет внешнего подключения, спиралевидный элемент со входом и выходом для теплоносителя, что образует относительно стабильный нагревательный процесс, обеспечивая сбалансированную подачу горячей воды для хозяйственных целей.

В соответствии с особенностью известной из [1] емкости, в области охвата, указанного нагреваемого спиралевидного элемента, т.е. с внутренней стороны имеется трубчатый элемент над областью, которого располагается косвенный спиралевидный нагревательный элемент, непосредственно через который проходит вода для бытовых нужд, которая подогревается за счет имеющегося в резервуаре жидкого теплоносителя, получаемого тепловую энергию от нагреваемого спиралевидного элемента.

Недостатком известного из [1] решения следует считать весьма нестабильные и незначительные объемы подаваемой горячей воды, которые ограничены размерами сечения, спиралевидного контура, нагреваемого косвенным путем, таким образом возможность относительно эффективного пользования прибором может обеспечиваться только путем организации режима экономии с соблюдением цикличности эксплуатационных режимов.

Из уровня техники известна система для нагрева воды (см. CN 104456951, кл. F 24 H 9/00, публ. 2015 г. [2]).

Известное из публикации [2] техническое решение по существу является водонагревательным устройством, которое выполнено с возможностью контроля процесса теплообмена и образования термического расслоения между горячей и холодной водой в имеющемся резервуаре.

Выявленное из уровня техники устройство представляет из себя утепленный резервуар для хранения воды, внутри которого расположено средство нагрева в виде спиралевидного устройства, при этом резервуар имеет патрубок для выхода теплой воды, а внутри средства нагрева циркулирует теплоноситель, подогреваемый за счет внешнего источника теплоснабжения.

Следует отметить, что спиралевидное устройство, согласно замыслу известного решения, выполнено в виде двух змеевиков, один из которых помещен внутрь удлиненной полой части, имеющейся перегородки, а второй установлен с возможностью охвата упомянутой удлиненной части перегородки с образованием коаксиального расположения относительно друг друга, причем перегородка выполнена с возможностью улучшения процесса теплообмена и термического расслоения между горячей и холодной водой в резервуаре.

Используемая перегородка известного решения [2] является внутренней и выполнена в виде перевернутого условного конусообразного элемента с округлым основанием боковая стенка, которого прилегает к стенкам резервуара, при этом в основании выполнены сквозные отверстия для циркуляции воды, которые оказывают положительное воздействие на термическое расслоение между горячей и холодной водой, однако, имеющий место быть процесс теплообмена, ввиду ограничения циркуляции жидкости, может незначительно ухудшаться, что в некоторой степени снизит технико-эксплуатационные показатели системы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения следует считать теплообменное устройство накопительного типа, которое известно из KR 100489934, кл. F 24 H 1/20, публ. 2005 г. [3].

Известное теплообменное устройство по существу выполнено в виде теплового котла с возможностью энергосбережения и предназначено для высокоэффективного отопления зданий и сооружений, сохраняя при этом относительную простоту и низкую стоимость обслуживания.

Известное из уровня техники решение содержит спиралевидный теплообменный контур, обеспечивающий нагрев воды и передачу тепла путем косвенного нагрева теплообменного контура, передающего тепло во внешние отопительные системы.

Используемый теплообменный контур представляет из себя соответственно агрегат косвенного нагрева, в котором нагреватели установлены под разными углами, причем к теплообменным частям указанных нагревателей через трубы присоединены нагревательные элементы с образованием нагревательных камер. В получаемые таким образом трубы, а именно в их вакуумные части впрыскивается теплоноситель, вследствие чего и, в частности, за счет нагрева образуется циркуляция атмосферы.

Недостатком известного из публикации [3] теплообменного устройства следует отметить повышенную материалоемкость конструкции, обусловленную наличием последовательно размещенными под разными углами объемными теплообменными компонентами, замещающими, в определенной степени, полезный объем нагревательного устройства, что снижает его накопительный потенциал и ограничивает водопотребление в техническом и бытовом отношении.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание автономного энергосберегающего и относительно компактного средства водоснабжения и обогрева, обладающего высокими технико-эксплуатационными показателями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется в ходе его реализации, является повышение теплообмена между средами, что обеспечивает внутреннюю конвекцию, образующую возможность корректной и точной теплообменной работы отопительного контура, устраняя ошибки управляющего модуля (контроллера) и увеличивая тем самым общий КПД тепловой системы.

Заданный технический результат, решающий актуальную техническую проблему, достигается в результате того, что накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом содержит помещенные в энергосберегающее ограниченное утепленной корпусной оболочкой и восполняемое жидкой средой пространство спиралеобразные теплообменные контуры, обеспечивающие нагрев жидкой среды и перенос тепла путем косвенного нагрева во внешние отопительные системы, при этом указанные теплообменные контуры выполнены независимыми по отношению друг к другу с исполнением одного из них для цели переноса тепла от внешнего блока теплового насоса, а другого из них для цели переноса тепла в подключаемые внешние отопительные системы, при этом первый из указанных теплообменных контуров представляет из себя подогревательную комбинированную сборку, состоящую из двух параллельно сложенных между собой змеевиковых трубчатых частей так, что одна из таковых является поверхностной в виде наружной трубчатой намотки, а вторая центральная в виде внутренней трубчатой намотки, причем указанные намотки обращены от циркуляционного единого канала подачи в противоположные направления, образуя протяженную витиеватую структуру, витки которой объединены в ее верхней части, имеющей единый циркуляционный канал обратного прохода, а второй из указанных теплообменных контуров представляет из себя одинарную змеевиковую трубчатую часть косвенного назначения, расположенную коаксиально с внешней стороны, охватывая упомянутую подогревательную комбинированную сборку.

Вниманию предлагается новое универсальное решение в виде накопительного бака с косвенным режимом подачи отопления, которое в сущности относится к области автономного водоснабжения обогрева зданий и сооружений, а конкретно к энергосберегающим устройствам объемного строения, объединяющим функционал для одновременной возможности подачи и сохранения воды для расходных целей и отопительных нужд.

Базовой конструкционной особенностью, определяющей существо замысла предлагаемого технического решения, является энергосберегающее, ограниченное утепленной оболочкой и восполняемое жидкой средой пространство в виде изоляционного аккумулирующего жидкую среду бака, в который помещены спиралевидные теплообменные контуры, обеспечивающие нагрев жидкой среды и перенос тепла путем косвенного нагрева во внешние, подключаемые отдельно отопительные системы, что создает основу для качественно новой, а также корректной и точной тепловой работы, что создает предпосылки получения теплообменного накопительного устройства, способного успешно выполнять одновременно две задачи, первая из которых связана с возможностью накопления воды для хозяйственных нужд, а вторая для эффективного теплообменного использования этой же воды для цели передачи тепловой энергии в используемый внутри контур, напрямую связанный с внешней системой отопления.

Ключевым в отношении авторского замысла следует считать конструкционное выполнение основного контура, который исполняется для возможности переноса тепла от внешнего блока теплового насоса и фактически состоит из сложенных между собой змеевиковых трубчатых частей так, что одна из них является поверхностной в виде наружной намотки, а другая центральная в виде внутренней намотки, причем указанные намотки обращены от циркуляционного единого канала подачи в противоположные стороны образуя протяженную витиеватую структуру, витки которой объединены в ее верхней части, имеющей единый циркуляционный канал обратного хода, что фактически создает уникальный теплообменный прибор с оптимально рассчитанной опытно-экспериментальным путем наиболее эффективной конфигурацией, включая расположение змеевиковых трубчатых частей относительно друг друга, что обеспечивает максимальный теплообмен между средами без потерь энергии и реализации внутри пассивного протока воды, что обеспечивает внутреннюю конвекцию, обеспечивающую устойчивую возможность корректной работы по теплообмену на "стоячей" воде с возможностью разбора горячего водоснабжения (ГВС), устраняя связанные с этим ошибки управляющего модуля (контроллера), увеличивая тем самым общий КПД накопительного теплообменного прибора с аккумулирующим эффектом.

В соответствии с замыслом дополнительный используемый теплообменный контур выполнен в виде одинарной змеевиковой трубчатой части косвенного назначения, расположенную коаксиально с внешней стороны, охватывая основной контур, что позволяет решить вторую из указанных задач, которая связана с возможностью передачи тепла в подключаемые отдельно внешние отопительные системы, обеспечивающие обогрев зданий и сооружений.

Таким образом, предлагаемое накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом образует совокупность технических признаков, достаточных для достижения заданного технического результата, заключающегося в повышении теплообмена между средами, что обеспечивает внутреннюю конвекцию, образующую возможность корректной и точной теплообменной работы отопительного контура, устраняя ошибки управляющего модуля (контроллера) и увеличивая тем самым общий КПД тепловой системы, в этой связи обеспечивается решение обозначенной технической проблемы по созданию нового автономного энергосберегающего и относительно компактного средства водоснабжения и обогрева, обладающего высокими технико-эксплуатационными показателями.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого накопительного теплообменного устройства с аккумулирующим эффектом.

Осуществление изобретения

Предлагаемое накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом поясняется конкретными примерами выполнения и реализации, которые, по существу замысла автора, не являются единственно возможными, но наглядным образом демонстрируют достижение указанной совокупностью существенных признаков заданного технического результата, а также решение указанной технической проблемы.

На фиг. 1 представлены, следующие части и элементы предлагаемого технического решения:

1 - корпусная оболочка;

2 - емкость;

3 - подогревательная комбинированная сборка;

4 - первая змеевиковая трубчатая часть;

5 - вторая змеевиковая трубчатая часть;

6 - единый канал подачи;

7 - единый канал обратного хода;

8 - косвенная трубчатая часть.

Следует отметить, что цель представленного описания предлагаемого решения заключается не в его ограничении конкретным исполнением и вариантом реализации, а наоборот в возможности охвата всевозможных дополнений, которые не выходят за рамки формулы изобретения, но поясняют иные допустимые варианты исполнения/компоновки согласно изобретательскому замыслу.

И так, предлагаемое накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом содержит помещенные в энергосберегающее ограниченное утепленной корпусной оболочкой 1 и восполняемое жидкой средой пространство в виде емкости 2 спиралеобразные теплообменные контуры, выполненные в виде подогревательной комбинированной сборки 3 и косвенной трубчатой части 8.

Подогревательная комбинированная сборка 3 и косвенная трубчатая часть 8 обеспечивают соответственно нагрев жидкой среды (воды) и перенос тепла путем косвенного нагрева во внешние, отдельно подключаемые отопительные системы.

Теплообменные контуры в виде комбинированной сборки 3 и косвенной трубчатой части 8 выполнены независимыми по отношению друг к другу.

Подогревательная комбинированная сборка 3 выполняется с возможностью переноса тепла, излучаемого внешним блоком теплового насоса, а косвенная трубчатая часть 8 предназначена для переноса тепла в подключаемые внешние отопительные системы.

Подогревательная комбинированная сборка 3 представляет из себя две параллельно сложенные между собой змеевиковые трубчатые части, одна из которых является поверхностной (первая змеевиковая трубчатая часть 4) и выполнена в виде наружной трубчатой намотки, а вторая (вторая змеевиковая трубчатая часть 5) выполнена в виде внутренней трубчатой намотки.

Указанные обе наружная трубчатая намотка и внутренняя трубчатая намотка обращены от циркуляционного единого канала подачи 6 в противоположенные направления, образуя протяженную своего рода витиеватую структуру, витки которой объединены в ее верхней части, имеющей единый циркуляционный канал обратного хода 7.

Косвенная трубчатая часть 8 представляет из себя одинарную змеевиковую трубчатую часть косвенного назначения, расположенную коаксиально с внешней стороны, охватывая упомянутую подогревательную комбинированную сборку 3.

Осуществляется предлагаемое накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом, следующим образом.

В предлагаемом решении, а именно в накопительном теплообменном устройстве с аккумулирующим эффектом применена схема теплообмена в виде основной подогревательной комбинированной сборки 3, в сущности представляющей из себя фреоновый медный контур, который передает тепловую энергию от внешнего блока теплового насоса жидкой среде, в данном случае воде, находящейся в емкости 2. Нагретая вода напрямую поступает на нужды ГВС в смесительные устройства.

В соответствии с замыслом, "съем" тепловой энергии также осуществляется косвенной трубчатой частью 8 в виде змеевиковой трубчатой части из нержавеющей стали, находящейся также в емкости 2 и используется уже для отопления помещений зданий и сооружений.

В соответствии с представляемым примером реализации емкость 2 представляет из себя накопительное энергосберегающее средство, находящееся в пределах утепленной корпусной оболочки 1. Объем емкости 2 может составлять от 50 до 150 л, выполняется она из нержавеющей стали. Также емкость 2 изготавливается исходя из прочностных характеристик относительно давления воды, различные температурные режимы выбираются с учетом сохранения в нем энергии длительное время.

Корпусная оболочка 1 имеет внешнюю декоративную оболочку.

Как было указано подогревательная комбинированная сборка 3 выполнена в виде параллельно сложенных между собой змеевиковых трубчатых частей 4 и 5 соответственно, которые выполнены из меди и параллельно сложены (спаяны) между собой, причем трубчатая намотка используется величиной ∅ 6,35 мм, а толщиной стенки 0,60 мм.

Первая змеевиковая часть 4 (внешняя) имеет трубчатую намотку с диаметром 80 мм с 80 витками с шагом 4 мм, что составляет 21,35 п. м. медной трубы и 0,279 м² общей площади теплообмена.

Вторая змеевиковая часть 5 (внутренняя) имеет намотку диаметром 56 мм и 80 витков с шагом 4 мм, составляет 14 п. м. трубы и 0,235 м² общей площади теплообмена.

Длина обеих змеевиковых частей внешней 4 и внутренней 5 составляет 80 см и 0,514 м² общей площади теплообмена, что обеспечивает улучшенную конденсацию фреона 410 А и обеспечивает передачу тепловой энергии мощностью до 4 кВт при температуре нагрева воды до 60°С в емкости 2 без протока воды. Это позволяет нагревать воду в емкости 2. С протоком воды, предлагаемое теплообменное накопительное устройство способно передавать большую тепловую энергию от фреона воде.

Косвенная трубчатая часть 8 выполнена одинарной из нержавеющей трубы параметром 0 13 мм, толщиной стенки 1 мм. Диаметр змеевиковой части 120 мм и 22 витка имеют по существу 0,353 м² общей площади теплообмена, что обеспечивает передачу 4 кВт тепла при разности температур между греющей и нагреваемой средой (вода) в 5°С.

Особенность предлагаемого технического решения состоит в том, чтобы сделать теплообменный прибор в виде бака накопительного типа, позволяющего во-первых обеспечивать возможность работы внешней системы теплового насоса и работать в режиме "старт-стоп", без использования общей инверторной схемы управления, при этом эффективность достигается за счет инерционности накопленной энергии в емкости 2, а во-вторых обеспечить исчерпывающий запас тепла на нужды ГВС и отопления, что дает возможность продолжения пользования прибором в случае возможных кратковременных отключений внешних источников питания электроэнергией.

Предлагаемое изобретение может быть успешно использовано в энергетической промышленности в качестве автономной системы по получению тепла с целью ГВС и отопления/охлаждения помещений зданий и сооружений.

Изобретение относится к области автономного водоснабжения и обогрева зданий и сооружений. В устройстве теплообменные контуры выполнены независимыми по отношению друг к другу с исполнением одного из них для цели переноса тепла от внешнего блока теплового насоса, а другого из них для цели переноса тепла в подключаемые внешние отопительные системы, при этом первый из указанных теплообменных контуров представляет из себя подогревательную комбинированную сборку, состоящую из двух параллельно сложенных между собой змеевиковых трубчатых частей так, что одна из таковых является поверхностной в виде наружной трубчатой намотки, а вторая центральная в виде внутренней трубчатой намотки, причем указанные намотки обращены от циркуляционного единого канала подачи в противоположные направления, образуя протяженную витиеватую структуру, витки которой объединены в ее верхней части, имеющей единый циркуляционный канал обратного прохода, а второй из указанных теплообменных контуров представляет из себя одинарную змеевиковую трубчатую часть косвенного назначения, расположенную коаксиально с внешней стороны, охватывая упомянутую подогревательную комбинированную сборку. Обеспечивается повышение теплообмена между средами, что обеспечивает внутреннюю конвекцию, образующую возможность корректной и точной теплообменной работы отопительного контура, устраняя ошибки управляющего модуля (контроллера) и увеличивая тем самым общий КПД тепловой системы. 1 ил.

Накопительное теплообменное устройство с аккумулирующим эффектом, содержащее помещенные в энергосберегающее ограниченное утепленной корпусной оболочкой и восполняемое жидкой средой пространство спиралеобразные теплообменные контуры, обеспечивающие нагрев жидкой среды и перенос тепла путем косвенного нагрева во внешние отопительные системы, отличающееся тем, что указанные теплообменные контуры выполнены независимыми по отношению друг к другу с исполнением одного из них для цели переноса тепла от внешнего блока теплового насоса, а другого из них для цели переноса тепла в подключаемые внешние отопительные системы, при этом первый из указанных теплообменных контуров представляет из себя подогревательную комбинированную сборку, состоящую из двух параллельно сложенных между собой змеевиковых трубчатых частей так, что одна из таковых является поверхностной в виде наружной трубчатой намотки, а вторая центральная в виде внутренней трубчатой намотки, причем указанные намотки обращены от циркуляционного единого канала подачи в противоположные направления, образуя протяженную витиеватую структуру, витки которой объединены в ее верхней части, имеющей единый циркуляционный канал обратного прохода, а второй из указанных теплообменных контуров представляет из себя одинарную змеевиковую трубчатую часть косвенного назначения, расположенную коаксиально с внешней стороны, охватывая упомянутую подогревательную комбинированную сборку.