СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
HEATING SYSTEM

Изобретение относится к области отопительной техники и может быть использовано для отопления жилых и производственных помещений, нагрева санитарной воды, обогрева открытых площадок, лестниц, тротуаров и пандусов в холодное время года.
Известна система отопления, содержащая замкнутый теплопередающий контур, заполненный рабочим телом в виде жидкости и ее паров, включающий в себя испаритель, сопряженный по тепловому потоку с источником тепловой энергии, подающий теплопровод, конденсационные отопительные приборы, конденсационные горшки, обратный теплопровод и конденсационный насос.
Работа системы осуществляется следующим образом. Насос подает жидкость в испаритель (теплообменник или котел), в котором за счет тепловой энергии, поступающей от первичного теплоносителя или топлива, жидкость испаряется. Образовавшиеся пары под действием разности давлений перемещаются по подающему теплопроводу в конденсационные отопительные приборы, в которых происходит конденсация паров с передачей теплоты конденсации через стенки отопительного прибора обогреваемому помещению. Сконденсированная жидкость из отопительных приборов под действием перепада давлений отводится через конденсационные горшки в обратный теплопровод и конденсационным насосом возвращается в испаритель.
Недостатком известной системы отопления является то, что при использовании в качестве рабочего тела воды и ее паров, температура отопительных приборов чрезмерно высока, а при использовании в качестве рабочего тела легкокипящих жидкостей или легкосжижающихся газов высок риск попадания значительных количеств вредных или горючих рабочих веществ в отапливаемое помещение при аварийных ситуациях, связанный со значительным количеством рабочего тела в рабочем контуре системе отопления.
Известна система вакуум-парового отопления с водой и ее парами в качестве рабочего тела, в теплопередающем контуре которой поддерживается разрежение посредством вакуумного насоса. Данная система позволяет путем снижения рабочего давления паров воды ниже атмосферного давления снизить рабочую температуру отопительных приборов до необходимых параметров. Недостатком данной системы является необходимость применения дорогостоящего вакуумного насоса и плохая работа конденсационных горшков, связанная с малым перепадом давлений между конденсационными отопительными приборами и отводящим теплопроводом. (Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1991 с.16, 384-404)
Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков и решает техническую задачу обеспечения работы системы отопления при высоком разрежении и/или при малом количестве рабочего тела в системе.
Для решения поставленной технической задачи система отопления содержит замкнутый теплопередающий контур, заполненный рабочим телом в виде жидкости и ее паров, включающий в себя испаритель, сопряженный по тепловому потоку с источником тепловой энергии, подающий теплопровод, конденсационные отопительные (нагревательные) приборы, отводящий теплопровод, два накопительно-вытеснительных сосуда и компрессор; обратный теплопровод имеет разветвление, каждый рукав которого проходит через соответствующий накопительно-вытеснительный сосуд, ограниченный клапанами, препятствующими перемещению рабочего тела по рукаву в направлении от испарителя к отопительным приборам; накопительно-вытеснительные сосуды подсоединены к компрессору посредством системы клапанов и трубопроводов, обеспечивающей подключение одного из накопительно-вытеснительных сосудов к всасывающему патрубку компрессора, а другого накопительно-вытеснительного сосуда к нагнетательному патрубку компрессора; система клапанов и трубопроводов обеспечивает возможность одновременного переключения первого накопительно-вытеснительного сосуда от всасывающего патрубка к нагнетательному патрубку компрессора, а второго накопительно-вытеснительного сосуда от нагнетательного патрубка к всасывающему патрубку компрессора, и одновременного обратного переключения.
На нагнетательном трубопроводе компрессора предпочтительно установлен воздухоотделитель.
Воздухоотделитель содержит конденсатор и, предпочтительно, испаритель и предохранительный (обратный) клапан.
В качестве рабочего тела применена легкокипящая жидкость, например вода, этиловый спирт, гексан, пентан и т.п., либо легкосжижающийся газ, например хладон, аммиак, бутан и т.п.
В качестве источника тепловой энергии применен котел, тепловой насос, первичный теплоноситель из тепловой сети и т.п.
Обратный теплопровод предпочтительно выполнен в виде трубопровода, форма и размеры сечения которого обеспечивает возможность перемещения парожидкостной смеси по нему в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости. Осуществление этого режима обеспечивается округлым сечением и малым внутренним диаметром трубопровода в зонах, в которых осуществляется перемещение парожидкостной смеси против сил тяжести.
Накопительно-вытеснительный сосуд предпочтительно содержит нагревательное устройство.
На теплопроводе, последовательно соединяющем конденсационные отопительные приборы разного типа, предпочтительно установлен дроссельный вентиль с целью независимого регулирования температуры отопительных приборов путем регулирования давления конденсации паров рабочего тела в них.
На теплопроводе, последовательно соединяющем конденсационные отопительные приборы, предпочтительно установлен испаритель, сопряженный по тепловому потоку с дополнительным источником тепловой энергии.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Система отопления позволит снизить количество рабочего тела в теплоотдающем участке контура системы за счет малой плотности паров рабочего тела в системе и оперативного возврата сконденсировавшихся капель рабочего тела из отопительных приборов в один из накопительно-вытеснительных сосудов, при помощи циркулирующего паро-газового потока.
Применение компрессора совместно с накопительно-вытеснительными сосудами позволит обеспечить перемещение как парообразного, так и жидкого рабочего тела по теплопередающему контуру системы.
Обеспечивающий циркуляцию парогазового потока компрессор позволит поддерживать разрежение в системе отопления и своевременно удалять из нее просочившийся через неплотности системы воздух, без применения специализированного вакуумного насоса. Разрежение в системе отопления позволит снизить температуру отопительных приборов при использовании в качестве рабочего тела воды и ее паров. Поддержание постоянного разрежения в системе отопления с другими рабочими телами позволит исключить попадание вредных или горючих рабочих тел в отапливаемое помещение при штатной работе системы или при аварийных ситуациях.
Дроссельный вентиль, установленный на теплопроводе между конденсационными отопительными (нагревательными) приборами, позволит поддерживать разное давление конденсации паров в конденсационных приборах и, соответственно, разную температуру приборов. Это может понадобиться при необходимости передачи тепловой энергии от одного теплового источника, например от наружного газового котла, двум тепловым потребителям с различными температурными потенциалами, например бойлеру системы горячего водоснабжения и прибору отопления «теплый пол». Либо одновременной передачи тепловой энергии прибору отопления помещения «теплый пол» и прибору обогрева открытых площадок с целью предотвращения образования наледи. В последнем случае применение дополнительного испарителя, установленного на теплопроводе после дроссельного вентиля и сопряженного по тепловому потоку с вентиляционными или канализационными выбросами из помещения, позволит использовать часть низкопотенциальной тепловой энергии выбросов для обогрева открытых площадок.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан вариант системы отопления с воздухоотделителем; на фиг.2 показан вариант конструкции воздухоотделителя.
Конструкция системы отопления включает в себя котел 1, испаритель 2, подающий теплопровод 3, конденсационные отопительные приборы 4 и 5, дроссельный вентиль 6, промежуточный испаритель 7, обратный теплопровод 8, накопительно-вытеснительные сосуды 9 и 10, подогреватели 11 и 12, обратные клапана 13-16, четырехходовой клапан 17, компрессор 18, перепускной клапан 19, воздухоотделитель 20, предохранительный клапан 21, сосуд 22, клапан 23, выпускную трубу 24. Из выпускной трубы в атмосферу сбрасывается воздух 25, в испарители 2 и 7 из тепловой сети подают первичные теплоносители 26 и 27. Конструкция воздухоотделителя содержит конденсационную колонну 28, испарительный трубопровод 29 с дроссельным отверстием 30, подающий трубопровод 31 и выпускные трубопроводы 32 и 33.
Работа системы отопления осуществлена следующим образом. Жидкое рабочее тело из котла 1 поступает в испаритель 2, в котором под действием теплоты первичного теплоносителя 26 вскипает. Парожидкостная смесь из испарителя поступает обратно в котел 1, в котором разделяется на паровую и жидкостную составляющие. Жидкость возвращается в испаритель 2, а пар по подающему теплопроводу 3 поступает в конденсационный отопительный прибор 4, в котором пары рабочего тела частично конденсируются, отдавая теплоту конденсации через стенки отопительного прибора обогреваемому устройству или помещению.
Парожидкостная смесь из отопительного прибора 4 дросселируется через дроссельный вентиль 6 и поступает в испаритель 7, в котором под действием теплоты первичного теплоносителя 27 жидкое рабочее тело частично или полностью испаряется. Парожидкостная смесь из испарителя 7 поступает в конденсационный отопительный прибор 5, в котором пары рабочего тела частично конденсируются, отдавая теплоту конденсации через стенки отопительного прибора обогреваемому устройству или помещению.
Парожидкостная смесь из отопительного прибора 5 по обратному теплопроводу 8 поступает в один из накопительно-вытеснительных сосудов 9 или 10. Работа накопительных сосудов осуществляется в два этапа.
На первом этапе четырехходовой клапан 17 соединяет накопительно-вытеснительный сосуд 9 с всасывающей линией компрессора 18, а накопительно-вытеснительный сосуд 10 с нагнетательной линией компрессора. Парожидкостная смесь из отопительного прибора 5 по обратному теплопроводу 8 через обратный клапан 13 под действием перепада давлений всасывается в накопительно-вытеснительный сосуд 9. Жидкое рабочее тело остается в сосуде 9, постепенно его заполняя, а парообразное рабочее тело через четырехходовой клапан 17 поступает в компрессор 18, который сжимает пар и подает его под давлением через перепускной клапан 19 или через воздухоотделитель 20 обратно в четырехходовой клапан 17, который направляет сжатый пар в накопительно-вытеснительный сосуд 10. Поступающий в сосуд 10 сжатый пар вытесняет находящееся в сосуде жидкое рабочее тело через обратный клапан 16 по обратному теплопроводу 8 в котел 1, а после полного вытеснения жидкого рабочего тела поступает по обратному теплопроводу 8 через котел 1 в подающий теплопровод 3.
После заполнения накопительно-вытеснительного сосуда 9 жидким рабочим телом, на втором этапе четырехходовой клапан 17 переключает накопительно-вытеснительный сосуд 9 со всасывающей линии компрессора на нагнетательную линию, а накопительно-вытеснительный сосуд 10 с нагнетательной линии на всасывающую. Парожидкостная смесь из отопительного прибора 5 начинает поступать через обратный клапан 14 в пустой сосуд 10, постепенно его заполняя жидким рабочим телом, а сжатый компрессором пар начинает поступать в заполненный сосуд 9, вытесняя накопившееся в нем жидкое рабочее тело через обратный клапан 15 в котел 1.
Если поступающего сжатого пара не хватает для полного вытеснения жидкого рабочего тела из накопительно-вытеснительного сосуда в котел 1, включают в работу соответствующее нагревательное устройство 11 или 12, которое вырабатывает недостающее количество пара, обеспечивая полное опорожнение накопительно-вытеснительного сосуда к моменту срабатывания четырехходового клапана 17.
При использовании в качестве рабочего тела легкокипящей жидкости, в системе поддерживается разрежение. При наличии в циркуляционном контуре микрозазоров, под действием перепада давлений в нее постепенно подсасывается атмосферный воздух, в результате чего производительность теплопередающего контура резко снижается. Также система неспособна нормально функционировать в пусковом периоде, когда ее паровое пространство полностью заполнено воздухом. Для обеспечения удаления лишнего воздуха из системы предусмотрен воздухоотделитель 20, который включается в работу при закрытом перепускном клапане 19.
Работа воздухоотделителя осуществлена следующим образом. Парогазовая смесь, попадающая по подающему трубопроводу 31 в среднюю часть конденсационной колонны 28, разделяется на два потока. Один поток направляется в нижнюю часть колонны, через дроссельное отверстие 30 поступает в испарительный трубопровод 29 и через выпускной трубопровод 32 поступает к четырехходовому клапану 17. Проходя через дроссельное отверстие 30, парогазовый поток захватывает с собой часть жидкого рабочего тела, находящегося в нижней части конденсационной колонны 28. Захваченное жидкое рабочее тело, проходя по испарительному трубопроводу 29, под действием поступающей через стенки трубопровода 29 теплоты частично или полностью испаряется, увеличивая объем поступающей в выпускной трубопровод 32 парогазовой смеси. Испарение жидкого рабочего тела в испарительном трубопроводе 29 обеспечивается разностью давлений паров рабочего тела внутри конденсационной колонны 28 и испарительного трубопровода 29.
Второй поток парогазовой смеси направляется в верхнюю часть конденсационной колонны 28. Проходя по колонне, паровая составляющая парогазовой смеси конденсируется на наружных стенках колонны 28 и испарительного трубопровода 29. Сконденсированное жидкое рабочее тело под действием силы тяжести стекает в нижнюю часть колонны, а охлажденная парогазовая смесь с пониженным содержанием пара и с повышенным содержанием газовой составляющей (воздуха) накапливается в верхней части конденсационной колонны 28, в которой либо удерживается весь период работы системы (в случае ее полной герметичности), либо периодически удаляется по выпускному трубопроводу 23 (в случае подсоса воздуха через неплотности системы).
Удаление газов (воздуха) из верхней части воздухоотделителя 20 осуществляется при помощи предохранительного клапана 21, срабатывающего при повышении давления в конденсационной колонне воздухоотделителя. Парогазовая смесь с низким содержанием паров из воздухоотделителя 20 поступает в сосуд 22, на холодных стенках которого осуществляется конденсация остаточных паров рабочего тела. Очищенные от остатков рабочего тела газы 25 по выпускной трубе 24 сбрасываются в атмосферу.
При снижении содержания циркулирующего рабочего тела в рабочем контуре системы ниже определенного порога, открывают клапан 23 и осуществляют дозированную заправку системы рабочим телом под действием разности давлений между сосудом 22 и обратным теплопроводом 8.