ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЁЛ С ВСТРОЕННЫМ ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ
WATER BOILER WITH BUILT-IN HEAT PUMP

Водогрейный котел с встроенным тепловым насосом относится к области производства водогрейных котлов наружного и внутреннего размещения, в частности к водогрейным котлам, использующим скрытую теплоту в дымовых газах.
Водогрейный котел - устройство, имеющее топку, обогреваемое продуктами сжигаемого в ней топлива и предназначенное для нагревания в ней воды, находящейся под давлением выше атмосферного и используемой в качестве теплоносителя вне самого устройства. Повышенное давление необходимо для того, чтобы исключить кипение воды в котле. При этом давление воды во всех точках должно быть выше давления насыщения при достигаемой в котле температуре.
Определение котла и котельной установки дано в ГОСТ 23172-78 «Котлы стационарные. Термины и определения», водогрейного котла - в ГОСТ 25720-83 «Котлы водогрейные. Термины и определения».
В настоящее время наиболее совершенными являются так называемые конденсационные котлы, использующие скрытую теплоту парообразования паров воды в дымовых газах за счет дополнительного улавливания энергии при конденсации водяных паров. Один из этого вида котлов описан в патенте «Конденсационный котел наружного размещения» (РФ №2449224, кл. F24H 1/00, F24H 1/22, опубл. 27.04.2012 г. ). Данный котел содержит гидротеплоизолированный корпус с размещенными внутри основным и дополнительным теплообменником, дутьевой горелкой, прямую и обратную линии, патрубок дымовой трубы, конденсатоотводящую трубку и дополнительно снабжен коаксиальным дымоходом, при этом дополнительный теплообменник установлен в цилиндрической части коаксиального дымохода, а у основания последнего установлена конденсатоотводящая трубка. Как и во всех конденсационных котлах технический результат изобретения сводится к увеличению теплопроизводительности котла, повышению КПД за счет создания второго хода дымовых газов и передачи тепла теплоносителю через дополнительный теплообменник в результате выделения дополнительной теплоты из дымовых газов при конденсации водяных паров из него. Недостатком конденсационных котлов является то, что в таких котлах улавливается лишь внутренняя энергия водяных паров, а внутренняя энергия остальной части дымовых газов теряется.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и принятым автором за прототип является изобретение по патенту «Heating installation has heat source formed by condenser of heat pump in which evaporator is acted upon by fuel cell arrangement» (DE 10002942 A1, кл. F24D 3/18, H01M 8/04, F24H 1/00, опубл.: 20.07.2000). Здесь описана отопительная установка, работающая от теплового насоса, у которого конденсатор передает тепло потребителю, а испаритель благодаря контакту с дымовыми газами забирает у них часть их остаточной энергии, которая в противном случае могла бы быть выброшена в окружающую среду. Это позволяет с минимальными усилиями значительно повысить эффективность работы котельной установки в целом.
Недостатком данной установки является разъединенность между собой котла и испарителей, конденсаторов и других элементов теплового насоса, а также контура отопления котла и контура отопления теплового насоса, что приводит к тому, что котел обслуживает своих потребителей тепла, а тепловой насос - своих потребителей. При этом возможности теплопотребления потребителей, получающие тепло от теплового насоса будут ограничиваться потребностями потребителей получающие тепло от котла, т.к. количество утилизируемого тепловым насосом тепла определяется теплопроизводительностью котла. Кроме того, в прототипе нет сведений о согласовании между собой режимов работы котла и теплового насоса, что не обеспечивает максимально возможную эффективность этих установок в целом. Задачей данного изобретения является уменьшение габаритов (обеспечение компактности) системы котел - тепловой насос, устранение зависимости потребителей тепла, получающих тепло от теплового насоса, от потребителей тепла, получающих тепло от котла, обеспечение удобства и простоты монтажа, а также обеспечение согласования между собой режимов работы котла и теплового насоса для того, чтобы обеспечить высокоэффективную совместную работу котла и теплового насоса при изменении теплопроизводительности котла, необходимую потребителю тепловой энергии (например, при изменении температуры уличного воздуха).
Поставленная задача решается тем, что в водогрейном котле с встроенным тепловым насосом, содержащим основной теплообменник, совмещенный с топкой, дополнительный теплообменник, соединенный через дымоход с основным теплообменником и через дымовой патрубок с дымовой трубой, размещенные в дополнительном теплообменнике части испарителей не менее одного теплового насоса, конденсаторы которых имеют возможность передавать тепло для отопления помещений, входной присоединительный штуцер, выходной присоединительный штуцер, отличающийся тем, что основной и дополнительный теплообменники соединены в одном корпусе и имеется система управления, устроенная таким образом, что с увеличением расхода топлива суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса увеличивается и, наоборот - с уменьшением расхода топлива суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса снижается.
В водогрейном котле с встроенным тепловым насосом (далее будем называть коротко ВКВТН) под основным теплообменником, совмещенным с топкой, понимается часть ВКВТН в котором происходит сжигание органического топлива, охлаждение продуктов сгорания путем передачи тепла теплоносителю отопительной системы, находящегося внутри двойных стенок, образующих саму топку основного теплообменника. Теплоноситель отопительной системы - жидкость, циркулирующая внутри отопительной системы, проходящая через ВКВТН и осуществляющая перенос тепла от ВКВТН до потребителя тепла. Обычно это чистая вода или вода с определенными добавками для улучшения физических свойств теплоносителя. Отопительная система - это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне, отвечающей условиям теплового комфорта и (или) требованиям технологического процесса. В ВКВТН имеется также дополнительный теплообменник, который соединен с основным теплообменником через дымоход. Дымоход - канал, предназначенный для направления продуктов сгорания топлива из основного теплообменника в дополнительный теплообменник. С другой стороны дополнительного теплообменника располагается дымовой патрубок, сквозь который дымовые газы, выходящие из ВКВТН, отправляются в дымовую трубу. А через дымовую трубу дымовые газы выводятся в атмосферу. Внутри дополнительного теплообменника между местом соединения его с дымоходом и местом соединения его с дымовым патрубком располагаются части испарителей не менее одного теплового насоса.
Неотъемлемой частью ВКВТН является наличие не менее одного теплового насоса. Согласно источнику [1] тепловым насосом называют тепловую машину, работающую по обратному термодинамическому циклу и предназначенную для передачи более нагретому телу теплоты, отбираемой от менее нагретого (за счет затраты работы цикла). Тепловые насосы могут быть компрессорными и абсорбционными. Основными функциональными частями любого теплового насоса (помимо, компрессора и регулирующего(дроссельного) вентиля) является испаритель и конденсатор. Испаритель - теплообменный аппарат (теплообменник), в котором осуществляется процесс испарения, процесс фазового перехода теплоносителя теплового насоса из жидкого в парообразное состояние за счет подвода тепла более теплым внешним теплоносителем. Испаритель утилизирует низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и забирает тепло от внешнего теплоносителя, охлаждая его. Конденсатор - теплообменный аппарат (теплообменник), в котором осуществляется процесс конденсации, процесс фазового перехода теплоносителя теплового насоса из парообразного в жидкое состояние за счет отвода тепла более холодным внешним теплоносителем. Конденсатор является теплообменным аппаратом, отдающим теплоту потребителю. В предлагаемом устройстве могут быть один или большее число тепловых насосов. В тепловом насосе ВКВТН внешним теплоносителем для испарителя являются дымовые газы, проходящие через дополнительный теплообменник. По сути дополнительный теплообменник с размещенными в нем частями испарителей не менее одного теплового насоса образуют испарители этих тепловых насосов. Под частями испарителей не менее одного теплового насоса понимаются трубки, в которых происходит испарение теплоносителей тепловых насосов, на которых могут быть установлены пластины для увеличения площади теплообмена. В тепловом насосе ВКВТН внешним теплоносителем для конденсатора могут быть теплоноситель отопительной системы, воздух отапливаемых помещений, теплоизлучающие поверхности. В предлагаемом устройстве от дымохода, соединяющего основной и дополнительный теплообменники к дымовому патрубку через части испарителей не менее одного теплового насоса проходят дымовые газы, отдавая тепло теплоносителям одного или большего числа тепловых насосов. А конденсаторы не менее одного теплового насоса имеют возможность передать тепло отапливаемым помещениям путем дополнительного нагрева теплоносителя отопительной системы (в дополнении к нагреву в основном теплообменнике), либо непосредственно воздуху, либо предметам отапливаемых помещений. Причем каждый из конденсаторов используемых в ВКВТН могут передавать тепло отапливаемым помещениям любым из указанных видов передачи тепла. Поскольку ВКВТН осуществляет обогрев одних и тех же помещений (потребителей), тем самым достигается устранение зависимости (присущее прототипу) потребителей тепла, получающих тепло от теплового насоса, от потребителей тепла, получающих тепло от котла.
Входным присоединительным штуцером будем называть резьбовой или фланцевый патрубок, через который осуществляется вход теплоносителя отопительной системы в ВКВТН. Выходным присоединительным штуцером будем называть резьбовой или фланцевый патрубок, через который происходит выход теплоносителя отопительной системы из ВКВТН. Фланцевый патрубок - патрубок, обеспечивающий фланцевое соединение.
В ВКВТН может иметься трубка для отвода конденсата, расположенная в нижней части дополнительного теплообменника. Необходимость данной трубки вызвана тем, что нагретые дымовые газы, проходя через части испарителей не менее одного теплового насоса в дополнительном теплообменнике, интенсивно охлаждаются, вследствие чего из дымовых газов будет выделяться конденсат, который будет капать вниз и уходить через конденсатоотводящую трубку за пределы котла. Далее этот конденсат может быть направлен в канализацию или может быть использован в хозяйственных нуждах.
Одним из отличительных признаков ВКВТН является то, что основной и дополнительный теплообменники соединены в одном корпусе. Это означает, что основной и дополнительный теплообменники соединены (связаны) между собой неподвижно относительно друг друга и образуют единую конструкцию котла, т.е. либо основной и дополнительный теплообменники имеют, по крайней мере, одну общую стенку или имеют дополнительные (помимо дымохода) связывающие их элементы. При этом основной и дополнительный теплообменники будут сближены, что приведет к уменьшению габаритов и обеспечена компактность водогрейного котла с встроенным тепловым насосом. Объединение основного и дополнительного теплообменников в одном корпусе ВКВТН обеспечивает также удобство и простоту его монтажа, т.е. нет необходимости отдельного монтажа основного и дополнительного теплообменников.
Другим признаком ВКВТН является то, что в нем имеется система управления, устроенная таким образом, что с увеличением расхода (подачи) топлива суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса увеличивается и, наоборот - с уменьшением расхода (подачи) топлива суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса снижается. Очевидно с увеличением расхода топлива, т.е. с увеличением массы топлива подаваемого в ВКВТН за единицу времени, пропорционально увеличивается расход дымовых газов через ВКВТН и соответственно через дополнительный теплообменник. В этом случае будет рациональным увеличить соответственно интенсивность переноса тепла тепловыми насосами. Под суммарной интенсивностью работы не менее одного теплового насоса понимается среднее количество тепловой энергии, переносимое за единицу времени всеми задействованными в данный момент тепловыми насосами (с учетом того, что у теплового насоса может быть период отключения между фазами активной работы). Это можно осуществить многими способами, например, увеличивая интервал времени работы теплового насоса, уменьшая тем самым время его остановки (простоя) подобно тому, как это происходит у бытового холодильника, либо увеличивая скорость циркуляции теплоносителя самого теплового насоса, либо изменяя количество задействованных (одновременно работающих) в данный момент тепловых насосов. С уменьшением расхода топлива рациональным будет уменьшить интенсивность переноса тепла тепловыми насосами, т.к. чрезмерное охлаждение дымовых газов приведет к росту затрат энергии на работу самих тепловых насосов. Таким образом, обеспечивая согласование расхода топлива в ВКВТН и суммарной интенсивности работы не менее одного теплового насоса, обеспечивается высокоэффективная совместная работа основного теплообменника и дополнительного теплообменника с частями не менее одного теплового насоса при изменении тепловой потребной мощности устройства, которая необходима потребителю тепловой энергии (например, при изменении температуры уличного воздуха). Согласование расхода (подачи) топлива в ВКВТН и режимов работы не менее одного теплового насоса осуществляется с помощью системы управления. Система управления может быть устроена различными способами. Например, с помощью специального управляющего устройства (контроллер или микропроцессор) и связанного с ним датчика температуры дымовых газов, размещенного в дополнительном теплообменнике ближе к дымовому патрубку, т.к. на выходе из дополнительного теплообменника температура дымовых газов будет наименьшей. При этом задают такой алгоритм работы управляющего устройства, чтобы при понижении температуры дымовых газов на выходе из дополнительного теплообменника на определенный шаг понижения температуры управляющее устройство подавало управляющие сигналы тепловым насосам, чтобы суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса уменьшалась на величину, обеспечивающую максимальный КПД всего ВКВТН. И, наоборот - при повышении температуры дымовых газов на выходе из дополнительного теплообменника на определенный шаг повышения температуры управляющее устройство подавало управляющие сигналы тепловым насосам, чтобы суммарная интенсивность работы не менее одного теплового насоса увеличивалась на величину, обеспечивающую максимальный КПД всего ВКВТН.
Все отличительные признаки, указанные в первом пункте формулы предлагаемого изобретения, должны быть реализованы в ВКВТН только совместно (одновременно), без исключения хотя бы одного признака.
Существуют различные варианты передачи тепла конденсатором теплового насоса для отопления помещений.
Есть вариант, когда конденсатор не менее одного теплового насоса размещен между входным присоединительным штуцером и основным теплообменником (п. 2 формулы изобретения). В этом случае между входным присоединительным штуцером и основным теплообменником ВКВТН размещается (устанавливается) конденсатор не менее одного теплового насоса, через который протекает теплоноситель отопительной системы, т.е. до входа в корпус основного теплообменника теплоноситель отопительной системы получает тепло от не менее одного теплового насоса.
Есть вариант, когда конденсатор не менее одного теплового насоса размещен между выходным присоединительным штуцером и основным теплообменником (п. 3 формулы изобретения). В этом случае между выходным присоединительным штуцером и основным теплообменником ВКВТН размещается (устанавливается) конденсатор не менее одного теплового насоса, через который протекает теплоноситель отопительной системы, т.е. на выходе из корпуса основного теплообменника теплоноситель отопительной системы получает тепло от не менее одного теплового насоса.
Есть вариант, когда конденсатор не менее одного теплового насоса размещен на отдельной трубопроводной линии между входным присоединительным штуцером и выходным присоединительным штуцером (п. 4 формулы изобретения). В этом случае поток теплоносителя отопительной системы, пройдя через входной присоединительный штуцер, разделяется на две части одна из частей которого проходит через основной теплообменник ВКВТН и там повышается его температура от сжигания топлива в топке, а другая часть проходит по отдельной трубопроводной линии сквозь конденсатор не менее одного теплового насоса и получает там тепло (нагревается). Далее перед выходным присоединительным штуцером оба первоначально разделенных потока вновь объединяются и движутся как один единый поток нагретого теплоносителя отопительной системы.
Есть вариант, когда конденсатор не менее одного теплового насоса передает тепло непосредственно воздуху обогреваемых помещений конвективным теплообменом (п. 5 формулы изобретения). В данном варианте предлагаемого изобретения устройство теплового насоса имеет много общего со Сплит-системой, работающей в режиме обогрева помещения. Сплит-система (англ. split - «разделять») - система, состоящая из двух блоков: внешнего и внутреннего. Внешний блок располагают вне охлаждаемого (обогреваемого) помещения (например, на фасаде здания, на крыше, на открытой лоджии и т.д.). Внутренний блок, в зависимости от типа, может располагаться на потолке, полу, стенах или встроен в подвесной потолок. Внутренний и внешний блоки соединяют между собой с помощью фреоновой магистрали и электрического соединения. В жаркое время года Сплит-система работает как кондиционирующая система (в режиме холодильной машины). В холодное время года Сплит-система работает как отопительная система (в режиме теплового насоса). В этом варианте предлагаемого изобретения по аналогии со Сплит-системой, работающей в режиме обогрева помещения роль внешнего блока играет дополнительный теплообменник с частями испарителя, а конденсатор располагается в блоке, имеющем такое же строение что и внутренний блок Сплит-системы. Другими словами, конденсатор в данном варианте может быть установлен либо рядом с основным и дополнительным теплообменниками, либо отдельно на потолке, полу или стенах помещения и с помощью встроенного в него вентилятора, продуваясь им отдавать тепло воздуху ближайшего помещения.
Есть вариант, когда конденсатор не менее одного теплового насоса передает тепло инфракрасному излучателю (п. 6 формулы изобретения). Существует способ обогрева помещений с помощью инфракрасных лучей. Такой способ обогрева заключается в том, что с помощью различных способов производится нагрев специального элемента (например, керамической пластины), который в свою очередь начинает излучать лучи в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные (тепловые) лучи почти не поглощаются воздухом, но хорошо поглощаются твердыми предметами (например, стенами помещения, мебелью, людьми и т.д.), что позволяет эффективно обогревать большие помещения. В данном варианте предлагаемого изобретения конденсатор теплового насоса передает тепло специальному излучающему элементу, который облучает тепловыми лучами предметы, стены и пол помещений.
Вышеописанные различные варианты передачи тепла конденсатором теплового насоса для отопления помещений могут быть реализованы в одном конкретном ВКВТН как в одном из перечисленных вариантов, так и в различных сочетаниях между собой, т.е. могут быть, применены одновременно два или большее число вариантов в одном устройстве с разным количеством тепловых насосов.
Поскольку в предлагаемом изобретении части испарителей не менее одного теплового насоса, размещенные в дополнительном теплообменнике, создают значительное торможение дымовым газам, можно сопротивление газоходного тракта преодолеть работой дутьевых вентиляторов или работой дымососа или совместной (одновременной) работой дутьевых вентиляторов и дымососа (п. 7 формулы изобретения). В котлах с использованием искусственной тяги для подачи воздуха применяется дутьевой вентилятор, а для удаления продуктов сгорания топлива используется дымосос. Дутьевых вентиляторов может быть один или несколько. Дутьевые вентиляторы - это специальный вид промышленных вентиляторов, называемый еще тягодутьевыми машинами, применяемый в тепловой промышленности и предназначенный для подачи свежего, чистого воздуха в топки различных котлов или других технологических промышленных устройств, например, таких как котельные, тепловые электростанции, пылеугольные и газомазутные котлы, печи. Дымосос - прибор, представляющий собой термоустойчивый вентилятор, стойкий к кислотному конденсату и дыму, в составе которого могут содержаться несгоревшие частицы топлива. Дымосос котлов монтируют в канале дымохода, размещая его непосредственно на выходе из котла.
Очевидно, что поскольку дутьевые вентиляторы и дымососы работают от электричества, то при аварийном его отключении отключатся и эти устройства. При этом тяга уменьшится и благодаря срабатыванию блока автоматики, предусмотренной на всех водогрейных котлах по ГОСТ 21563-93(2003) «Котлы водогрейные. Основные параметры и технические требования», ВКВТН будет отключен. Для того чтобы такого не происходило помимо дымового патрубка предлагаемое устройство может в верхней части дымохода иметь вытяжной патрубок с автоматическим шибером (п. 8 формулы изобретения). При наличии электропитания шибер будет всегда закрыт, но при отключении электричества он автоматически откроется и по нему дымовые газы будут уходить напрямую в дымовую трубу, минуя дополнительный теплообменник, т.е. тяга в предлагаемом устройстве будет обеспечена и при отключения электропитания. При включении электропитания шибер будет автоматически закрыт, например, с помощью электромагнита и работа ВКВТН будет продолжена в штатном режиме.
Как и во многих современных котлах, в предлагаемом устройстве могут также быть:
- встроенный контур горячего водоснабжения,
- непрерывная электронная модуляция пламени,
- блок дистанционного управления (например, через сотовую сеть связи) с климатическим регулятором,
- встроенная погодозависимая автоматика с возможностью подключения датчика уличной температуры,
- система регулирования и автоматического поддержания заданной температуры в контуре отопления,
- возможность подключения комнатного термостата и программируемого таймера,
- цифровая система самодиагностики,
- ионизационный контроль пламени,
- защитный термостат от перегрева воды в теплообменнике,
- датчик тяги - термостат для безопасного удаления продуктов сгорания,
- система защиты от замерзания,
- система безопасности по отсутствию пламени, тяги, теплоносителя в контуре отопления,
- жидкокристаллический дисплей для цифрового регулирования и контроля с отображением информации о работе котла,
- система защиты от блокировки насоса и трехходового клапана,
- система антибактериальной защиты.
Изобретение иллюстрируется на фиг. 1-6, при этом на фиг. 1 показан общий вид ВКВТН в продольном разрезе и там же показаны признаки по п. 7 и п. 8 формулы изобретения. На фиг. 2 показан разрез по А-А в соответствии с п. 2 формулы изобретения, на фиг. 3-разрез по А-А в соответствии с п. 3 формулы изобретения. На фиг. 4 - разрез по А-А в соответствии с п. 4 формулы изобретения, а на фиг. 5 - разрез по А-А в соответствии с п. 5 формулы изобретения. На фиг. 6 - разрез по А-А в соответствии с п. 6 формулы изобретения. На фиг. 1 стрелками показаны направления движения дымовых газов.
ВКВТН содержит основной теплообменник поз. 1, выполненный из стали, газогорелочное устройство поз. 2, топку поз. 3, дутьевой вентилятор поз. 4, утеплитель котла поз. 5, дополнительный теплообменник поз. 6, в котором размещена многосекционный часть испарителя поз. 7 теплового насоса у которого поз. 8 - вход теплоносителя в испаритель, а поз. 9 - выход теплоносителя из испарителя. В устройство встроен один тепловой насос. При этом секции испарителя поз. 7 соединены между собой последовательно, а конструкция каждой секции аналогична автомобильной радиаторной решетки, выполненной из трубочек с многочисленными пластинами охлаждения. Дымовые газы попадают из основного теплообменника поз. 1 в дополнительный теплообменник поз. 6 через дымоход, состоящий из патрубка поз. 10 и вертикального канала поз. 11. С помощью дымососа поз. 12 производится вытяжка дымовых газов из дополнительного теплообменника поз. 6 и вывод их в дымовую трубу (не показан на фигурах) через дымовой патрубок поз. 13. Для сбора и удаления конденсата внутри дополнительного теплообменника поз. 6 его днище выполнено в виде наклонных поверхностей с конденсатоотводящей трубкой поз. 14 в нижней части. Теплоноситель отопительной системы входит в ВКВТН из отопительной системы через входной присоединительный штуцер поз. 15 и выходит из ВКВТН через выходной присоединительный штуцер поз. 16. Входной присоединительный штуцер поз. 15, выходной присоединительный штуцер поз. 16 и конденсатор поз. 17 теплового насоса показаны на фиг. 2-6. В тепловом насосе, как известно, помимо испарителя и конденсатора имеются компрессор и регулирующий вентиль, которые в предлагаемом устройстве также имеются, но не показаны на фигурах, т.к. их месторасположение в составе котла не является принципиальным и может быть определено при проектировании устройства. На фиг. 6 конденсатор поз. 17 размещен внутри цилиндрической керамической оболочки поз. 18, которая может излучать инфракрасные лучи при ее нагреве. При этом с тыльной стороны оболочки поз. 18 инфракрасного излучателя имеется отражатель поз. 19 с параболическим поперечным сечением для отражения тепловых лучей в требуемом направлении. В верхней части вертикального канала поз. 11 установлен вытяжной патрубок поз. 20 внутрь которого встроен автоматический шибер поз. 21, который находится в закрытом положении при наличии электропитания благодаря работе электромагнита сила, действия которого превышает силу сжатия пружины, стремящейся повернуть шибер в открытое положение. Но при отключении электропитания электромагнит отключается, и пружина поворачивает шибер поз. 21 вокруг своей неподвижной диаметрально расположенной оси и тем самым приводит его в открытое положение, а дымовые газы получают возможность свободно проходить в дымовую трубу. На фигурах, чтобы не усложнять их, электромагнит и пружина не показаны. В устройстве имеется также система управления для обеспечения согласования расхода (подачи) топлива в ВКВТН и режима работы теплового насоса. Система управления включает в себя контроллер с заложенным в него алгоритмом работы и связанный с контроллером датчик температуры дымовых газов, размещенный в дополнительном теплообменнике ближе к дымовому патрубку. Элементы системы управления на фигурах не показаны, т.к. их внешнее оформление не отражается на работе устройства.
ВКВТН работает следующим образом.
С помощью дутьевого вентилятора поз. 4 подается воздух, смешиваемый с природным газом в газогорелочное устройство поз. 2, на котором при сгорании топлива вырабатывает тепло в топке поз. 3, которое через стенки основного теплообменника поз. 1 передается теплоносителю отопительной системы. Далее охлажденные дымовые газы через патрубок поз. 10 и вертикальный канал поз. 11 входят в нижнюю часть дополнительного теплообменника поз. 6. В дальнейшем дымовые газы проходят сквозь многосекционную часть испарителя поз. 7 теплового насоса и отдают ему свою тепловую энергию и благодаря работе дымососа поз. 12 через дымовой патрубок поз. 13 выбрасываются в дымовую трубу. При этом теплоноситель теплового насоса, пройдя через многосекционную часть испарителя поз. 7 и получив от дымовых газов их тепловую энергию, направляется через компрессор в конденсатор поз. 17 теплового насоса. Поскольку дымовые газы при контакте с многосекционной частью испарителя поз. 7 интенсивно охлаждаются, то на его стенках образуется конденсат, который капает на наклонное днище дополнительного теплообменника поз. 6 и далее по конденсатоотводящей трубке поз. 14 стекает в канализацию. При изменении расхода топлива, подаваемого в устройство контроллер системы управления благодаря заложенному в него алгоритму организует, таким образом, работу теплового насоса, чтобы при понижении температуры дымовых газов на выходе из дополнительного теплообменника с контроллера подавался управляющий сигнал тепловому насосу на уменьшение времени работы теплового насоса. И, наоборот - при повышении температуры дымовых газов на выходе из дополнительного теплообменника контроллер подавал управляющий сигнал тепловому насосу, на увеличение времени работы теплового насоса.
Как было отмечено выше, могут быть различные варианты передачи тепла от конденсатора поз. 17 теплового насоса в отопительную систему. На фиг. 2 показан вариант по п. 2 формулы изобретения, когда конденсатор поз. 17 размешен между входным присоединительным штуцером поз. 15 и основным теплообменником поз. 1. В результате теплоноситель отопительной системы перед входом в основной теплообменник поз. 1 предварительно нагревается от конденсатора поз. 17 теплового насоса. На фиг. 3 показан вариант по п. 3 формулы изобретения, когда конденсатор поз. 17 насоса размещен между выходным присоединительным штуцером поз. 16 и основным теплообменником поз. 1. При этом теплоноситель отопительной системы после выхода из основного теплообменника поз. 1 получает дополнительное тепло от конденсатора поз. 17 теплового насоса. На фиг. 4 показан вариант по п. 4 формулы изобретения, в котором конденсатор поз. 17 размещен на отдельной трубопроводной линии между входным присоединительным штуцером поз. 15 и выходным присоединительным штуцером поз. 16. Получается так, что теплоноситель отопительной системы после входа в устройство через входной присоединительный штуцер поз. 15 разделяется на два потока: один проходит через основной теплообменник поз. 1, а другой проходит через отдельную трубопроводную линию, в которую встроен конденсатор поз. 17 теплового насоса. Затем оба уже нагретых потока снова объединяются в один единый поток теплоносителя отопительной системы перед попаданием в выходной присоединительный штуцер поз. 16. На фиг. 5 показан вариант по п. 5 формулы изобретения, когда конденсатор поз. 17 встроен в отдельный блок аналогичный блоку Сплит-системы работающей в режиме обогрева, установленному (например, на потолке) в обогреваемом помещении. При этом теплоотдача от конденсатора поз. 17 воздуху обогреваемого помещения происходит благодаря продуванию его с помощью вентилятора. В результате теплоноситель котла получает тепло в основном теплообменнике, а тепло от теплового насоса передается воздуху обогреваемого помещения. На фиг. 6 показан вариант по п. 6 формулы изобретения, в котором конденсатор поз. 17 нагревает керамическую оболочку поз. 18, излучающую при этом инфракрасные лучи. С помощью отражателя поз. 19 тепловые лучи направляются в требуемом направлении. В случае аварийного отключения электропитания дутьевой вентилятор поз. 4, дымосос поз. 12, тепловой насос отключатся. Но при этом шибер поз. 21 автоматически откроется, и дымовые газы напрямую из дымохода пройдя через вытяжной патрубок поз. 20 попадут в дымовую трубу. В результате даже при отключении электропитания работа ВКВТН будет продолжена, но уже в режиме обычного водогрейного котла. Подпитка газовых горелок поз. 2 воздухом, при отключенном электропитании, будет осуществляться благодаря естественной вытяжке.
Источник информации
1. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Крутова. - 2-е изд., перераб. и доп. Москва, «Высшая школа», 1981. - 439 с., ил.