УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГОРЯЧЕЙ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
PLANT FOR PRODUCTION OF HOT SERVICE AND DRINKING WATER

Изобретение относится к установке для производства горячей хозяйственно-питьевой воды.
Обычно установка для производства горячей хозяйственно-питьевой воды, которой оборудуют жилой дом как частный, так и многоквартирный, содержит котел и два теплообменника, один из которых называют первичным, а другой - вторичным.
Котел, работающий, например, на газу или на жидком топливе, предназначен для нагрева первой жидкости.
В случае так называемой «смешанной» установки первой жидкостью предпочтительно является вода, циркулирующая в радиаторах системы центрального отопления.
Котел оборудован первичным теплообменником, предназначенным для передачи части тепла, создаваемого горящими газами, получаемыми при работе горелки, которая имеется в котле.
Этот котел является, например, котлом конденсационного типа, содержащим по меньшей мере один трубчатый спиралевидный змеевик, например, из нержавеющей стали, который окружает горелку и в котором проходит первая нагреваемая жидкость.
Теплообменники этого типа описаны, например, в документах ЕР 0678186 В1, WO 2004/036121 и FR 2896856 А.
Первую жидкость, циркулирующую в замкнутом контуре, можно выбрать и/или обработать, в частности подвергнуть деминерализации и дегазации таким образом, чтобы она не создавала проблем, связанных с коррозией и с отложением твердых веществ, в частности известняка, которые являются причиной возникновения закупоривания труб первичного теплообменника.
Эти потенциальные проблемы в основном возникают из-за очень высоких рабочих температур.
Например, выходящие из горелки горящие газы имеют температуру порядка 950°С, и первая жидкость, температура которой первоначально равна температуре окружающей среды, нагревается до температуры около 80°С.
Вторичный теплообменник предназначен для передачи тепла от нагретой таким образом первой жидкости ко второй жидкости, в данном случае к хозяйственно-питьевой воде, которую отбирают для целевого питания точки использования, например раковины, умывальника, душа и/или ванны.
Горячая хозяйственно-питьевая вода накапливается в камере с теплоизолированной стенкой, называемой в обиходе баком.
Вторичный теплообменник такого типа описан, например, в документе FR 2847972.
Во вторичном теплообменнике рабочие температуры существенно ниже, чем в первичном, поэтому прохождение внутри этого теплообменника предварительно не обработанной хозяйственно-питьевой воды, то есть воды, поступающей из сети водоснабжения, в принципе не создает серьезной проблемы коррозии и осаждения твердых веществ.
Установлено, что так называемая жесткая вода, то есть вода с высоким содержанием известняка, не представляет опасности для потребителя (даже если он выпивает много воды); однако она создает серьезные проблемы отложения накипи в трубопроводах при температуре, превышающей примерно 60-65°С.
При температуре ниже 40°С такой проблемы не возникает.
В пределах этих крайних значений с повышением температуры указанная проблема усиливается.
Она становится критической, начиная примерно с 55°С.
Установка, содержащая котел и два теплообменника, как правило, является удовлетворительной с точки зрения работы, надежности и долговечности.
Однако ее недостатком является высокая себестоимость, так как она содержит два разных теплообменника.
Чтобы решить эту проблему, некоторые разработчики установок центрального отопления изменили систему, исключив второй теплообменник и обеспечив прохождение нагреваемой хозяйственно-питьевой воды непосредственно в теплообменник котла для питания накопительного бака.
Таким образом, такая установка для производства горячей хозяйственно-питьевой воды содержит котел, накопительный бак для горячей воды, трубопровод подачи холодной хозяйственно-питьевой воды, трубопровод питания котла предназначенной для нагрева водой, оборудованный насосом, выполненным с возможностью обеспечения циркуляции нагреваемой воды в направлении котла при его запуске и перекрывания этой циркуляции при его остановке, трубопровод отбора горячей хозяйственно-питьевой воды, трубопровод выхода нагретой воды из котла.
В частности, трубопровод подачи холодной хозяйственно-питьевой воды подсоединен посредством Т-образного соединителя, называемого первым соединителем, с одной стороны к трубопроводу питания котла, а с другой стороны к так называемому возвратному трубопроводу, выходящему в нижнюю часть бака накопления горячей воды, тогда как выходной трубопровод котла и трубопровод отбора выходят соответственно в центральную и в верхнюю части этого бака.
Такую установку регулируют, например, так, чтобы постоянно поддерживать температуру воды, находящейся в накопительном баке, около 65°С, что, как правило, является приемлемым для рассматриваемых вариантов применения.
В отсутствие отбора воды система не работает, котел и насос отключены.
Когда возникает необходимость в потреблении горячей хозяйственно-питьевой воды, ее определенная часть выходит из бака через его верхнюю часть и доставляется к точке использования через трубопровод отбора.
Это приводит к включению насоса и котла, и идентичное количество холодной хозяйственно-питьевой воды поступает в установку, чтобы компенсировать отбор. В первом соединителе эта холодная вода смешивается с горячей водой, поступающей из нижней части бака через возвратный трубопровод, и насос нагнетает на вход котла эту смесь (теплую воду).
Это позволяет добиться работы с нормальными диапазоном расхода насоса и температуры котла, даже если расход отбираемой жидкости является низким или, наоборот, очень большим.
Главная проблема возникает, когда отбор прекращается, так как хозяйственно-питьевая вода содержит известняк. В этом случае система управления и регулирования останавливает котел и насос.
В результате горячая хозяйственно-питьевая вода при температуре около 65°С застаивается в трубах на входе в бак, в том числе внутри котла. В отсутствие специального устройства понижение температуры этой воды происходит медленно, поэтому наблюдается отложение известняка на стенках трубопроводов установки, пока температура воды остается выше примерно 40°С.
Это явление, повторяющееся при каждом отборе, может быстро привести к образованию накипи и выходу из строя теплообменника, которым оборудован котел.
Другим недостатком этой известной установки является то, что энергия, отводящаяся во время охлаждения застаивающейся в трубопроводах воды, в том числе в теплообменнике, до следующего отбора, окончательно теряется, что снижает общий энергетический КПД установки.
Задачей изобретения является устранение вышеупомянутых недостатков и исключение или по крайне мере существенное снижение риска образования накипи в трубопроводах в установке вышеупомянутого типа и одновременно значительное ограничение потерь энергии, которые обычно происходят между последовательными отборами воды.
Согласно изобретению поставленные задачи решаются за счет того, что трубопровод подачи холодной хозяйственно-питьевой воды снабжен вторым Т-образным соединителем, установленным по потоку холодной хозяйственно-питьевой воды перед первым Т-образным соединителем, участок трубопровода подачи холодной хозяйственно-питьевой воды, соединяющий второй и первый Т-образные соединители, снабжен накопительным бачком, емкость которого значительно меньше, чем у бака накопления горячей воды, а трубопровод выхода нагретой воды из котла снабжен трехходовым вентилем, соединенным со вторым Т-образным соединителем через перепускную трубу, причем этот вентиль выполнен с возможностью выборочно занимать либо первое положение, в котором он сообщает выход котла с центральной частью накопительного бака, либо второе положение, в котором он сообщает выход котла с перепускной трубой.
Как будет подробнее показано ниже, благодаря такой конструкции можно очень быстро и эффективно охлаждать трубопроводы, находящиеся на входе бака, примерно ниже 40°С, за счет подачи холодной воды, находящейся в бачке, когда прекращается отбор, что позволяет устранить риск отложения известняка.
В то же время наблюдается общее «потепление» воды, присутствующей в этих трубопроводах, которая остается в ожидании следующего отбора при средней температуре, что значительно ограничивает тепловые потери.
Преимущественно котел является котлом, работающим на газе или на жидком топливе.
Преимущественно котел содержит работающую на газе или на жидком топливе горелку, выполненную с возможностью нагрева воды, проходящей по окружающему горелку трубчатому змеевику из нержавеющей стали.
Предпочтительно емкость накопительного бачка приблизительно равна совокупной емкости трубопроводов, соединенных с накопительным баком на выходе второго Т-образного соединителя, включая трубы, проходящие через котел.
Бачок может быть независимым от накопительного бака и находиться снаружи от него, а может быть образован отсеком в нижней части накопительного бака.
Преимущественно указанный вентиль является электрическим.
Преимущественно установка содержит по меньшей мере три датчика температуры, выполненных с возможностью измерения температуры циркулирующей в ней воды, а именно: датчик температуры, расположенный внутри накопительного, бака в его нижней части над уровнем врезки возвратного трубопровода, датчик температуры, расположенный на выходе котла, и датчик температуры, расположенный внутри накопительного бака в его верхней части вблизи входа трубопровода отбора.
Предпочтительно установка оборудована схемой управления и регулирования, содержащей блок управления, выполненный с возможностью управления запуском или остановкой котла и насоса и управления вентилем в зависимости от сигналов о температуре, поступающих в него от датчиков температуры в соответствии с определенной программой работы.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из дальнейшего описания предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая управление установкой;
на фиг.2 схематично показана установка согласно изобретению;
на фиг.3-6 - то же, но на различных этапах рабочего цикла установки;
на фиг.7 показана установка с бачком, интегрированным в нижнюю часть накопительного бака, согласно другому варианту осуществления изобретения.
На фиг.2 показана установка для производства горячей хозяйственно-питьевой воды, соединенная на входе с входом холодной хозяйственно-питьевой воды (ХПВ), который может быть простым краном питьевой воды, а на выходе - с выходом горячей хозяйственно-питьевой воды (ГПВ), который питает одну или несколько точек использования (например, раковину, умывальник, душ, ванну).
Установка содержит котел 1, оборудованный горелкой 60, питаемой горючей смесью, например смесью газа с воздухом или жидкого топлива с воздухом, при помощи вентилятора 6 с регулируемым расходом.
Установка предназначена для нагрева холодной хозяйственно-питьевой воды при помощи этого котла и для поддержания заданной температуры, как правило, около 65°С горячей хозяйственно-питьевой воды в накопительном баке 2 с теплоизолированной стенкой, откуда по необходимости можно производить ее отбор для питания одной или нескольких точек использования.
Обычно бак 2 имеет общую цилиндрическую форму с вертикальной осью с полусферическими концевыми участками и установлен на полу на опоре 20.
В представленном варианте осуществления изобретения горелка 60 представляет собой цилиндрическую горелку, охваченную спиральным трубчатым змеевиком 10 из нержавеющей стали, по которому проходит предназначенная для нагревания вода.
Весь узел установлен в корпусе 11, оборудованном патрубком (не показан) для удаления сгоревших и охлажденных газов, соединенным, например, с вентиляционным каналом, выходящим наружу здания.
Во время работы после зажигания горелки и запуска вентилятора горящие газы, образующиеся на поверхности горелки, проходят в промежутки между витками змеевика, по которому циркулирует нагреваемая вода, в радиальном направлении изнутри наружу, отдавая тепло этой воде одновременно за счет теплопроводности и конденсации.
После этого сгоревшие и охлажденные газы удаляются через патрубок.
Такой нагревательный прибор конденсационного типа хорошо известен, и его подробное описание опущено. В случае необходимости, можно обратиться к упомянутым выше документам ЕР 0678186, WO 2004/036121 или FR 2896856.
Подача холодной хозяйственно-питьевой воды ХПВ в установку происходит через трубопровод 8, содержащий Т-образное соединение 80, обеспечивающее отвод воды либо в трубопровод 30, либо в трубопровод 13.
Условно это соединение 80 в дальнейшем будет называться «вторым Т-образным соединителем».
Трубопровод 30 содержит участок 3 значительно большего диаметра, образующий накопительный бачок.
На выходе бачка 3 трубопровод 30 тоже содержит Т-образное соединение 90, которое в дальнейшем будет называться «первым Т-образным соединителем». Оно обеспечивает отвод потока воды либо в трубопровод 50, либо в трубопровод 9, называемый возвратным.
Своим выходным отверстием 900 трубопровод 9 выходит внутрь бака 2, в его нижнюю часть.
Трубопровод 50 оборудован насосом 5 с электрическим приводом и соединен с входом трубчатого змеевика 10 котла 1.
Выходной трубопровод 40 трубчатого змеевика 10 оборудован трехходовым вентилем 4 (электрическим). К этому вентилю с одной стороны подключен трубопровод 13, отходящий от второго соединителя 80, а с другой стороны - трубопровод 12, выходное отверстие 120 которого выходит внутрь бака 2, в его среднюю часть (приблизительно на половине высоты).
Трехходовой вентиль 4 выполнен с возможностью выборочного соединения выходного трубопровода 40 котла либо с трубопроводом 13, либо с трубопроводом 12.
Выходное отверстие 70 трубопровода 7 отбора (или выхода ГПВ) открыто в сторону верхней части бака 2.
В нижней части бака 2 установлена классическая сливная система 21.
2
1
3
Эта установка дополнительно содержит три датчика температуры, а именно: датчик Т измерения температуры воды, проходящей по трубопроводу 40 на выходе из котла, датчик T измерения температуры воды, находящейся в нижней части бака 2 над отверстием 900 (но ниже отверстия 120), в которое заходит возвратный трубопровод 9, и датчик Т измерения температуры воды, находящейся в верхней части бака 2 вблизи входа 70 трубопровода 7 отбора.
Емкость бачка 3 по существу равна совокупной емкости трубопроводов 9, 50, 10, 40, 13, 12 и 30 (без бачка).
Например, для котла мощностью 50 кВт с баком 2 емкостью 200 л эта емкость составляет примерно 16 л.
Как показано на фиг.1, установка содержит электронный блок управления БУ, в который оператор (специалист по центральному отоплению и/или пользователь) вводит заранее определенные рабочие команды. Такими командами являются оптимальный расход насоса 5, мощность котла 1 и заданная выходная температура горячей хозяйственно-питьевой воды ГПВ.
1
2
3
В зависимости от значений температуры, измеренной датчиками Т Т и Т, блок управления БУ может осуществлять по заданной программе запуск или остановку насоса 5, а также управлять его расходом; запуск или остановку работы котла 1, а также управлять его мощностью (функция расхода вентилятора 6), а также изменять положение вентиля 4 в ходе процесса, который будет описан далее со ссылками на фиг.3-6.
На фиг.3 показано состояние потребления определенного количества горячей хозяйственно-питьевой воды ГПВ в точке использования.
Котел 1 работает (вентилятор 6 вращается, и горелка 60 горит). Вентиль 4 установлен так, чтобы сообщать трубопроводы 40 и 12, но перекрывать трубопровод 13.
2
Насос 5 отрегулирован на обеспечение достаточного расхода для нормальной работы котла даже при слабом расходе i отбираемой воды. Обычно расход насоса 5 не зависит от расхода отбираемой воды.
2
1
3
Горячая вода выходит с расходом i из бака через верхнее отверстие 70 бака 2 в трубопровод 7. Для компенсации этого количества воды в установку по трубопроводу 8 подается холодная вода с таким же расходом i (например, при температуре около 15°С). Поток холодной воды не может попасть в трубопровод 13, другой конец которого перекрыт (вентиль 4 закрыт), и поэтому полностью проходит в трубопровод 30 и бачок 3, а затем выходит из него через первый соединитель 90 и питает насос 5. При этом он смешивается с потоком воды с расходом i, который выходит из основания бака 2 через возвратный трубопровод 9.
1
3
Таким образом, насос 5 нагнетает в направлении котла 1 общий поток смеси холодной воды (например, при около 15°С) и горячей воды (например, при около 65°С) с расходом j=i+i.
2
Эта смесь нагревается до температуры 65°С, контролируемой датчиком Т, и поступает в центральный участок бака 2 через трубопровод 12 (стрелки j).
2
3
Эта горячая вода распределяется внутри накопительного бака 2, обеспечивая в нем определенное перемешивание и выравнивание температуры за счет того, что одна ее часть с расходом i выходит из него через верх, а другая часть с расходом i выходит из него через низ.
На фиг.4 показано состояние прекращения отбора, когда трубопровод 7 перекрыт (что показано на фиг.4 значком ×), следовательно, нет необходимости в добавлении холодной воды в контур, поэтому трубопровод 8 подачи находится под давлением сети холодного водоснабжения.
На первом этапе, который на практике может соответствовать нескольким секундам, блок БУ сохраняет насос 5 и котел 6 в рабочем состоянии, не меняя положения вентиля 4.
2
1
3
В этих условиях наблюдается перемешивание горячей воды за счет циркуляции в замкнутом контуре потока k воды из бака 2, при этом поток проходит к котлу через трубопроводы 9 и 50 и возвращается в бак через трубопроводы 40 и 12. Бачок 3, заполненный холодной водой, остается изолированным. Датчик Т регулирует мощность горелки, которая снижается по мере повышения температуры в баке 2. Когда температура в баке достигает заданного значения, измеренного датчиками Т и Т, блок БУ подает команду на отключение горелки 60.
В этот момент происходит переключение вентиля 4 в положение, показанное на фиг.5.
Насос 5 продолжает работать.
При этом происходит циркуляция воды в замкнутом контуре, показанная стрелками I на фиг.5, от бачка 3 к котлу 1 (погашен) через насос 5 и трубопровод 50, и возвращение в бачок через трубопровод 40, трехходовой вентиль 4 и перепускную трубу 13.
Благодаря такой конструкции содержащаяся в бачке 3 холодная вода быстро охлаждает змеевик 10 котла, а смешивание поступающей из бачка 3 холодной воды с частью горячей воды по существу эквивалентного объема, которая находилась в используемых трубах, приводит к конечной промежуточной температуре порядка 35-40°С.
Наконец, после соответствующей задержки времени блок БУ подает команду на выключение насоса 5.
Таким образом, вода, присутствующая в трубопроводах, имеет слишком низкую температуру, чтобы известняк мог откладываться на стенках этих трубопроводов и образовать на них накипь, что и соответствует нужному результату.
В отсутствие отбора бак остается изолированным, и содержащаяся в нем горячая вода сохраняет заданную температуру, например 65°С.
Блок управления можно запрограммировать таким образом, чтобы в случае «небольших отборов», соответствующих слабому расходу и/или короткому потреблению горячей хозяйственно-питьевой воды, система оставалась в предыдущем состоянии: котел 1 погашен, насос 5 остановлен и вентиль 4 находится в перепускном положении.
Эта ситуация показана на фиг.6.
В случае небольших отборов нет необходимости запускать котел, поскольку запас находящейся в котле 2 горячей воды является достаточным для их удовлетворения. Это позволяет избежать, в частности, этапов остановки/запуска, которые могут отрицательно сказаться на сроке службы установки, и потерь энергии, связанных с работой котла в короткие периоды времени.
В этой конфигурации расход холодной хозяйственно-питьевой воды m, поступающей через трубопровод 8, является таким же, как и расход горячей воды, выходящей из бака 2 через трубопровод 7.
На первом этапе поступающая холодная вода проходит в трубопровод 30, вытесняет воду с промежуточной температурой, занимающую этот трубопровод, в том числе бачок 3, и смесь вытесняется через отводный трубопровод 9 в основание бака 2.
Таким образом, большая часть тепла, образовавшегося на предыдущем этапе, переходит из бачка 3 в бак 2, что способствует поддержанию общего энергетического баланса.
1
Если «небольшие отборы» продолжаются либо постоянно, либо от случая к случаю, в конечном счете в основание бака 2 приходит холодная вода. Вместе с тем, внутри этого бака наблюдается относительно четкий переход температуры между внутренним объемом (с низкой температурой) и верхним объемом (с высокой температурой) воды, присутствующей в баке. Уровень этой переходной зоны постепенно поднимается в зависимости от отбираемого объема и в конечном итоге достигает уровня датчика Т.
При температуре на этом уровне ниже определенного порогового значения блок БУ выдает команду на запуск котла и приводит установку в ее первоначальное рабочее состояние, соответствующее описанному выше со ссылками на фиг.2.
В варианте выполнения установки, показанном на фиг.7, для обозначения идентичных или аналогичных элементов использованы те же обозначения, что и на предыдущих чертежах.
Этот вариант осуществления изобретения в основном отличается от предыдущего тем, что накопительный бачок, в данном случае обозначенный 3', не отделен от накопительного бака, в данном случае обозначенного 2', а является его неотъемлемой частью.
В частности, бачок 3' занимает внутренний объем полусферического дна бака 2' и отделен от внутреннего объема этого бака горизонтальной перегородкой 22.
Трубопровод 8 подачи холодной воды выходит непосредственно в бачок 3' через выходное отверстие 810.
Внутри накопительного бака 2' расположен первый Т-образный соединитель, в данном случае обозначенный позицией 91.
Он содержит вертикальную ветвь 910, которая проходит через перегородку 22, и горизонтальную ветвь, которая выходит через патрубок 92 в бак 2' сразу над перегородкой 22, при этом другой горизонтальный патрубок указанного соединителя соединяется с трубопроводом 93 отвода, соединенным с насосом 5.
Эта установка работает точно так же, как и описанная выше.
В случае нормального отбора горячей хозяйственно-питьевой воды котел 1 и насос 5 работают, при этом вентиль 4 сообщает трубопроводы 40 и 12, холодная хозяйственно-питьевая вода заходит через трубопровод 8 в отсек 3', образующий накопительный бачок, выходит из него через патрубок 910 и смешивается с горячей водой, поступающей из бака 2' через патрубок 92. Эта смесь нагнетается в направлении котла через трубопроводы 93 и 50 при помощи насоса 5. Нагретая в котле 1 вода возвращается в бак по трубопроводам 40 и 12 через вентиль 4.
2
1
3
В случае прекращения отбора горячей хозяйственно-питьевой воды на первом этапе блок БУ сохраняет насос 5 и котел 1 работающими, не меняя положения вентиля 4. При этом происходит перемешивание горячей воды при циркуляции в замкнутом контуре: поток проходит в котел через трубопроводы 93 и 50 и возвращается в бак через трубопроводы 40 и 12. Бачок 3', заполненный холодной водой, остается изолированным. Датчик Т регулирует мощность горелки, которая понижается по мере повышения температуры в баке 2'. Когда весь бак полностью оказывается при необходимой температуре, измеренной датчиками T и Т, блок БУ подает команду на выключение горелки 60.
В этот момент происходит переключение вентиля 4 в положение, устанавливающее сообщение между трубопроводами 40 и 13, при этом насос 5 продолжает работать.
Происходит циркуляция воды в замкнутом контуре от бачка 3' к котлу 1 (погашен) через патрубок 910, трубопровод 93, насос 5 и трубопровод 50, затем обратно в бачок 3' через трубопровод 40, трехходовой вентиль 4, перепускную трубу 13 и трубопровод 8.
Благодаря такой конструкции содержащаяся в бачке 3' холодная вода очень быстро охлаждает змеевик 10 и достигает конечной промежуточной температуры около 33-40°С.
После задержки по времени блок БУ подает команду на отключение насоса 5.
Таким образом, присутствующая в трубопроводах вода имеет слишком низкую температуру, чтобы известняк мог откладываться на стенках этих трубопроводов и образовывать на них накипь, чем и достигается требуемый технический результат.
В отсутствие отбора бак 2' остается изолированным, и содержащаяся в нем горячая вода сохраняет заданную температуру, например 65°С.
Как и в первом варианте осуществления изобретения, блок БУ можно запрограммировать таким образом, чтобы в случае «небольших отборов», соответствующих слабому расходу и/или короткому потреблению горячей хозяйственно-питьевой воды, система оставалась в предыдущем состоянии (котел погашен, насос остановлен и вентиль находится в перепускном положении).
Это позволяет избежать ненужных фаз остановки/запуска при «небольших отборах».
В этой конфигурации расход холодной хозяйственно-питьевой воды m, поступающей через отверстие 810 трубопровода 8, является таким же, как и расход горячей воды, выходящей из бака 2 через отверстие 70 трубопровода 7.
На первом этапе поступающая холодная вода вытесняет воду с промежуточной температурой, занимающей бачок 3', и смесь вытесняется через патрубки 910 и 92 соединителя 91, занимая основание бака 2.
1
Небольшие отборы продолжаются, и, в конечном счете, в основание бака 2 приходит холодная вода при относительно четком переходе температуры между нижним объемом (с низкой температурой) и верхним объемом (с высокой температурой) воды, находящейся в баке. Уровень этой переходной зоны постепенно поднимается в зависимости от отбираемого объема и в итоге доходит до уровня датчика Т.
Когда температура на этом уровне опускается ниже определенного порогового значения, блок БУ подает команду на запуск котла и приводит установку в ее нормальное первоначальное рабочее состояние.