УСТРОЙСТВО ПАНЕЛЬНО-ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ
INSTALLATION FOR PANEL-RADIANT HEATING AND COOLING

Изобретение относится к области отопительной техники и систем охлаждения помещений, в частности к системам лучистого отопления и охлаждения, и может быть использовано для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях как в зимний, так и в летний период.
Известны устройства лучистого отопления и охлаждения в виде подвесных, настенных (внутристенных) или напольных (внутрипольных) панелей или других ограждающих конструкций, в которые запрессовываются, привариваются или приклеиваются трубы, по которым пропускается теплоноситель - нагретая или охлажденная вода. Нагрев или охлаждение подаваемой в панели воды осуществляют при помощи теплогенератора или холодильной установки, соответственно. Проходящая по трубам панелей нагретая (охлажденная) вода за счет теплового контакта между трубами и теплоотдающей/тепловоспринимающей поверхностью панелей передает содержащуюся в ней теплоту (холод) жилым или производственным помещениям. При этом вода охлаждается или нагревается, изменяя свою температуру. Охлажденную или нагретую воду насосом возвращают в теплогенератор или холодильную установку на повторный нагрев или охлаждение.
Благодаря обширной теплоотдающей/тепловоспринимающей поверхности панелей необходимая температура в помещении устанавливается при малой разнице температур между помещением и панелью, что создает благоприятный микроклимат в помещении и позволяет использовать для отопления или охлаждения помещений низкопотенциальные источники тепла или холода, соответственно.
(АВОК №8 2003 г. с.42-44 «Потолочная панельная система Giacoklima»; АВОК №1 2003 г. с.44-50 B.W.Olesen «Теория и практика напольного лучистого отопления»; АВОК №3 2007 г. с.116-117 «Системы поверхностного обогрева»)
Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Недостатком прототипа является значительная масса теплоносителя в системе и существенный перепад температур в разных участках греющих/охлаждающих панелей, связанный с изменением температуры теплоносителя на входе и на выходе из панели.
Настоящее изобретение направлено на устранение этого недостатка и решает техническую задачу обеспечения равномерной температуры греющих/охлаждающих панелей.
Для решения поставленной технической задачи устройство панельно-лучистого отопления/охлаждения содержит теплообменник, сопряженный по тепловому потоку с источником/приемником тепловой энергии, теплоотдающий/тепловоспринимающий трубопровод, прикрепленный к поверхности или проходящий в теле одной или нескольких теплоотдающих/тепловоспринимающих панелей, перекачивающее устройство, обеспечивающее циркуляцию рабочего тела от теплообменника к теплоотдающему/тепловоспринимающему трубопроводу и обратно, а также соединяющие их трубопроводы, которые в совокупности образуют замкнутую теплопередающую циркуляционную систему, которая заполнена рабочим телом в виде жидкости и ее паров; объем паров рабочего тела в системе многократно превышает объем жидкого рабочего тела; форма и размеры сечения теплоотдающего/тепловоспринимающего трубопровода обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме "снарядного" кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости. Данная возможность, как правило, обеспечивается округлой формой и небольшим внутренним диаметром трубопровода на участках движения рабочего тела, не совпадающим по направлению с направлением силы тяжести.
Циркуляционная система предпочтительно содержит один или несколько дополнительных теплообменников, сопряженных по тепловому потоку с тем же или с иным источником/приемником тепловой энергии, что и основной теплообменник системы; дополнительные теплообменники последовательно сообщаются с теплоотдающими/тепловоспринимающими трубопроводами, прикрепленными к поверхности или проходящими в теле одной и той же или разных теплоотдающих/тепловоспринимающих панелей.
В качестве рабочего тела предпочтительно применен хладагент, температура кипения которого при атмосферном давлении ниже, чем рабочая температура в циркуляционной системе.
Соединительные трубопроводы, внутренние трубопроводы основного и дополнительных теплообменников предпочтительно обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме "снарядного" кипения, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости.
Перекачивающее устройство предпочтительно выполнено с возможностью перекачивания рабочего тела как в прямом, так и в обратном направлении.
В качестве перекачивающего устройства предпочтительно применен компрессор или насос.
Циркуляционная система предпочтительно содержит один или несколько регулирующих или переключающих клапанов, обеспечивающих работоспособность перекачивающего устройства при перекачивании рабочего тела как в прямом, так и в противоположном направлении, а также поддерживающих определенное давление в различных частях системы;
В качестве источника/приемника тепловой энергии может быть применен атмосферный воздух, греющая/охлаждающая вода, грунт, тепловой насос, котел, холодильная установка.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Устройство панельно-лучистого отопления или охлаждения позволит эффективно передавать теплоту или холод от источника/приемника тепловой энергии к теплоотдающей/тепловоспринимающей поверхности панели. Устройство позволит поддерживать температуру всех зон панели, контактирующих с теплоотдающим/тепловоспринимающим трубопроводом, на одном и том же уровне, независимо от длины участков.
Применение замкнутой испарительной теплопередающей системы позволит обеспечить высокую мощность теплопередачи при малом внутреннем диаметре трубопроводов.
Применение трубопроводов, форма и размеры сечения которых (например, имеющих малый внутренний диаметр) обеспечивает возможность перемещения парожидкостной смеси по трубопроводу в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости, позволит перемещать как парообразное, так и жидкое рабочее тело по теплопередающей системе независимо от размещения различных частей системы в поле силы тяжести; позволит обеспечить гарантированный возврат смазочного масла к перекачивающему устройству.
Применение трубопроводов с малым внутренним диаметром позволит снизить материалоемкость устройства отопления/охлаждения. Небольшой внутренний объем системы и многократное превышение объема парообразного рабочего тела над объемом жидкого рабочего тела позволит обеспечить работоспособность системы при минимальном количестве рабочего тела внутри нее.
Применение дополнительных теплообменников позволит кратно снизить мощность перекачивающего устройства, требующегося для обеспечения работоспособности системы, обеспечит высокую теплопередающую производительность устройства при сохранении невысокой скорости перемещения рабочего тела по узким трубопроводам и, соответственно, при сохранении низкого уровня шума в системе.
Применение компрессора в качестве перекачивающего устройства позволит использовать низкопотенциальный первичный источник теплоты или холода для передачи теплоты/холода основному теплообменнику системы с дальнейшим повышением потенциала теплоты/холода при сжатии/разрежении паров рабочего тела компрессором.
Применение теплового насоса в качестве источника тепловой энергии для передачи теплоты основному и/или дополнительным теплообменникам, позволит использовать низкопотенциальный первичный источник тепловой энергии для отопления помещения.
Применение холодильной установки в качестве приемника тепловой энергии для передачи холода основному и/или дополнительным теплообменникам позволит использовать низкопотенциальный первичный источник холода для охлаждения помещения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вариант конструкции устройства панельно-лучистого отопления/охлаждения с компрессором в качестве перекачивающего устройства; на фиг.2 показан вариант конструкции устройства отопления/охлаждения с насосом в качестве перекачивающего устройства.
Конструкция устройства панельно-лучистого отопления/охлаждения содержит теплоотдающие/тепловоспринимающие трубопроводы 1-3, основной теплообменник 4, дополнительные теплообменники 5 и 6, и компрессор 7 с регулирующим дроссельным вентилем 8 либо насос 9 с теплообменником 10. Теплоотдающие/тепловоспринимающие трубопроводы 1-3 размещены в теле одной или нескольких теплоотдающих/тепловоспринимающих панелей, теплообменники 4-6 сопряжены с одним или с несколькими источниками/приемниками тепловой энергии. Все участки циркуляционного контура выполнены в виде трубопроводов округлого сечения и небольшого внутреннего диаметра, в результате чего парожидкостная смесь перемещается по ним в режиме «снарядного кипения», при котором порции жидкости передвигаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без расслоения на отдельные паровые и жидкостные потоки, при этом перемещение рабочего тела осуществляется под действием перепадов давления независимо от направления силы тяжести.
Работа устройства панельно-лучистого отопления/охлаждения, изображенного на фиг.1, осуществлена следующим образом.
Работа в режиме отопления осуществляется следующим образом.
Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплоотдающего трубопровода 1 через регулирующий дроссельный вентиль 8 под действием перепада давлений поступает в теплообменник 4. В теплообменнике 4 жидкое рабочее тело под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела с повышенным теплосодержанием откачиваются компрессором 7 и подаются в теплоотдающий трубопровод 3, в котором при повышенном давлении и температуре осуществляется их конденсация. Теплота конденсации паров через стенки панели передается обогреваемому помещению. По мере прохождения по трубопроводу 3 содержание жидкости в парожидкостной смеси возрастает вплоть до полной конденсации паров рабочего тела. Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из трубопровода 3 поступает в теплообменник 6, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела или парожидкостная смесь с повышенным содержанием пара из теплообменника 6 поступают в теплоотдающий трубопровод 2, в котором осуществляется конденсация поступивших паров рабочего тела.
Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из трубопровода 2 поступает в теплообменник 5, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела или парожидкостная смесь с повышенным содержанием пара из теплообменника 5 поступают в теплоотдающий трубопровод 1, в котором осуществляется конденсация поступивших паров рабочего тела. Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплоотдающего трубопровода 1 через регулирующий дроссельный вентиль 8 под действием перепада давлений вновь поступает в теплообменник 4, замыкая цикл.
Так как в теплообменнике 4 кипение рабочего тела осуществляется при более низком давлении, чем в теплообменниках 5 и 6, то для испарения рабочего тела в теплообменнике 4 может применяться источник тепловой энергии с более низким температурным потенциалом, чем у источника тепловой энергии для теплообменников 5 и 6. Использование же дополнительных теплообменников 5 и 6 позволяет передать нагреваемому помещению значительно большее количество тепловой энергии при одной и той же объемной скорости циркуляции рабочего тела по системе. Так как перепад давлений от компрессора 7 до регулирующего вентиля 8 незначителен, температура конденсации паров рабочего тела в различных участках теплоотдающих трубопроводов 1-3 составляет приблизительно одну и ту же величину. Соответственно температура теплоотдающих поверхностей панелей во всех зонах одна и та же, за исключением зон, контактирующих с участками трубопроводов 1-3, в которых произошла полная конденсация паров рабочего тела.
Работа в режиме охлаждения осуществляется следующим образом.
Компрессор 7 посредством четырехходового клапана (не указанного на схеме) переключают в реверсивный режим, а к теплообменникам 4-6 подключают приемники тепловой энергии.
Компрессор 7 откачивает пары рабочего тела от тепловоспринимающего трубопровода 3 и под давлением подает их в теплообменник.4. В теплообменнике 4 при повышенном давлении и температуре пары рабочего тела конденсируются, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Сконденсированное рабочее тело через регулирующий дроссельный вентиль 8 под действием перепада давлений поступает в тепловоспринимающий трубопровод 1, в котором испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели.
По мере прохождения по трубопроводу 1 содержание пара в парожидкостной смеси возрастает вплоть до полного испарения жидкого рабочего тела. Пар или парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости из трубопровода 1 поступает в теплообменник 5, в котором пар конденсируется, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Полностью сконденсированное рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплообменника 5 поступает в тепловоспринимающий трубопровод 2, в котором испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели.
Пар или парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости из трубопровода 2 поступает в теплообменник 6, в котором пар конденсируется, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Полностью сконденсированное рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплообменника 6 поступает в тепловоспринимающий трубопровод 3, в котором испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели.
Так как большинство компрессоров не приспособлены для перекачивания парожидкостной смеси, полноту испарения рабочего тела в тепловоспринимающем трубопроводе 3 контролируют, регулируя производительность приемника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником 6, и, соответственно, уменьшая или увеличивая количество жидкого рабочего тела, поступающего в составе парожидкостной смеси в тепловоспринимающий трубопровод 3. Пары рабочего тела, выходящие из тепловоспринимающего трубопровода 3, откачиваются компрессором 7 и подаются в теплообменник 4, замыкая цикл.
Так как в теплообменнике 4 конденсация рабочего тела осуществляется при гораздо более высоком давлении, чем в теплообменниках 5 и 6, то для конденсации рабочего тела в теплообменнике 4 может применяться приемник тепловой энергии с более высоким температурным потенциалом, чем у приемника тепловой энергии для теплообменников 5 и 6. Использование дополнительных теплообменников 5 и 6 позволяет отобрать от охлаждаемого помещения значительно большее количество тепловой энергии при одной и той же объемной скорости циркуляции рабочего тела по системе. Так как перепад давлений от регулирующего вентиля 8 до компрессора 7 незначителен, температура испарения паров рабочего тела в различных участках тепловоспринимающих трубопроводов 1-3 составляет приблизительно одну и ту же величину. Соответственно температура тепловоспринимающих поверхностей панелей во всех зонах одна и та же, за исключением зон, контактирующих с участками трубопроводов 1-3, в которых произошло полное испарение жидкого рабочего тела и которые имеют более высокую температуру. Это обстоятельство имеет принципиальное значение при охлаждении помещений с высоким уровнем влажности воздуха и позволяет задействовать максимальную поверхность охлаждающих панелей без риска конденсации влаги на некоторых из них.
Работа устройства панельно-лучистого отопления/охлаждения, изображенного на фиг.2, осуществлена следующим образом.
Работа в режиме отопления осуществляется следующим образом.
Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплоотдающего трубопровода 3 через теплообменник 10, в котором осуществляется полная конденсация паров и частичное охлаждение жидкого рабочего тела, поступает во всасывающий патрубок насоса 9. Охлаждение жидкого рабочего тела в теплообменнике 10 необходимо для предотвращения кавитационных процессов в рабочих полостях насоса; осуществляют охлаждение посредством передачи теплоты приемнику тепловой энергии, сопряженному с теплообменником 10.
Насосом 9 жидкое рабочее тело подается в теплообменник 4, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела или парожидкостная смесь с повышенным содержанием пара из теплообменника 4 поступают в теплоотдающий трубопровод 1, в котором осуществляется их конденсация. Теплота конденсации паров через стенки панели передается обогреваемому помещению. По мере прохождения по трубопроводу 1 содержание жидкости в парожидкостной смеси возрастает вплоть до полной конденсации паров рабочего тела. Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из трубопровода 1 поступает в теплообменник 5, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела или парожидкостная смесь с повышенным содержанием пара из теплообменника 5 поступают в теплоотдающий трубопровод 2, в котором осуществляется конденсация поступивших паров рабочего тела.
Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из трубопровода 2 поступает в теплообменник 6, в котором под действием теплоты, поступающей от источника тепловой энергии, сопряженного с теплообменником, вскипает, отбирая и поглощая теплоту испарения. Пары рабочего тела или парожидкостная смесь с повышенным содержанием пара из теплообменника 6 поступают в теплоотдающий трубопровод 3, в котором осуществляется конденсация поступивших паров рабочего тела. Жидкое рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплоотдающего трубопровода 3 вновь возвращается в теплообменник 10, замыкая цикл.
Работа в режиме охлаждения осуществляется следующим образом.
Насос 9 посредством четырехходового клапана (не указанного на схеме) переключают в реверсивный режим, а к теплообменникам 4-6 подключают приемник тепловой энергии.
Насос 9 подает охлажденное жидкое рабочее тело, поступающее из теплообменника 4 через теплообменник 10 в тепловоспринимающий трубопровод 3, в котором рабочее тело испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели. Теплообменник 10 в данный период может быть как подключен к приемнику тепловой энергии, так и отключен от него.
По мере прохождения по трубопроводу 3 содержание пара в парожидкостной смеси возрастает вплоть до полного испарения жидкого рабочего тела. Пар или парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости из трубопровода 3 поступает в теплообменник 6, в котором пар конденсируется, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Полностью сконденсированное рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплообменника 6 поступает в тепловоспринимающий трубопровод 2, в котором испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели.
Пар или парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости из трубопровода 2 поступает в теплообменник 5, в котором пар конденсируется, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Полностью сконденсированное рабочее тело или парожидкостная смесь с повышенным содержанием жидкости из теплообменника 5 поступает в тепловоспринимающий трубопровод 1, в котором испаряется, отбирая теплоту испарения от окружающей среды, контактирующей с тепловоспринимающей поверхностью панели.
Пар или парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости из трубопровода 1 поступает в теплообменник 4, в котором пар конденсируется, передавая теплоту конденсации приемнику тепловой энергии. Полностью сконденсированное и охлажденное рабочее тело из теплообменника 4 поступает во всасывающий патрубок насоса 9, который вновь подает рабочее тело через теплообменник 10 в тепловоспринимающий трубопровод 3, замыкая цикл.