УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА С ТЕРМОСТАТОМ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR HEATER FURNISHED WITH TEMPERATURE CONTROL DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к одно- и двухтрубным системам отопления с термостатами, а также к энергосберегающим автоматическим системам отопления зданий различной этажности, включая многоэтажные.
Известны системы отопления в зданиях [1] (П.Г.Крутиков. Современные инженерные системы зданий // АВОК №5, 2000), в которых использованы радиаторные термостаты. Недостатком известных систем является малая практическая доля в энергосбережении, основная часть которого обеспечивается автоматикой теплового пункта.
Эффективность использования тепла в различных одно- и двухтрубных системах отопления с использованием радиаторных (комнатных) термостатов зависит от величины остаточной теплоотдачи в системе отопления [2] (Энергосберегающие системы теплоснабжения зданий на основе современных технологий и материалов. Альбом. Ред. С.А.Чистович. С-П. 2003. с.8-9, с.135 п.8-11), в которой значительное количество тепла при перегреве сбрасывается в атмосферу через форточки.
При закрытом клапане термостата в нижней части секции отопительного прибора образуеся более холодный слой, который затем уносится в систему через отводящую трубу, и жидкость с большей температурой из отводящей трубы замещает охлажденный объем и доставляет с собой излишнее количества тепла в отопительный прибор.
Для уменьшения остаточной теплоотдачи используются схемные решения, в которых меняется расположение радиаторного термостата до входа в отопительный прибор или после него. Применяются также специальные колена, двойные изгибы трубопровода, наклонные участки трубопровода, косые каналы в специальных вставках в трубопровод и др.
Недостатками известных схемных решений и конструктивных устройств являются ограничения регулирования температуры, а также пассивный способ создания препятствия при малых скоростях движения жидкости, что соответствует малым коэффициентам затекания в отопительный прибор. Кроме того, от подводящей магистрали системы труба к отопительному прибору отходит, как правило, под прямым углом, что значительно повышает гидравлическое сопротивление и требует дополнительной мощности при подаче теплоносителя в систему многоэтажного дома.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство в системе с отопительными приборами [3] (Ю.А.Коростелев и др. К расчету горизонтальных однотрубных систем отопления // АВОК №6, 2006). Отопительные приборы присоединяются к однотрубной системе отопления с помощью осевых и смещенных байпасов (замыкающих каналов) с резкими поворотами и большим гидравлическим сопротивлением. Отводящая труба отопительного прибора при осевом подключении находится в сфере влияния течения по байпасу (узел А, с.36). Однако боковое расположение входа отводящей трубы деформирует поле скоростей, что при инверсии течения по байпасу значительно снижает эффект пониженного давления на срезе присоединения отводящей трубы. Отсутствие приемной камеры и камеры смешения для последующего выравнивания эпюры скоростей и восстановления давления повышает гидравлическое сопротивление всего узла и уменьшает коэффициент затекания в отопительный прибор.
Конструктивный монтаж такого подключения требует сварочных работ по месту присоединения отопительного прибора. Отсутствие точного месторасположения присоединения отопительного прибора к системе отопления на стадии проектирования отдельных узлов системы не позволяет заготавливать отдельные детали впрок, т.к. узлы не типовые.
Проектирование горизонтальных систем отопления предполагает тщательную увязку гидравлических потерь в ветвях и циркуляционных кольцах по этажам при наличии различного этажного давления, что приводит к неоднозначным данным по коэффициенту затекания при проектировании системы и последующей ее эксплуатации. Для устранения отмеченных недостатков, уменьшения остаточной теплоотдачи и увеличения энергосберегающей функции системы отопления предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, содержащее подключенный входом к подающей трубе приточный тройник, приточный вход ответвления которого расположен внутри корпуса тройника, у которого приточный вход ответвления приточного тройника расположен соосно с подающей трубой и имеет сечение, составляющее 75…100% от сечения подающей трубы.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором выход приточного тройника соединен с подающей трубой отопительного прибора, ответвление соединено с байпасом, связывающим подающую и отводящую трубы.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором выход приточного тройника соединен с байпасом, связывающим подающую и отводящую трубы, ответвление соединено с отопительным прибором.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором приточные входы ответвлений приточного тройника расположены в одном объеме корпуса.
Также для увеличения энергосбережения предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, содержащее подключенный выходом к отводящей трубе вытяжной тройник, вытяжной выход ответвления которого расположен внутри корпуса тройника, в котором вытяжной выход ответвления вытяжного тройника расположен соосно с отводящей трубой и имеет сечение, составляющее 75…100% от сечения отводящей трубы.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором вход вытяжного тройника соединен с отводящей трубой отопительного прибора, ответвление соединено с байпасом, связывающим подающую и отводящую трубы.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором вход вытяжного тройника соединен с байпасом, связывающим подающую и отводящую трубы, ответвление соединено с отопительным прибором.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором вытяжные выходы ответвлений вытяжного тройника расположены в одном объеме корпуса.
Кроме того, предлагается устройство для отопительного прибора с термостатом, в котором приточное и вытяжное ответвления выполнены плавными.
Различные компоновочные варианты устройства предназначены для одно- и двухтрубных вертикальных и горизонтальных систем с одно- и двухсторонним присоединением отопительных приборов. Они могут быть созданы также путем размещения в различных точках системы приточного и вытяжного тройников, в которых используется кинетическая энергия потока теплоносителя.
Тройники выполнены гидродинамическими, т.е. с плавными переходами сечений и поворотами, с целью минимизации гидравлических потерь в системе и искажения эпюры скоростей. Как в части подвода и отвода теплоносителя к отопительному прибору, так и при передаче энергии теплоносителя через байпас в однотрубной системе с одно- и двухстороннем присоединении отопительных приборов к системе.
Подвод теплоносителя к отопительному прибору с термостатом основан на использовании в приточном тройнике кинетической энергии скоростного напора потока теплоносителя, сформированного в плавном ответвлении. Соосное расположение приточного входа, его сечение менее (75…100%) или одинаковое с подводящей трубой и плавный поворот ответвления позволяет извлечь из эпюры скоростей ламинарного и турбулентного потока ее максимальную величину амплитуды и сохранить скоростной напор с минимальными гидравлическими потерями для подачи его в отопительный прибор, увеличивая коэффициент его затекания.
Работа предложенных устройств для системы отопления здания в части отвода теплоносителя, прошедшего через отопительные приборы, основана на эффекте эжекции (подсасывания, увлечения) потока теплоносителя из отводящей трубы отопительного прибора в вытяжном тройнике. Отводящий поток горячей воды системы отопления имеет достаточную кинетическую энергию для формирования процесса эжектирования в одно- и двухтрубной системе отопления как с вертикальными стояками, так и с горизонтальной разводкой.
В традиционной однотрубной или двухтрубной схеме основная доля остаточной теплоотдачи возникает из-за подмеса горячего теплоносителя через отводящую трубу в объем радиатора при закрытом клапане термостата.
Вытяжной гидродинамический тройник служит гидродинамическим затвором и производит пониженное давление в отводящей трубе отопительного прибора. В условиях теплового баланса закрытый клапан термостата, расположенный после приточного тройника, и вытяжной гидродинамический тройник - они вместе позволяют временно выключить отопительный прибор из системы отопления всего здания. Отопительный прибор в это время отдает тепло в помещение без подмеса горячей воды в его объем, термостат набирает сигнал рассогласования между фактической и заданной температурой воздуха в измеряемой точке помещения для последующего открытия клапана. Поскольку происходит постоянный отток (отсасывание) теплоносителя из объема радиатора в его объеме возникает пониженное давление. В динамике потока в вытяжном тройнике образуется гидродинамический затвор, который препятствует проникновению горячей воды через отводящую трубу в объем отопительного прибора. Плавный поворот ответвления вытяжного тройника, его выходное сечение менее (75…100%) или одинаковое с отводящей трубой и соосное расположение вытяжного выхода позволяет активному скоростному потоку байпаса принудительно извлекать (эжектировать) дополнительный расход через отопительный прибор, увеличивая перепад давления между подающей и отводящей трубами отопительного прибора.
Поток, прошедший через отопительный прибор, имеет меньший потенциал статического давления по сравнению с потенциалом потока в байпасе. Применяя правила построения традиционного эжектора - приемное сопло, камера смешения, наличие диффузора для восстановления давления, сохраняются энергетические характеристики потока после вытяжного тройника, отсутствует поступление теплоносителя с более высокой температурой в отопительный прибор и достигаются минимальные гидравлические потери. Свойство эжекции используется для увеличения коэффициента затекания в отопительный прибор и одновременно для уменьшения остаточной теплоотдачи, позволяя долю последней повысить.
В результате отключения отопительного прибора с помощью двух затворов, действующих по обе стороны отопительного прибора, отсутствует подмес горячего теплоносителя, получаем уменьшение остаточной теплоотдачи и экономию тепла, ранее сбрасываемого через открытое окно (форточку) за пределы отапливаемого помещения, например в наружную атмосферу.
Применяя предложенное устройство в различных схемах системы отопления, можно построить однотрубную систему отопления со смещенным и осевым (несмещенным) байпасом и применить приточный и вытяжной тройники для энергосбережения и уменьшения остаточной теплоотдачи.
Суммарный эффект приточного и вытяжного тройника, выражающийся в одновременном действии уменьшения гидравлического сопротивления при плавной подаче теплоносителя в отопительный прибор, использовании наиболее активной части в скоростной эпюре потока и увеличении перепада давления при эжектировании теплоносителя из отопительного прибора с недопущением теплоносителя со стороны отводящей трубы в отопительный прибор позволит значительно повысить коэффициент затекания, уменьшить постоянную времени в переходном процессе «нагрев-охлаждение» отопительного прибора и повысить энергосберегающую функцию системы отопления с предлагаемым устройством.
На приведенных фигурах показаны примеры встраивания устройства в различные по типу системы отопления с односторонним и двухсторонним присоединением отопительных приборов.
На фиг.1а представлена схема однотрубной вертикальной системы отопления с односторонним присоединением отопительных приборов со смещенным байпасом. На фиг.1б представлена схема приточного тройника, в котором плавное ответвление служит элементом байпаса. На фиг.1в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавное ответвление также служит элементом байпаса.
Направление выступа с буквенным обозначением, например А, на фиг.1б и далее на других фигурах совпадает с направлением течения теплоносителя.
На фиг.2 представлена схема однотрубной вертикальной системы отопления с двухсторонним присоединением отопительных приборов со смещенным байпасом.
На фиг.3а представлена схема однотрубной вертикальной системы отопления с односторонним присоединением отопительных приборов с осевым байпасом. На фиг.3б представлена схема приточного и вытяжного тройников, в котором плавные ответвление подключены к отопительному прибору. На фиг.3в представлена схема приточного и вытяжного тройников, в которых плавные ответвления объединены в одном корпусе осевого байпаса.
На фиг.4а представлена схема однотрубной вертикальной системы отопления с двухсторонним присоединением отопительных приборов с осевым байпасом. На фиг.4б представлена схема приточного и вытяжного тройников, в которых плавные ответвления объединены в одном корпусе осевого байпаса.
На фиг.5а представлена схема однотрубной горизонтальной системы отопления с присоединением отопительных приборов со смещенным байпасом. На фиг.5б представлена схема приточного тройника, в котором плавное ответвление служит элементом байпаса. На фиг.5в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавное ответвление также служит элементом байпаса.
На фиг.6а представлена схема однотрубной горизонтальной системы отопления с присоединением отопительных приборов с осевым байпасом. На фиг.6б представлена схема приточного тройника, в котором плавное ответвление соединено с подающей трубой отопительного прибора. На фиг.6в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавное ответвление соединено с отводящей трубой отопительного прибора.
На фиг.7а представлена схема двухтрубной вертикальной системы отопления с односторонним присоединением отопительных приборов. На фиг.7б представлена схема приточного тройника, в котором плавное ответвление соединено с подающей трубой отопительного прибора. На фиг.7в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавное ответвление соединено с отводящей трубой отопительного прибора.
На фиг.8а представлена схема двухтрубной вертикальной системы отопления с двухсторонним присоединением отопительных приборов. На фиг.8б представлена схема приточного тройника, в котором плавные ответвления расположены в одном корпусе и соединены с подающими трубами отопительных приборов. На фиг.8в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавные ответвления расположены в одном корпусе и соединены с отводящими трубами отопительного прибора.
На фиг.9а представлена схема двухтрубной горизонтальной системы отопления. На фиг.9б представлена схема приточного тройника, в котором плавное ответвление соединено с подающей трубой отопительного прибора. На фиг.9в представлена схема вытяжного тройника, в котором плавное ответвление соединено с отводящей трубой отопительного прибора.
На фигурах приведены следующие обозначения: 1 - отопительный прибор (радиатор, конвектор и др.); 2 - термостат (комплект термостатирующей головки и термостатического клапана); 3 - приточный тройник - узел А; 4 - подающая труба отопительного прибора; 5 - вытяжной тройник - узел Б; 6 - отводящая труба отопительного прибора; 7 - подающая труба Т1; 8 - смещенный байпас; 9 - приточное ответвление приточного тройника; 10 - приточный вход приточного ответвления; 11 - вход приточного тройника; 12 - выход приточного тройника; 13 - вытяжное ответвление вытяжного тройника; 14 - вытяжной выход вытяжного ответвления; 15 - вход вытяжного тройника; 16 - выход вытяжного тройника; 17 - осевой байпас; 18 - объединенный корпус байпаса для приточного и вытяжного ответвлений при одностороннем присоединении отопительных приборов - узел В; 19 - объединенный корпус байпаса для приточных и вытяжных ответвлений при двухстороннем присоединении отопительных приборов - узел Г; 20 - объединенный корпус для приточных ответвлений при двухстороннем присоединении отопительных приборов - узел Д; 21 - объединенный корпус для вытяжных ответвлений при двухстороннем присоединении отопительных приборов - узел Е; 22 - отводящая труба Т2.
В вертикальной одно-, двухтрубной системе отопления предлагается укомплектовать два (или более) соседних радиатора или каждый отопительный прибор устройством для отопительного прибора с термостатом, обеспечивающим повышение перепада давления на отопительном приборе, коэффициента затекания и уменьшение остаточной теплоотдачи.
Узлы А, Б, Д, Е возможно компоновать в систему отопления отдельно и независимо.
Выраженный эффект эжекции (фиг.1) обеспечивается при расширении струи, исходящей из вытяжного выхода 14 ответвления 13 вытяжного тройника 5, ее пограничным слоем, в котором находятся объемы самой струи и увлеченные из отводящей трубы 6 от отопительного прибора 1. При этом пониженное давление в отводящей трубе 6 создается потоком теплоносителя, обеспечивающего гидродинамический затвор на отводящей трубе 6. Этим достигается значительное уменьшение остаточной теплоотдачи.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства для отопительного прибора с термостатом, включенным например, в однотрубную вертикальную (фиг.1-4) и горизонтальную систему отопления (фиг.5, 6).
Примем, что температура в помещениях ниже заданной термостатами и здание насыщается тепловой энергией. Затвор клапана термостата 2 на всех этажах полностью открыт.От подающего стояка 7 теплоноситель поступает к отопительному прибору 1 и одновременно по байпасу 8 и 18 (фиг.1-3, 5) при подключении конвектора, по байпасу 17 (фиг.3, 4, 6) при подключении радиатора, по байпасу 19 (фиг.4) при двухстороннем подключении конвектора на следующие этажи здания. Теплоноситель подается к подключенному со смещенным байпасом отопительному прибору через вход-выход приточного тройника 3 (фиг.1, 2, 5, 6) или через плавное ответвление 9 приточного тройника в объединенном корпусе 18 (фиг.3) и 19 (фиг.4) с осевым подключением отопительного прибора. При этом сечение приточного входа 10 приточного ответвления 9 тройника, расположенное соосно с сечением 11 подающей трубы 7 при подключении отопительного прибора с осевым байпасом (фиг.3. 4, 6). и при подключении со смещенным байпасом (фиг.1, 2, 5). Соосное расположение входа 10 относительно сечения 11 обеспечивает прием наиболее подвижной части в потоке теплоносителя и передачу ее по плавному повороту в отопительный прибор с осевым байпасом при минимальном гидравлическом сопротивлении (фиг.3, 4, 6, для двухтрубной - 7, 8) и незакрытом клапане термостата 2. При закрытом клапане термостата 2 на пути потока теплоносителя возникает обтекаемое тело той же среды на входе 10 приточного плавного ответвления 9. Далее поток теплоносителя проходит через байпас 17, 18 (фиг.3), 19 (фиг.4) и попадает в вытяжной тройник, выполняющий несколько функций: суженное сечение повышает давление перед термостатом и, следовательно, увеличивает коэффициент затекания; эжекция при увеличенной скорости течения в сечении 14; увеличенный перепад давления на отопительном приборе.
Эжекция (отсос или частичное удаление объема теплоносителя в динамическом режиме притока и оттока), созданная гидродинамическим потоком теплоносителя, обеспечивает пониженное давление не только в отводящей трубе 6 с плавным поворотом 13 и в отопительном приборе 1. Понижение давления способствует увеличению коэффициента затекания в отопительный прибор 1, усиливая проток через него, что эквивалентно уменьшению сопротивления его гидравлического тракта. Одновременно пониженное давление в отопительном приборе при отсосе из его объема порций теплоносителя приводит в постоянному перемешиванию и выравниванию температуры по объему. Это свойство дополнительно турбулизует течение внутри отопительного прибора и увеличивает скорость теплоотдачи, что в свою очередь сокращает постоянную времени в переходном процессе «нагрев-охлаждение» и повышает энергосбережение всей системы отопления. При создании эжекции используется энергия потока теплоносителя, находящегося в общей системе отопления зданием. В рассматриваемом открытом положении клапана термостата коэффициент затекания в отопительный прибор 1 максимальный.
Если затвор клапана термостата 2 - в промежуточном положении, то изменится отношение между расходами жидкости, протекающей через клапан термостата 2 и байпас 17, 18 и 19 по сравнению с полностью открытым клапаном. При этом уменьшаются эжектирующие свойства вытяжного тройника 5, но относительный коэффициент затекания и теплоотдача от прибора отопления в помещении остается примерно постоянной.
Происходит автоматическое поддержание дополнительного перепада давления на отопительном приборе, включая термостат. Расход теплоносителя на входе 11 в приточный тройник всегда равен расходу на выходе 16 из вытяжного тройника по условию неразрывности среды. Поэтому при изменении расхода через отопительный прибор 1 по сигналу термостата 2 всегда изменяется расход по байпасу, например, 8 (фиг.1, 2, 5). В переходном процессе, например, открытия клапана термостата, когда существует сигнал рассогласования между заданной температурой и фактической температурой в помещении, в приточном тройнике поток делится на две части. Увеличенная доля расхода теплоносителя поступает в отопительный прибор относительно уменьшенной доли, протекающей по байпасу. Одновременно возникает в вытяжном тройнике все большее разряжение и перепад давления между сечениями 12 и 15 (фиг.1, 6, 7, 8, 9), способствующее увеличению коэффициента затекания и поступлению тепла в отопительный прибор.
Известно, что наибольшая часть расхода теплоносителя проходит по байпасу с большим запасом энергии.
Вытяжное ответвление вытяжного тройника имеет разное назначение в различном динамическом процессе. То через него протекает активная среда теплоносителя с большим расходом и давлением, которое эжектирует среду из окружающего его пространства (см. фиг.1в - узел Б, фиг.2 - узел Б, фиг.5в - узел Б). То активная среда протекает вокруг вытяжного ответвления и эжектирует из самого вытяжного ответвления среду, проходящую через отопительный прибор (фиг.3б - узел Б, фиг.3в - нижняя часть узла В, фиг.4а - узел Е, приведенный на фиг.8в, фиг.4б нижняя часть узла Г, фиг.6в - узел Б, фиг.7в - узел Б, фиг.8в - узел Е, фиг.9в - узел Б).
И в том и другом случае создается барьер, через который теплоноситель не имеет возможности проникать в отопительный прибор по отводящей трубе 6.
Это же свойство изменения назначения относится и к приточному тройнику. Большая часть расхода пропускается или через смещенный байпас, включающий плавные ответвления 9 и 13 (фиг.1, 2, 5), или через осевой байпас, включающий непосредственно вход 11 - выход 12 приточного тройника и вход 15 - выход 16 вытяжного тройника.
При закрытом клапане термостата 2 теплоноситель по подающей трубе 7 (Т1) направляется по байпасу 8 (фиг.1, 2, 5), 17 (фиг.3, 4, 6), 18 (фиг.3), 19 (фиг.4) на выход 16 и далее в отводящую трубу 22 (Т2). В динамике течения теплоносителя через вытяжной тройник 5 (узел Б), вытяжную часть объединенного корпуса тройника 18 (узел В), тройника 19 (узел Г), тройника 21 (узел Е), возникающее пониженное давление в плавных поворотах 13 распространяется по отводящей трубе 6 к отопительному прибору 1. При течении в потоке равновесие динамических давлений в сечении 14 и в полости прибора 1 достигается отсутствием подмеса, перетечкой горячего теплоносителя и уменьшением "остаточной" теплоотдачи. В этом режиме достигается максимальный эффект эжекции, который и требуется для уменьшения остаточной теплоотдачи при закрытом клапане. В этом режиме, устройство максимально выполняет свое функциональное назначение в уменьшении поступления излишнего тепла, приводящего к перегреву помещения.
Аналогично происходит работа приточного 3 (фиг.7, 9), 20 (фиг.8) и вытяжного 5 (фиг.7, 9), 21 (фиг.8) тройников в двухтрубной вертикальной и горизонтальной системе отопления.
Реализация системы отопления с предлагаемым устройством возможна практически без изменения конструкции центрального отопления многоэтажных домов.
Из представленных вариантов включения предлагаемого устройства в схемы отопления следует, что ответвления могут служить и байпасом и каналами для выхода и подачи теплоносителя в отопительный прибор.
Когда ответвления служат байпасом при закрытом клапане термостата, то в устройстве происходит передача с меньшими потерями энергия теплоносителя мимо отопительного прибора с закрытым термостатом дальше по отопительной системе и обеспечивает появление гидродинамического затвора на конце отводящей трубы.
Когда ответвления служат каналами для передачи теплоносителя в отопительный прибор при полуоткрытом клапане термостата, то обеспечивается повышенный коэффициент затекания и при закрытом клапане термостата появление гидродинамического затвора на конце отводящей трубы.