ТЕПЛОГЕНЕРАТОР УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ
HEAT GENERATOR OF DEVICE FOR ROOM HEATING

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения помещений жилищно-коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных отраслей, автономных полевых стоянок, кабин и салонов, транспортных и передвижных средств Наиболее близким по технической сущности является устройство для отопления помещений, содержащее корпус нагревательного элемента с теплообменной камерой, заполненной теплоносителем, нагревательный элемент имеющий три электрода по числу фаз питающего напряжения, устройство закручивания потока теплоносителя (см. патент РФ №65619 на полезную модель «Устройство для отопления помещений», МПК F24D 3/08; F24D 13/04, принятое в качестве прототипа). В устройстве прототипе нагревательный элемент закреплен через диэлектрическую вставку изолированно в одной точке к корпусу. Корпус нагревательного элемента выполнен в виде трех цилиндров, входы которых объединены первым коллектором и подключены к насосу, а выходы объединены вторым коллектором и подключены к магнитному фильтру. Каждый из цилиндров корпуса нагревательного элемента имеет электрод и устройство закручивания потока теплоносителя. Устройство закручивания потока выполнено в виде улитки с наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями. Внутренняя поверхность улитки является наружной поверхностью трубы, установленной коаксиально с электродом. Торцы трубы расположены относительно корпуса на одинаковом расстоянии равным зазору между электродом и трубой.
Недостатком устройства-прототипа является недостаточная эффективность, невозможность получения значения тепловой энергии больше электрической, т.е. коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую не может быть получен более 1.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности за счет использования внутренней энергии воды (теплоносителя).
В отличие от прототипа устройство закручивания потока дополнительно играет роль кавитатора. Оно выполнено перфорированным, один конец которого закреплен неподвижно на фланце. Фланец, в свою очередь, соединяется через уплотнение с корпусом. Другой конец кавитатора имеет зазор с частью расположенного вертикально корпуса, где закреплен электрод с диэлектрической вставкой. Кавитатор с фланцем выполнены быстросъемными.
Дополнительная внутренняя тепловая энергия учитывается обобщенным уравнением Бернулли (Законы физики. Б.Н. Иванов стр.199 Москва Высшая школа 1986 г.).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Основой устройства отопления помещений теплогенераторами (УОПТ) является однофазный теплогенератор. Он показан на фиг.1,
где 1 - корпус;
2 - теплообменная камера;
3 - нагревательный элемент электродного типа;
4 - диэлектрическая вставка;
5 - кавитатор (устройство закручивания потока);
6 - фланец;
7 - уплотнение (прокладка).
На фиг.2 - общий вид УОПТ.
УОПТ содержит:
8 - теплогенератор;
9 - шасси;
10 - накопительный бак;
11 - выходной коллектор;
12 - рама;
13 - циркуляционный насос (2 шт.);
14 - расширительный бак;
15 - входной коллектор;
16 - термометр;
17 - фильтр;
18 - блок управления режимом нагрева;
19 - датчик температуры;
20 - обратный клапан.
На фиг.3 показан график работы каждого теплогенератора в отдельности. Теплоносителем является вода иди антифриз. На фиг.4 показаны графики изменения удельной проводимости этой воды от температуры. Естественно, работа теплогенератора устройства для отопления помещений требует водоподготовку с целью обеспечения необходимой удельной электропроводности (Фиг.4), достигаемую с помощью различных добавок к водопроводной (колодезной) воде. На фиг.5 показан график определения макс.производительности бойлера косвенного нагревания 120 л (USB120) в проточном режиме при потребляемой УОПТ мощности 8,6 кW. На фиг.6. показан график изменения температуры теплоносителя (воды) на входе и выходе УОПТ при нагревании емкости 280 л. На фиг.7 показана схема, поясняющая работу УОПТ.
УОПТ работает следующим образом. Обратная вода из магистрали поступает через обратный клапан к теплогенераторам через коллектор 15 и фильтр 17. Насосы 13 обеспечивают необходимое кавитационное течение через теплогенераторы.
Кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром - числом кавитации:(Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.)
<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
, где
Р - гидростатическое давление набегающего потока, Па;
Ps - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
3
ρ - плотность среды, кг/м;
V - скорость потока на входе в систему, м/с.
Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V=Vs, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации Х=1.
В зависимости от величины Х можно различать четыре вида потоков:
- докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Х>1,
- кавитационный - (двухфазный) поток при Х~1,
- пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Х<1,
- суперкавитационный - при Х<<1.
Для нашей установки значение числа кавитации составляет Х=1,2, т.е. мы имеем докавитационный (однофазный) поток. Кавитация возникает при подаче электрического разряда. Установка работает при разряде электродов в течении приблизительно одной минуты.
При этом кавитационные явления сопровождаются падением силы тока из-за увеличения сопротивления, пузырьки обволакивают поверхность электрода вытесняя жидкую среду. Таким образом среда становится двухфазной и упругой. В результате этого в системе может быть достигнут резонанс, который легко определяется как по звуковому эффекту, так и колебаниям давления. Теплоноситель в один полупериод колебаний сжимается, а в другой - растягивается.
Необходимо отметить, что говорить о режиме автоколебаний давления (наивысшая эффективность) можно лишь при совместном рассмотрении УОПТ с внешней системой отопления.
Температура нагревания корпуса каждого из теплогенераторов может достигать более 130°С.
Можно отметить инерционность системы: после отключения подачи тока к электродам температура теплоносителя продолжает расти. По мере того как температура теплоносителя приближается к нижнему заданному пороговому значению происходит включение электропитания электрода теплогенератора для следующего цикла нагрева. В соответствии с данным алгоритмом работа установки наиболее экономически целесообразна при оптимальных интервалах подачи тока.
Определение оптимального режима работы УОПТ было произведено на основе следующего эксперимента. Радиаторы и трубы системы отопления были заменены эквивалентной емкостью 280 л. Температура измерялась спиртовыми термометрами на выходе и входе установки, т.е. температура прямой и обратной воды. Данную эквивалентную емкость можно сравнить с отопительной системой помещений здания в целом. Определенный период времени работа УОПТ была направлена на прогрев ограждающих конструкций (стен), что сопровождалось основным расходом электроэнергии, т.к. теплогенераторы работают без отключений. Затем работа установки направлена на достижение заданной температуры. УОПТ начинает работать с отключениями питания электродов, при постоянной работе насосов («прокачке» теплоносителя). Затем УОПТ работает в режиме поддержания температуры. Разность температур прямой и обратной воды составляет 10°C. Этот режим является наиболее эффективным, он и предлагается в ТУ на УОПТ. Теплогенераторы работают в режиме кавитации 40-50 сек, после чего автоматика при температуре 80°С отключает питание. Процесс нагревания некоторое время продолжается, после чего происходит снижение температуры прямой воды до 70°C. Процесс снижения температуры происходит в течение 4-6 мин, после чего автоматика включает питание.
Вся работа УОПТ контролируется системой автоматики. Блок автоматики предназначен для управления тепловой установкой как в ручном, так и в автоматическом режиме. Основные элементы блока отвечают требованиям к системе управления и контроля работы установки.
Блок управления представляет собой электронное микропроцессорное устройство для определения правильности работы аппаратуры. В случае неисправности или снижения температуры ниже заданной устройство связывается с оператором (владельцем УОПТ, сервис службой, постом постоянного дежурства) через GSM канал и передает сообщение о произошедшем событии. Немаловажной функцией автоматики является защита от перепадов входного напряжения используемой энергосети.
Для регулирования температуры теплоносителя в заданных пределах и определения его текущей температуры служат терморегуляторы с плавной ручной регулировкой и цифровой индикацией текущей температуры.
Еще раз подчеркнем, что получение необходимого теплового потока обеспечивается за счет регулирования длительности включения и отключения питания при установке заданной температуры теплоносителя, что непосредственно обеспечивается при работе в ручном и автоматическом режиме.
При эксплуатации было подтверждено, что для получения требуемого количества тепловой энергии, затраченная электрическая (разряд в теплогенераторе и питание двигателей насосов) в 1,8-2 раза меньше. Конечно ни в коем случае не следует утверждать, что КПД установки равняется 180-200%, ибо происходит срабатывание воды, расходование электролита, и кроме того, электроэрозия элементов конструкции каждого из теплогенераторов. Эффективность УОПТ подтверждают графики фиг.5.
Так в паспорте на бойлер косвенного нагрева USB 120 для получения в проточном режиме воды 45°С расходуется мощность 20 кВт. В нашем случае расход мощности составил 8,6 кВт, т.е.эффективность работы УОПТ составила величину более чем в 2 раза.
2
Говоря об УОПТ следует четко проводить границу между помещениями с различным объемом и различными потерями тепла, а также учитывать гидравлическое сопротивления всей магистрали по которой переносится тепловая энергия, т.е. учитывать параметры внешней системы отопления. Натурные испытания УОПТ проводимые с 01.04.2009 г. по 01.05.2010 г. на двух объектах Ленинградской области показали ее высокую эффективность. Производилось отапливание и снабжение горячей водой двух домов общей площадью 280 м при средней высоте потолков 2,7 м. Дома стояли на расстоянии 15 м друг от друга. Схема подключения показана на фиг.8. В самое холодное время, когда температура наружного воздуха составила -28°С (январь-февраль м-ц), затраты электроэнергии в денежном выражении с учетом затрат электроэнергии общего пользования (свет, эл.плитка, телевизор и др.) составили - 2250 руб. в м-ц (при тарифе 2 руб. за кВт·час).
2
2
Наличие 3-х теплогенераторов, с возможностью регулирования времени подачи электрических разрядов, позволило использовать УОПТ для отопления дома, эквивалентной площадью 900 м (высота потолков 4,5 м). Натурные испытания в межсезонье сентябрь - декабрь 2009 г. показали, что потребляемая электроэнергия при этом составила от 9 до 15 кВт·час. Система отопления здания была выполнена в 1962 году и работает с чугунными радиаторами при количестве теплоносителя (воды) приблизительно 600 л. Наиболее эффективно УОПТ работает при отоплении помещений от 30 до 100 м, в этом случае можно использовать один теплогенератор.