НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано в различных отраслях промышленности и быту, везде, где требуется нагрев каких-либо устройств, участков пространства или площадей.
Известно нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре сетевой насос и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции (авторское свидетельство СССР N 1019180, 1983).
Данное устройство не обеспечивает удовлетворительную экономию топлива или иного теплонесущего агента в генераторе тепловой энергии во всех случаях.
Была поставлена задача создания такого нагревательного устройства, которое обеспечило бы повышенную экономию топлива или иного теплонесущего агента в генераторе тепловой энергии в большинстве применяемых на практике случаев.
Данная задача была решена настоящим изобретением.
В нагревательном устройстве, содержащем генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре сетевой насос и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, согласно изобретению трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку.
В одном из вариантов выполнения изобретения в качестве сетевого насоса устройство содержит насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости.
При этом нагревательное устройство может содержать по крайней мере два трубопровода рециркуляции, установленные с возможностью перекачки жидкости в противоположных по отношению друг к другу направлениях.
Элемент трубопровода рециркуляции может содержать 2-7 кольцевых канавок.
Нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия для прохождения жидкости.
В этом варианте выполнения нагревательное устройство в качестве сетевого насоса может содержать насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости, а система передачи тепла потребителю при этом содержит хотя бы один насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
Система передачи тепла также может содержать хотя бы две параллельно расположенные линии обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
В этих вариантах выполнения нагревательное устройство может содержать управляющий блок, связанный с хотя бы одним элементом, выбранным из группы, включающей элемент трубопровода рециркуляции с регулируемым отверстием, насосы с управляемым расходом перекачиваемой жидкости и устройство для регулирования генерации тепла в генераторе тепловой энергии.
В другом варианте выполнения нагревательное устройство в качестве сетевого насоса может содержать насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
В этом варианте выполнения нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия для прохождения жидкости.
В этом варианте выполнения система передачи тепла потребителю может содержать хотя бы один насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
При этом система передачи тепла может содержать хотя бы две параллельно расположенные линии обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
В данном варианте выполнения нагревательное устройство может содержать управляющий блок, связанный с хотя бы одним элементом, выбранным из группы, включающей элемент трубопровода рециркуляции с регулируемым отверстием, насосы с управляемым расходом перекачиваемой жидкости и устройство для регулирования генерации тепла в генераторе тепловой энергии.
Нагревательное устройство может содержать установленный параллельно трубопроводу рециркуляции смесевой теплообменник, содержащий два входа и два выхода, при этом входы расположены с нижнего торца теплообменника, а выходы с верхнего торца, при этом один из входов и один из выходов связаны с подающим трубопроводом, а другие вход и выход с обратным трубопроводом, указанные входы и выходы расположены по касательной к внутренней поверхности теплообменника.
При таком варианте выполнения смесевой теплообменник предпочтительно выполнен цилиндрическим.
Элемент трубопровода рециркуляции, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, при прохождении через него рециркулируемой жидкости, как было показано при испытаниях, приводит к выделению тепла, например, за счет создания специфических вихревых потоков жидкости, фазовых структурных переходов и других возможных факторов. При этом, как было показано, именно такое выполнение элемента трубопровода рециркуляции является оптимальным с точки зрения наиболее экономичного перераспределения тепловых потоков в контуре. Это в конечном счете приводит к повышению экономии топлива или иного теплонесущего вещества.
Кроме того, за счет уменьшения сопротивления потоку жидкости в генераторе тепловой энергии (например, паровом котле, где применяются узкие трубки, создающие большое сопротивление потоку жидкости) за счет протекания части жидкости в обход генератора тепловой энергии уменьшаются затраты электроэнергии, потребляемой сетевым насосом для перекачки жидкости или иного теплоносителя в контуре.
В качестве сетевого насоса целесообразно применять насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости, например обычный центробежный насос. Это связано с тем, что применение насоса с управляемым расходом перекачиваемой жидкости требует относительно дорогих управляющих электронных устройств.
Однако при наличии возможности можно использовать и насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
Если система передачи тепла содержит по крайней мере два трубопровода рециркуляции с возможным переносом жидкости в противоположном направлении, это приводит к снижению сопротивления потоку на участке расположения системы передачи тепла потребителю и к дальнейшей оптимизации расхода энергии.
Вышеупомянутый элемент трубопровода рециркуляции работает наиболее эффективно, если данный элемент содержит 2-7 кольцевых канавок.
Для дальнейшей оптимизации перераспределения тепловых потоков нагревательное устройство выполняют с возможностью регулирования диаметра отверстия для похождения жидкости, например отверстия, находящегося в вышеупомянутом элементе трубопровода рециркуляции. Регулирование можно проводить известными средствами, например с помощью раздвигаемой диафрагмы.
Если в этом варианте выполнения нагревательное устройство содержит в качестве сетевого насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости, то система передачи тепла потребителю при этом может содержать хотя бы один насос с управляемым расходом жидкости. Это позволяет регулировать передачу тепла потребителю и, следовательно, приводит к экономии топлива (тепловыделяющего агента).
В этих вариантах выполнения нагревательное устройство может содержать управляющий блок, связанный с хотя бы одним из элементов, выбранных из группы, включающей элемент трубопровода рециркуляции с регулируемым отверстием, насосы с управляемым расходом и устройство для регулирования генерации тепла в генераторе тепловой энергии. Это позволяет обеспечить автоматическую регулировку параметров нагревательного устройства и параметров теплообмена для достижения наибольшей экономии топлива или иного тепловыделяющего агента, в том числе регулировки для компенсации изменений, связанных с суточным изменением температуры.
Дополнительная оптимизация расхода топлива и перенаправления потоков тепла происходит при работе варианта выполнения устройства, в котором параллельно трубопроводу рециркуляции установлен смесевой теплообменник, содержащий два входа и два выхода, при этом входы расположены с нижнего торца теплообменника, а выходы с верхнего торца, при этом один из входов и один из выходов связаны с подающим трубопроводом, а другие вход и выход с обратным трубопроводом, указанные входы и выходы расположены по касательной к внутренней поверхности теплообменника. В таком варианте выполнения "очень горячая" жидкость из подающего трубопровода смешивается с холодной жидкостью из обратного трубопровода, после теплообмена в контур подается оптимально нагретая вода, а в генератор тепловой энергии - более теплая, что позволяет экономить на расходе топлива.
Важным для достижения поставленной задачи является способ эксплуатации вышеописанного нагревательного устройства. Известны устройства аналогичного назначения (например, патент России №2096695, 1997), предназначенные для работы в кавитационном режиме прокачивания жидкости. Однако, как было показано, этот режим не является оптимальным для решения задачи экономии потребляемого топлива. Кроме того, как известно ("Кавитационные трубы", А.С. Горшков и А.А. Русецкий, изд-во "Судостроение", Л., 1972, стр. 5-23) (1), работающие в режиме кавитации устройства являются шумными, имеют относительно высокий уровень вибрации, быстро разрушаются. Поэтому в предлагаемом способе эксплуатации нагревательного устройства, включающим перекачку теплоносителя в контуре, данную перекачку производят под давлением, исключающем появление кавитации в потоке теплоносителя. Параметры потока подбираются по рекомендациям, описанным в (1).
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На Фиг. 1 изображена общая схема нагревательного устройства.
На Фиг. 2 показан элемент трубопровода рециркуляции в разрезе.
На Фиг. 3 изображено нагревательное устройство в варианте выполнения с двумя трубопроводами рециркуляции.
На Фиг. 4 изображен вариант выполнения нагревательного устройства, содержащего пять параллельно расположенных линий обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, а также управляющий блок.
На Фиг. 5 показан вариант выполнения нагревательного устройства, содержащего в качестве сетевого насоса насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.
На Фиг. 6 показан вариант выполнения нагревательного устройства со смесевым теплообменником.
На Фиг. 7 показаны сечения А-А и В-В фиг. 6.
Нагревательное устройство содержит генератор тепловой энергии - паровой котел 1, подающий 2 и обратный 3 трубопроводы, сетевой насос 4, радиатор 5 для передачи тепла в нагреваемое помещение. Позицией 6 обозначен трубопровод рециркуляции с элементом 7, содержащим конфузор 8, диффузор 9 и выполненные между конфузором 8 и диффузором 9 кольцевые канавки 10 и 11. Параллельно расположенные линии обогрева 12 (Фиг. 4) содержат насосы 13 с управляемым расходом перекачиваемой жидкости. Устройство содержит управляющий блок 14, связанный электрически с паровым котлом 1, регулируемым отверстием в элементе трубопровода 7 и каждым из насосов 13.
Устройство работает следующим образом.
При включении насоса 4 он начинает перекачивать жидкость по замкнутому контуру. Жидкость поступает в паровой котел 1 и нагревается до заданной температуры, после чего через подающий трубопровод 2 поступает в радиатор 5, через который отдает тепло потребителю, и затем возвращается по обратному трубопроводу 3 к насосу 4. При этом часть жидкости поступает не в паровой котел 1, а через трубопровод рециркуляции 6 и его элемент 7 поступает в подающий трубопровод 2, где смешивается с горячей водой, поступающей из котла 1. При этом при прохождении элемента 7 жидкость частично разогревается, в том числе в результате скорости вихревых потоков и фазовых структурных переходов. При наличии в нагревательном устройстве управляющего блока 14, который получает сигналы от датчиков температуры, расположенных в отапливаемом помещении, при отклонении температуры от заданной вырабатывает соответствующие сигналы, подаваемые на управляемый регулятор подачи топлива в котле 1, регулируемую диафрагму в элементе 7 и на насосы 13 и 4.
В варианте со смесевым теплообменником 15 нагретая жидкость поступает на вход 16 теплообменника, где за счет расположения оси входа по касательной к внутренней поверхности теплообменника жидкость вступает во вращательное движение и смешивается с охлажденной жидкостью, поступающей на вход 17. Оба потока жидкости, находясь во вращательном движении, смешиваются и перемещаются (вверх) к выходам 18 и 19, связанным соответственно с подающим и обратным трубопроводами.