УСТРОЙСТВО ПАНЕЛЬНО-ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ
RADIANT PANEL HEATING DEVICE

Изобретение относится к области отопительной техники, в частности к системам лучистого отопления, и может быть использовано для поддержания температурного режима в жилых и производственных помещениях в зимний период.
Известны устройства лучистого отопления 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 вода. Нагрев подаваемой в панели воды осуществляют при помощи теплогенератора. Проходящая по трубам панелей нагретая (охлажденная) вода, за счет теплового контакта между трубами и теплоотдающей поверхностью панелей, передает содержащуюся в ней теплоту жилым или производственным помещениям. При этом вода охлаждается, изменяя свою температуру. Благодаря обширной теплоотдающей 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 помещений низкопотенциальные источники тепла.
(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).
Недостатками прототипа являются значительная масса теплоносителя в системе и существенный перепад температур в разных участках греющих 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 панелей.
Для решения поставленной технической задачи греющая панель устройства панельно-лучистого отопления содержит замкнутый циркуляционный контур, заполненный рабочим телом в виде жидкости и ее паров, в котором имеются:
- конденсационный участок, имеющий хороший тепловой контакт с теплоотдающей поверхностью греющей панели;
- сообщающийся с ним испарительный участок, имеющий хороший тепловой контакт с нагревающим устройством теплогенератора; тепловой контакт может осуществляться как путем контакта внешней поверхности испарительного участка циркуляционного контура с поверхностью нагревающего устройства, так и путем контакта внешней поверхности испарительного участка с рабочим телом теплогенератора;
- сообщающийся с испарительным и конденсационным участками накопительно-вытеснительный участок, имеющий хороший тепловой контакт с устройством периодического нагрева накопительно-вытеснительного участка до температуры, превышающей температуру остальных участков циркуляционного контура, и периодического охлаждения накопительно-вытеснительного участка до температуры, не превышающей температуру остальных участков циркуляционного контура;
- расположенное между накопительно-вытеснительным и конденсационным участками устройство, допускающее перемещение рабочего тела из конденсационного участка в накопительно-вытеснительный участок и препятствующее, полностью или частично, перемещению рабочего тела из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок;
- расположенное между накопительно-вытеснительным и испарительным участками устройство, допускающее перемещение рабочего тела из накопительно-вытеснительного участка в испарительный участок и препятствующее, полностью или частично, перемещению рабочего тела из испарительного участка в накопительно-вытеснительный участок.
Сообщение участков циркуляционного контура друг с другом может осуществляться как непосредственно, так и посредством соединительных трубопроводов.
Контакт конденсационного участка циркуляционного контура с теплоотдающей поверхностью греющей панели предпочтительно выполнен неразъемным.
Контакт испарительного участка циркуляционного контура с нагревающим устройством теплогенератора предпочтительно выполнен разъемным.
Контакт накопительно-вытеснительного участка циркуляционного контура с устройством периодического нагрева и охлаждения предпочтительно выполнен разъемным.
В качестве рабочего тела предпочтительно применен хладагент.
В качестве устройств, полностью препятствующих перемещению рабочего тела из испарительного участка в накопительно-вытеснительный участок и из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок, может быть применен регулирующий или обратный клапан, а, в качестве устройств, частично препятствующих перемещению рабочего тела из испарительного участка в накопительно-вытеснительный участок и из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок, может быть применен узкий участок трубопровода или капиллярно-пористая перегородка.
Испарительный участок предпочтительно имеет хороший тепловой контакт с теплоотдающей поверхностью греющей панели. Контакт испарительного участка циркуляционного контура с теплоотдающей поверхностью греющей панели предпочтительно выполнен неразъемным.
Испарительный, конденсационный и накопительно-вытеснительный участки циркуляционного контура предпочтительно выполнены в виде трубопроводов, форма и размеры сечения которых обеспечивают возможность перемещения парожидкостной смеси по ним в режиме, при котором порции жидкости перемещаются по трубопроводу вместе с паровыми пробками без образования застойных зон жидкости. Осуществление этого режима обеспечивается округлым сечением и малым внутренним диаметром трубопроводов в зонах, в которых осуществляется перемещение парожидкостной смеси против сил тяжести.
Конденсационный участок предпочтительно имеет накопительный сосуд, расположенный между участком и устройством, полностью или частично препятствующим возвращению рабочего тела из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок.
Циркуляционный контур может содержать буферный сосуд, расположенный между накопительно-вытеснительным и испарительным участками; между накопительно-вытеснительным участком и буферным сосудом располагают обратный клапан, препятствующий возврату рабочего тела из сосуда в накопительно-вытеснительный участок, а между нижней частью буферного сосуда и испарительным участком располагают регулирующий дроссельный клапан, посредством которого в буферном сосуде поддерживают давление, превышающее давление в испарительном участке, а также регулируют скорость подачи жидкого рабочего тела из сосуда в испарительный участок. Для поддержания повышенного давления в буферном сосуде сосуд теплоизолируют и подогревают при помощи нагревателя до температуры выше, чем температура в испарительном участке циркуляционного контура.
Испарительный участок предпочтительно снабжен сепаратором, который пропускает парообразное рабочее тело в конденсационный участок, а жидкое рабочее тело возвращает обратно в испарительный участок.
Циркуляционный контур предпочтительно содержит несколько накопительно-вытеснительных участков, сообщающихся с испарительным и конденсационным участками через устройства, допускающие перемещение рабочего тела из конденсационного участка в накопительно-вытеснительный участок и из накопительно-вытеснительного участка в испарительный участок, и препятствующие, полностью или частично, перемещению рабочего тела из испарительного участка в накопительно-вытеснительный участок и из накопительно-вытеснительного участка в конденсационный участок.
Теплоотдающая поверхность греющей панели предпочтительно изготовлена из материала с высокой теплопроводящей способностью.
В качестве устройства периодического нагрева и охлаждения накопительно-вытеснительного участка предпочтительно применен термоэлектрический модуль, одна сторона которого имеет хороший тепловой контакт с накопительно-вытеснительным участком, а оборотная сторона предпочтительно имеет хороший тепловой контакт с другим участком циркуляционного контура.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Устройство панельно-лучистого отопления позволит эффективно передавать теплоту от нагревающего устройства теплогенератора к теплоотдающей поверхности панели независимо от их взаиморасположения в поле силы тяжести, без применения насосов или компрессоров. Устройство позволит поддерживать температуру всех зон панели, контактирующих с испарительным и конденсационным участками циркуляционного контура, на одном и том же уровне, независимо от длины участков. Устройство позволит легко отсоединять греющую панель от нагревающего устройства теплогенератора и вновь присоединять ее, без нарушения работоспособности теплопередающего циркуляционного контура панели.
Применение термоэлектрического модуля в качестве устройства, перекачивающего с высоким холодильным коэффициентом тепловую энергию от одних участков циркуляционного контура к другим, позволит снизить затраты энергии, требующейся для перемещения рабочего тела вдоль греющего/охлаждающего контура.
Применение буферного сосуда и/или сепаратора позволит сгладить цикличность подачи жидкого рабочего тела в испарительный участок циркуляционного контура.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема циркуляционного контура греющей панели устройства панельно-лучистого отопления, а на фиг.2 показан вариант конструкции устройства напольного (внутрипольного) отопления.
Конструкция циркуляционного контура греющей панели состоит из испарительного участка 1, конденсационного участка 2, накопительно-вытеснительного участка 3 и обратных клапанов 4 и 5. Испарительный участок контактирует с нагревающим устройством 6 теплогенератора, конденсационный участок контактирует с теплоотдающей поверхностью 7 греющей панели, накопительно-вытеснительный участок контактирует с устройством периодического нагрева и периодического охлаждения 8. Все участки 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 осуществляется под действием перепадов давления независимо от направления силы тяжести.
Работа циркуляционного контура осуществлена следующим образом.
В первоначальный момент времени накопительно-вытеснительный участок 3 заполнен парожидкостной смесью с преимущественным содержанием жидкости. При нагреве смеси при помощи устройства 8 выше температуры испарительного участка 1, давление внутри накопительно-вытеснительного участка 3 за счет испарения части жидкого рабочего тела возрастает выше давления в испарительном участке 1. Под действием перепада давлений парожидкостная смесь из накопительно-вытеснительного участка 3 через обратный клапан 5 перемещается в испарительный участок 1 до тех пор, пока в накопительно-вытеснительном участке 3 не останется только парообразное рабочее тело (в результате полного вытеснения и испарения жидкости), либо до тех пор, пока устройство периодического нагрева и периодического охлаждения 8 не снизит температуру накопительно-вытеснительного участка до температуры ниже, чем температура испарительного участка 1 (при этом давление внутри накопительно-вытеснительного участка 3 станет ниже давления в испарительном участке 1 и обратный клапан 5 автоматически закроется).
В испарительном участке 1 жидкое рабочее тело, поступившее с парожидкостной смесью, под действием теплоты, поступающей от нагревающего устройства 6 теплогенератора, испаряется, поглощая поступающую от теплогенератора теплоту. По мере испарения жидкости объем парожидкостной смеси возрастает, в результате чего парожидкостная смесь перемещается по испарительному участку 1 в сторону конденсационного участка 2. По мере продвижения парожидкостной смеси по испарительному участку содержание жидкости в парожидкостной смеси уменьшается. Парожидкостная смесь с пониженным содержанием жидкости и повышенным содержанием пара из испарительного участка 1 поступает в конденсационный участок 2, в котором поступающий пар конденсируется за счет отвода теплоты от конденсационного участка 2 к теплоотдающей поверхности 7 греющей панели. При этом содержание жидкости в парожидкостной смеси, находящейся в конденсационном участке 2, возрастает по мере ее продвижения по конденсационному участку.
При охлаждении накопительно-вытеснительного участка 3 при помощи устройства 8 давление внутри участка снижается за счет конденсации паров рабочего тела. При снижении давления ниже давления в испарительном участке 1 автоматически закрывается обратный клапан 5, а при снижении давления ниже давления в конденсационном участке 2 открывается обратный клапан 4, после чего накопительно-вытеснительный участок 3 заполняется парожидкостной смесью с повышенным содержанием жидкости, поступающей из конденсационного участка 2. Заполнение накопительно-вытеснительного участка будет осуществляться до тех пор, пока в накопительно-вытеснительном участке 3 не окажется только жидкое рабочее тело (в результате полной конденсации паров), либо до тех пор, пока устройство периодического нагрева и периодического охлаждения 8 не повысит температуру накопительно-вытеснительного участка 3 до температуры выше, чем температура конденсационного участка 2 (при этом давление внутри накопительно-вытеснительного участка 3 станет выше давления в конденсационном участке и обратный клапан 4 автоматически закроется). После этого цикл повторяется.
Конструкция устройства напольного отопления состоит из греющего трубопровода 9, расположенного внутри напольного покрытия, соединительного трубопровода 10, накопительного сосуда 11, накопительно-вытеснительных сосудов 12 и 13, обратных клапанов 14-17, термоэлектрических модулей 18 и 19, буферного сосуда 20, резистивного нагревателя 21, дроссельного вентиля 22, жидкостного трубопровода 23, сепаратора 24, греющего змеевика 25, теплогенератора 26 и парового трубопровода 27. Внутри системы находится жидкое рабочее тело 28 и парообразное рабочее тело 29. Соединительный трубопровод 10 и жидкостный трубопровод 23 имеют округлое сечение и небольшой внутренний диаметр, 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 парожидкостной смеси осуществляется под действием перепадов давления независимо от направления силы тяжести.
Работа устройства напольного отопления осуществлена следующим образом.
Жидкое рабочее тело 28, находящееся в сепараторе 24, под действием силы тяжести поступает в нижнюю часть греющего змеевика 25, в котором под действием поступающей от теплогенератора 26 теплоты вскипает. Образовавшаяся парожидкостная смесь поднимается по греющему змеевику вверх и возвращается в сепаратор 24, в котором образовавшиеся пары рабочего тела 29 отделяются от жидкости и по паровому трубопроводу 27 поступают в греющий трубопровод 9.
В греющем трубопроводе 9 пары рабочего тела конденсируются, отдавая теплоту конденсации напольному покрытию. Образовавшиеся капли жидкого рабочего тела паровым потоком перемещаются по горизонтально уложенным греющим трубам 9 к соединительному трубопроводу 10, по которому парожидкостная смесь всасывается в накопительный сосуд 11. Всасывание смеси в сосуд 11 осуществляется за счет конденсации парообразного рабочего тела 29 при теплоотдаче нагретого накопительного сосуда 11 в окружающую среду.
Возврат жидкого рабочего тела 28 из накопительного сосуда 11 в сепаратор 24 осуществляется следующим образом. В первоначальный момент времени термоэлектрический модуль 28 одной своей стороной охлаждает накопительно-вытеснительный сосуд 12, одновременно нагревая другой своей стороной накопительно-вытеснительный сосуд 13. Парообразное рабочее тело, находящееся в сосуде 12, под действием поступающего холода конденсируется, снижая давление внутри сосуда ниже давления в накопительном сосуде 11, в результате чего из накопительного сосуда 11 в накопительно-вытеснительный сосуд 12 через обратный клапан 14 начинает всасываться жидкое рабочее тело 28. Жидкое рабочее тело, находящееся в накопительно-вытеснительном сосуде 13, под действием поступающей теплоты частично испаряется, повышая давление в сосуде выше давления в буферной емкости 20, в результате чего жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 13 через обратный клапан 17 начинает вытесняться по жидкостному трубопроводу 23 в буферную емкость 20, а из нее через дроссельный вентиль 22 по жидкостному трубопроводу 23 в сепаратор 24.
Через определенный период времени осуществляют переполюсовку термоэлектрического модуля 18, в результате которой модуль начинает охлаждать накопительно-вытеснительный сосуд 13, одновременно нагревая другой своей стороной накопительно-вытеснительный сосуд 12. Парообразное рабочее тело, находящееся в сосуде 13, под действием поступающего холода конденсируется, снижая давление внутри сосуда ниже давления в буферной емкости 20 и в накопительном сосуде 11, в результате чего автоматически перекрывается обратный клапан 17, а из накопительного сосуда 11 в накопительно-вытеснительный сосуд 13 через обратный клапан 16 начинает всасываться жидкое рабочее тело 28. Жидкое рабочее тело, находящееся в накопительно-вытеснительном сосуде 12, под действием поступающей теплоты начинает испаряться, повышая давление в сосуде выше давления в накопительном сосуде 11 и в буферной емкости 20, в результате чего автоматически перекрывается обратный клапан 14, а жидкое рабочее тело из накопительно-вытеснительного сосуда 12 начинает вытесняться через обратный клапан 15 по жидкостному трубопроводу 23 в буферную емкость 20.
Через определенный период времени вновь осуществляют переполюсовку термоэлектрического модуля 18, в результате чего цикл повторяется. Так как, в зависимости от температурных условий и от режима работы термоэлектрического модуля 18, количество поступающего из накопительной емкости 11 жидкого рабочего тела может не соответствовать количеству жидкого рабочего тела, вытесняемого в буферную емкость 20, средний уровень жидкого рабочего тела в накопительно-вытеснительных сосудах 12 и 13 может снижаться или возрастать. Для поддержания среднего уровня жидкого рабочего тела в накопительно-вытеснительных сосудах 12 и 13 на оптимальном уровне, предусмотрен термоэлектрический модуль 19, соединенный одной стороной с накопительно-вытеснительным сосудом 13, а другой стороной с буферной емкостью 20 (или с любым другим устройством, контактирующим с тепловоспринимающей/теплоотдающей средой).
В случае понижения среднего уровня рабочего тела в накопительно-вытеснительных сосудах ниже оптимального, термоэлектрический модуль 19 охлаждает накопительно-вытеснительный сосуд 13, в результате чего при каждом цикле в него больше всасывается жидкого рабочего тела и меньше вытесняется. При этом средний уровень жидкого рабочего тела в сосудах повышается.
В случае повышения среднего уровня рабочего тела в накопительно-вытеснительных сосудах выше оптимального, термоэлектрический модуль 19 нагревает накопительно-вытеснительный сосуд 13, в результате чего при каждом цикле в него меньше всасывается жидкого рабочего тела и больше вытесняется. При этом средний уровень жидкого рабочего тела в сосудах понижается.
В случае снижения температуры буферной емкости 20 ниже температуры в сепараторе 24, давление в буферной емкости станет ниже давления в сепараторе, в результате чего подача жидкого рабочего тела из буферной емкости в сепаратор прекратится. Для предотвращения этого буферную емкость 20 теплоизолируют и оборудуют резистивным нагревателем 21, поддерживающим температуру в буферной емкости на необходимом уровне.