СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
HEAT SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к области энергоснабжения и может быть использовано для повышения экономичности и надежности эксплуатации систем теплоснабжения, использующих в качестве источника тепловой энергии паровые или водогрейные котлы.
Известны открытые и закрытые системы теплоснабжения, содержащие источники, тепловые сети и потребители теплоты, подключенные к теплосети по зависимой и независимой схеме [Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд, стереот. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.]. Недостатком указанных систем являются относительно высокие температуры обратной сетевой воды (40-70°C), что не позволяет в полной мере использовать ее для снижения температуры уходящих газов котла, т.е. повышения его КПД.
Известна система централизованного теплоснабжения [Патент РФ 2148211, МПК F24D 3/12, опубликовано 27.04.2000 г.], включающая прямой и обратный магистральный трубопроводы тепловой сети, создающие совместно с локальными контурами циркуляции отопительных приборов зданий систему централизованной циркуляции теплоносителя, к обратному трубопроводу с возвратным теплоносителем которой подключена с помощью разделительного теплообменника низкотемпературная система отопления напольными отопительными панелями.
Известен также способ теплоснабжения [Патент РФ 2239129, МПК F24D 3/18, опубликовано 27.10. 2004 г.], включающий подогрев сетевой воды, подачу горячей воды по подающему магистральному трубопроводу к системе отопления, непосредственно присоединенной к водяной тепловой сети, возвращение охлажденной воды по обратному магистральному трубопроводу. Охлажденная вода обратного магистрального трубопровода дополнительно охлаждается в испарителе теплового насоса, а теплотой, отбираемой от воды обратного магистрального трубопровода, в конденсаторе теплового насоса нагревается вода, циркулирующая в системе отопления.
Так же, как и в предыдущем случае, использование данного способа не обеспечивает повышения КПД котельного агрегата.
Недостатком указанных системы и способа является отсутствие возможности глубокой утилизации теплоты уходящих газов в случае использования в системе в качестве источника парового или водогрейного котельного агрегата, а следовательно, и возможности повышения его КПД.
Известна также конденсационная котельная установка [Патент РФ 2489643, Кл. F22B 33/18, опубликовано 10.08.2012 г.], включающая паровой котел с основным газоходом и врезанным в него байпасным газоходом, установленные на основном газоходе котла экономайзер водяной (ЭВ), конденсационный теплообменник-утилизатор теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ), дымосос (Д) и дымовую трубу (Тр), а также теплообменник поверхностный (ТО), термический деаэратор питательной воды (ДА) с патрубком отвода выпара в основной газоход, установка дополнительно включает контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха (УВ), установленный на линии подачи дутьевого воздуха в котел и соединенный с термическим деаэратором питательной воды (ДА) посредством трубопровода подачи деаэрированной питательной воды, поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива (ТУ), установленный на основном газоходе перед конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ), а также абсорбционный бромистолитиевый тепловой насос (АБТН), причем испаритель (И) АБТН трубопроводами соединен с конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ) и установленным на основном газоходе перед ним поверхностным теплообменником-утилизатором продуктов сгорания топлива (ТУ), образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом охлаждающей среды (Н2), генератор (Г) АБТН трубопроводами соединен с экономайзером водяным (ЭВ), образуя циркуляционный контур греющей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом греющей среды (Н3), а абсорбер (А) и конденсатор (КД) АБТН последовательно соединены трубопроводом нагреваемой обратной воды теплосети с теплообменником поверхностным (ТО).
Недостатком указанной конденсационной котельной установки являются трудности ее реализации, вследствие сложности тепловой схемы, габаритов и металлоемкости и оборудования, сложностями регулирования режимов работы.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является система теплоснабжения [Авторское свидетельство СССР 1449779, опубликовано 07.01.1989 г.], содержащая последовательно установленные в газоходе первый и второй по ходу газа теплообменники с входными и выходными трубопроводами, подключенные к теплосети, причем второй теплообменник снабжен соединенными между собой оросителем и поддоном, система дополнительно содержит тепловой насос, испаритель и конденсатор которого подключены соответственно к входному и выходному трубопроводам второго теплообменника, подключенного к теплосети параллельно первому теплообменнику.
Система теплоснабжения имеет следующие недостатки:
1. Для реализации указанной схемы необходимо иметь высокотемпературный двухступенчатый тепловой насос большой мощности, что потребует значительных капиталовложений [Султангузин И.А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения / И.А. Султангузин, А.А. Потапова // Новости теплоснабжения. - №10. - 2010 г. - С.23-27].
2. Проведенные исследования показали, что температура точки росы в уходящих газах, использующих в качестве топлива природный газ, составляет около 60°C (верхний предел), следовательно, для глубокой утилизации теплоты конденсации водяных паров из состава продуктов сгорания на входе во второй по ходу газа теплообменник необходимо иметь температуру охлаждающей воды существенно ниже заявляемых 40-45°C [Ефимов А.В. Выбор оптимальных параметров теплоносителей при разработке системы глубокой утилизации теплоты уходящих газов котельных агрегатов / А.В. Ефимов, А.Л. Гончаренко, О.В. Красилов, Л.В. Гончаренко // ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ. - №3 (121). - 2014. С.2-9].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение экономичности котельного агрегата за счет глубокой утилизации теплоты путем использования теплоты конденсации водяных паров при охлаждении продуктов сгорания.
Данная задача решатся за счет того, что система теплоснабжения, содержащая водогрейный котел с основным газоходом с шиберной заслонкой и присоединенным к нему байпасным газоходом, в котором установлены последовательно подключенные к обратному трубопроводу тепловой сети конденсирующий теплообменный аппарат с входным и выходным патрубками и снабженный соединенными между собой оросителем и поддоном и водяной экономайзер. На обратном трубопроводе подключенной к котлу тепловой сети установлен тепловой насос, испаритель и конденсатор которого подключены соответственно к входному и выходному патрубкам конденсирующего теплообменного аппарата, отличающийся тем, что к обратному трубопроводу тепловой сети по зависимой схеме дополнительно подключены контуры низкотемпературной системы отопления с напольными отопительными панелями.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение температуры обратной сетевой воды, поступающей в конденсирующий теплообменник, до значений (25-30°C), обеспечивающих за счет конденсации водяных паров, полезное использование гораздо большего количества теплоты, чем в известных технических решениях.
В [Баскаков А.П. Реальные возможности повышения энергетической эффективности газовых отопительных котельных / А.П. Баскаков, В.А. Мунц, Н.Ф. Филипповский, Е.В. Черепанова. // Промышленная Энергетика. - 2005. - №9. - С.22-26] отмечено, что для повышения коэффициента использования топлива (к.и.т.) на 1% необходимо снизить температуру уходящих газов на 15-20°C, то в котлах с конденсацией для такого же повышения к.и.т. требуется охлаждение газов на 2-3°C. В [Использование теплоты уходящих газов в промышленных котельных, работающих на газу, к.т.н. Сизов В.П., д.т.н Южаков А.А., к.т.н. Каптер И.В., ООО "Пермавтоматика" http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2643] показано, что использование теплоты уходящих газов позволяет наиболее полно использовать теплоту уходящих газов и увеличить КПД котла, рассчитанного по низшей теплоте сгорания, вплоть до значения в 111%. Проведенные расчеты показали, что использование предлагаемых технических решений в системах теплоснабжения с котлами, работающими на газе, позволит увеличить КПД котла, рассчитанного по низшей теплоте сгорания, на 3-4% по сравнению с прототипом [Использование теплоты уходящих газов в промышленных котельных, работающих на газу к.т.н. Сизов В.П., д.т.н. Южаков А.А., к.т.н Капгер И.В., ООО "Пермавтоматика", http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2643].
Использование зависимой схемы подключения контуров низкотемпературной системы с напольными отопительными панелями позволяет исключить дополнительные температурные напоры в разделительном теплообменнике и, тем самым, дополнительно снизить температуру обратной сетевой воды, подаваемой в сетевой насос.
Таким образом, предложенная совокупность признаков заявляемого решения обеспечивает существенное повышение экономичности систем теплоснабжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема закрытой двухтрубной системы теплоснабжения с использованием в качестве источника водогрейного котла на газовом топливе.
Система теплоснабжения содержит водогрейный котел 1 с основным газоходом 2, и присоединенным к нему байпасным газоходом 3, в котором установлены последовательно подключенные к обратному трубопроводу 4 тепловой сети, конденсирующий теплообменный аппарат 5 с входным и выходным патрубками 6 и 7, снабженный соединенными между собой оросителем 8 и поддоном 9, и водяной экономайзер 10. На обратном трубопроводе тепловой сети 4 установлен тепловой насос 11, испаритель 12 и конденсатор 13 которого подключены соответственно к входному 6 и выходному 7 патрубкам аппарата 5. Система теплоснабжения содержит контуры потребителей теплоты отопления 14 и горячего водоснабжения 15, подключенные к прямому 16 и обратному 4 трубопроводам сетевой воды, причем к трубопроводу 4 через разделительную запорную арматуру 17 по зависимой схеме присоединена низкотемпературная система отопления 18, с напольными отопительными панелями 19. В основном газоходе 2 между входом и выходом байпасного газохода 3 установлена шиберная заслонка 20.
Система работает следующим образом.
Сетевая вода из котла 1 по трубопроводу 16 подается в контуры отопления 14 и горячего водоснабжения 15 и после них при температуре 50-70°C поступает в обратный трубопровод 4 сетевой воды. Далее сетевая вода из обратного трубопровода, имеющая вышеуказанные температурные параметры, при закрытой арматуре 17 поступает в низкотемпературную систему отопления 18, где отдает свою тепловую энергию теплоносителю, циркулирующему через напольные отопительные панели 19 «Теплый пол». При этом температура сетевой воды на выходе из системы 18 будет иметь значения 35-40°C. Далее по трубопроводу 4 сетевая вода поступает в испаритель 12 теплового насоса 11, где отдает свою тепловую энергию хладону, циркулирующему в контуре теплового насоса 11, охлаждается до температуры 30-25°C и подается во входной патрубок 6 конденсирующего теплообменного аппарата 5, поверхности теплообмена которого, при закрытой частично или полностью шиберной заслонке 20 и полностью открытых шиберных заслонках 21 и 22, омываются уходящими газами котла, имеющими точку росы около 60°C
. Вследствие разности температур сетевой воды и уходящих газов на поверхностях теплообмена аппарата 5 происходит интенсивная конденсация водяных паров, теплота которой передается сетевой воде. С целью интенсификации процесса конденсации в газоход 3 перед конденсирующим теплообменным аппаратом 5 через оросители 8 из поддона 9 в газовый поток подается конденсат. Нагретая в аппарате 5 сетевая вода с температурой 55°C через выходной патрубок 7 подается в конденсатор 13 теплового насоса 11, где нагревается хладоном до 70-75°C и далее направляется через экономайзер 10 в котел 1. В случае необходимости повышения температуры уходящих газов приоткрывают заслонку 20 и подают часть уходящих газов помимо байпасного газохода 3.