СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРА

Полезная модель относится к структуре систем теплоснабжения на основе жидкостных теплоаккумуляторов, которые оснащены (предпочтительно, но не обязательно электрическими) нагревателями. Такие системы предназначены:
для отопления и/или горячего водоснабжения преимущественно отдельно стоящих жилых и общественных зданий и производственных помещений;
для относительно низкотемпературного нагрева разнообразных технологических жидкостей, в частности, растворов красителей и промывных сред во время крашения текстильных материалов, растворов для декапирования поверхностей метизов и т.п.
Уровень техники
Общеизвестно, что в промышленно развитых странах потребление энергии в дневное время, когда работает большинство предприятий и общественный транспорт, существенно превышает ее потребление ночью. Это различие заметно как в отношении электроэнергии, так и в отношении углеводородных энергоносителей (в особенности, природного газа и сжиженного нефтяного газа).
Поэтому уже давно были созданы автономные системы теплоснабжения на основе жидкостных (не обязательно водяных) теплоаккумуляторов, которые оснащены нагревателями, трубопроводной обвязкой и подходящими запорно-регулирующими элементами (в частности, кранами или вентилями).
Эти системы позволяют запасать тепло ночью, а расходовать его в остальное время, что особенно выгодно в странах с развитой тепловой и/или атомной электроэнергетикой, в которых ночной тариф на электроэнергию существенно ниже дневного тарифа.
Очевидно, что указанные системы теплоснабжения должны быть как можно более надежными и обеспечивать экономичное накопление и расходование тепла.
Часть этих требований легко выполнима при использовании резистивных электрических нагревателей (см., например: "Политехнический словарь". - М.: "Советская Энциклопедия", 1976, статья "Электрический нагрев", с.575) или общедоступных на рынке устройств для низкотемпературного каталитического сжигания природного газа.
Действительно, указанные нагреватели имеют почти 100% кпд, что - при условии надежной теплоизоляции теплоаккумулятора и трубопроводной обвязки - обеспечивает эффективное накопление и сохранение тепла.
Известны попытки усовершенствования таких нагревателей путем замены твердых резистивных элементов из дорого нихрома дешевыми жидкими резистивными элементами на основе низко-концентрированных водных растворов общедоступных солей (см., например, патент Украины на полезную модель №23333 или RU №66873 U).
Общеизвестны также и высокоэффективные (в том числе, каталитические и погружные) газовые горелки, которые можно использовать в жидкостных теплоаккумуляторах.
Однако такие паллиативные технические решения слабо влияют на экономичность взятых в целом систем теплоснабжения на основе теплоаккумуляторов.
Поэтому производители таких систем оснащают свою продукцию сложными и дорогими средствами управления (см., например: US 6,347,748 В1; WO 2006/109994 А1; WO 2007/101592; US 2007/0187521 A1 и мн. др.).
Из US 1,858,606 (заявленного еще в 1930 г.) известно отопительное и вентиляционное устройство на основе автономного источника тепла, которое наиболее близко к предлагаемой системе теплоснабжения по технической сущности. Оно имеет:
нагреватель в виде водяного радиатора, который установлен в воздуховоде,
вентилятор для нагнетания воздуха в отапливаемое помещение через указанный воздуховод,
смеситель (названный в оригинале «смесительный демпфер») нагретого и атмосферного воздуха и
автоматизированную систему управления, которая учитывает температуру теплоносителя на входе в нагреватель и температуру воздуха в отапливаемом помещении и обеспечивает с помощью запорно-регулирующих средств управление потоками указанных водяного и воздушного теплоносителей.
Смешивание нагретого и атмосферного воздуха в зависимости от температуры внутри отапливаемого помещения позволяет настраивать описанное устройство на работу в широком температурном диапазоне.
Однако использование воздуха как промежуточного теплоносителя внутри описанного устройства придает ему громоздкость и не позволяет гибко регулировать температуру жидкого теплоносителя на входе по мере исчерпания запаса тепла в теплоаккумуляторе.
Краткое изложение сущности полезной модели
В основу полезной модели положена задача создать такую систему теплоснабжения на основе жидкостного теплоаккумулятора со встроенными нагревателями, которая обеспечивала бы гибкое регулирование температуры и расхода жидкого теплоносителя на входе в систему-потребитель тепла по мере исчерпания его запаса в теплоаккумуляторе.
Эта задача решена изменением трубопроводной обвязки и размещения запорно-регулирующих элементов. Соответственно, предложенная система теплоснабжения на основе теплоаккумулятора имеет:
по меньшей мере, один проточный теплоизолированный бак, который заполнен жидким теплоносителем и служит теплоаккумулятором,
по меньшей мере один нагреватель указанного теплоносителя, связанный с указанным баком,
питающий трубопровод, у которого входной конец подключен к верхней части указанного бака, а выходной конец предназначен для подключения на вход системы-потребителя тепла,
циркуляционный насос, встроенный между указанным баком и указанным выходным концом указанного питающего трубопровода,
возвратный трубопровод, у которого входной конец предназначен для подключения к выходу из упомянутой системы-потребителя тепла, а выходной конец подключен к придонной части указанного бака,
запорно-регулирующие элементы, которые установлены соответственно на входе в указанный питающий трубопровод из указанного бака и на выходе из указанного возвратного трубопровода в указанный бак,
по меньшей мере два датчика температуры жидкого теплоносителя, которые установлены соответственно в верхней части указанного бака и на указанном питающем трубопроводе перед входом в указанный циркуляционный насос или на выходе из него, и
по меньшей мере одноконтурный регулируемый смеситель относительно горячего жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного бака, и относительно холодного жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного возвратного трубопровода.
Введение в конструкцию системы теплоснабжения на основе жидкостного теплоаккумулятора по меньшей мере одноконтурного регулируемого смесителя позволяет поддерживать оптимальную температуру на входе в систему-потребитель тепла путем подпитки ее только таким количеством относительно горячего жидкого теплоносителя, которое реально необходимо для поддержания заданной температуры.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что одноконтурный регулируемый смеситель имеет расположенные внутри указанного бака гибкие патрубки на входном конце питающего трубопровода и на выходном конце возвратного трубопровода и регулируемые приводы их перемещения навстречу один другому или удаления один от другого.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что одноконтурный регулируемый смеситель имеет оснащенную запорно-регулирующим элементом трубчатую перемычку между указанным входным концом указанного питающего трубопровода и указанным выходным концом указанного возвратного трубопровода.
Каждое из этих отдельно взятых дополнительных отличий позволяет простыми средствами оптимизировать температуру и расход жидкого теплоносителя на входе в системупотребитель тепла.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что указанная перемычка выполнена в виде прямого отрезка трубы и установлена перпендикулярно к указанным частям питающего и возвратного трубопроводов. Это позволяет упростить изготовление перемычки.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что на разветвлении указанного выходного конца указанного возвратного трубопровода и указанной перемычки установлен трехходовой кран. Это расширяет возможности точного регулирования температуры жидкого теплоносителя на входе в упомянутую систему-потребитель тепла.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что указанная перемычка выполнена в виде прямого отрезка трубы и установлена наклонно к указанным частям питающего и возвратного трубопроводов.
Шестое дополнительное отличие состоит в том, что указанная перемычка выполнена в виде дугообразного отрезка трубы, у которого входной и выходной участки расположены
соответственно в возвратном и питающем трубопроводах и направлены навстречу потоку и по потоку.
Каждое из этих отдельно взятых дополнительных отличий позволяет изменять условия подачи относительно горячего жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного бака, и относительно холодного жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного возвратного трубопровода.
Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что указанный регулируемый смеситель оснащен двумя контурами смешивания относительно горячего жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного бака, и относительно холодного жидкого теплоносителя, отбираемого из указанного возвратного трубопровода, при этом:
первый контур имеет расположенные внутри указанного бака гибкие патрубки на входном конце питающего трубопровода и на выходном конце возвратного трубопровода и регулируемые приводы их перемещения навстречу один другому или удаления один от другого, а второй контур имеет оснащенную запорно-регулирующим элементом трубчатую перемычку между указанным входным концом указанного питающего трубопровода и указанным выходным концом указанного возвратного трубопровода.
Такой двухконтурный смеситель удобно использовать в автоматизированных системах отопления и/или горячего водоснабжения на основе жидкостных теплоаккумуляторов.
Специалисту понятно,
что приведенные далее примеры конструктивной реализации изобретательского замысла никоим образом не ограничивают возможности дальнейшего усовершенствования систем теплоснабжения на основе жидкостных теплоаккумуляторов с использованием обычных знаний специалистов и
что объем прав ограничивается только содержанием формулы полезной модели.
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется детальным описанием конструкции и работы системы теплоснабжения со ссылками на чертежи, где изображены на:
фиг.1 - структурная схема системы теплоснабжения на основе жидкостного теплоаккумулятора;
фиг.2 - первый вариант расположения наклонной перемычки между питающим и возвратным трубопроводами;
фиг.3 - второй вариант расположения наклонной перемычки между питающим и возвратным трубопроводами;
фиг.4 - расположение дугообразной перемычки между питающим и возвратным трубопроводами.
Наилучшие воплощения изобретательского замысла
Предложенная система теплоснабжения имеет (см. фиг.1):
по меньшей мере один проточный теплоизолированный бак 1, который заполнен жидким теплоносителем (например: водой, антифризом и т.д.) и служит теплоаккумулятором,
по меньшей мере один нагреватель 2 указанного теплоносителя, связанный с баком (теплоаккумулятором) 1 (а предпочтительно батарея таких нагревателей 2, как правило, встроенных в бак (теплоаккумулятор) 1 и способных работать независимо один от другого),
питающий трубопровод 3, у которого входной конец подключен к верхней части бака (теплоаккумулятора) 1, а выходной конец предназначен для подключения на вход системы-потребителя тепла (например, системы водяного отопления жилых или производственных помещений),
подходящий циркуляционный (например, центробежный или вихревой) насос 4, встроенный между баком (теплоаккумулятором) 1 и выходным концом питающего трубопровода 2,
возвратный трубопровод 5, у которого входной конец предназначен для подключения к выходу из системы-потребителя тепла, а выходной конец подключен к придонной части бака (теплоаккумулятора) 1,
запорно-регулирующие элементы 6 и 7 (например, подходящие вентили или краны), которые установлены соответственно на входе в питающий трубопровод 3 из бака (теплоаккумулятора) 1 и на выходе из возвратного трубопровода 5 в бак (теплоаккумулятор) 1,
по меньшей мере два датчика 8 и 9 температуры жидкого теплоносителя, которые установлены соответственно в верхней части бака (теплоаккумулятора) 1 и на питающем трубопроводе 3 (обычно перед входом в циркуляционный насос 4, а иногда на выходе из него), и
подробно описанный далее по меньшей мере одноконтурный регулируемый смеситель относительно горячего жидкого теплоносителя, отбираемого из бака (теплоаккумулятора) 1, и относительно холодного жидкого теплоносителя, отбираемого из возвратного трубопровода 5.
Специалисту понятно, что питающий и возвратный трубопроводы 3 и 5, циркуляционный насос 4 и иные части системы теплоснабжения с развитыми поверхностями теплообмена также имеют теплоизоляцию, которая на чертеже условно не показана.
Первый простейший одноконтурный регулируемый смеситель (см. фиг.1) имеет расположенные внутри бака (теплоаккумулятора) 1 гибкие патрубки 10 на входном конце питающего трубопровода 3 и на выходном конце возвратного трубопровода 5 и подходящие регулируемые приводы 11 их перемещения навстречу один другому или удаления один от другого. Эти приводы условно показаны на чертеже двунаправленными стрелками. На практике такими приводами могут служить механизмы управления типа «винт-гайка» с ручным или автоматическим приводом ходовых винтов, гидравлические цилиндры, водонепроницаемые шаговые электродвигатели и т.п.
Второй простейший регулируемый одноконтурный смеситель имеет трубчатую перемычку 12 с запорно-регулирующим элементом 13, которая размещена между входным концом питающего трубопровода 3 и выходным концом возвратного трубопровода 5.
Перемычка 12 обычно выполнена в виде прямого отрезка трубы. Как правило, она установлена перпендикулярно к указанным частям питающего и возвратного трубопроводов
3 и 5 (см. фиг.1). Однако возможны и такие случаи, когда прямая перемычка 12 установлена наклонно к указанным частям питающего и возвратного трубопроводов 3 и 5, как это показано на фиг.2 и фиг.3.
Желательно, чтобы на разветвлении выходного конца возвратного трубопровода 5 и прямой перемычки 12 был установлен трехходовой кран 14.
И, наконец, перемычка 12 может иметь вид оснащенного запорно-регулирующим элементом 13 дугообразного отрезка трубы, у которого выходной и входной участки ориентированы в питающем и возвратном трубопроводах 3 и 5 соответственно по потоку и навстречу потоку (см. фиг.4).
В некоторых случаях регулируемый смеситель может иметь сразу два описанных выше контура смешивания относительно горячего жидкого теплоносителя, отбираемого из бака (теплоаккумулятора) 1, и относительно холодного жидкого теплоносителя, отбираемого из возвратного трубопровода 5.
Естественно, что бак (теплоаккумулятор) 1 может иметь -
произвольную геометрическую форму, которую выбирают с учетом места его установки и удобства доступа персонала для технического обслуживания, и
разную емкость, которую определяют с учетом максимально допустимого потребления тепла в период, когда нагреватели 2 отключены.
Любой бак (теплоаккумулятор) 1 обычно оснащен:
регулятором 15 уровня теплоносителя,
переливной трубой 16 (по меньшей мере, часть которой может быть изготовлена из прозрачного материала) для сброса избытка жидкого теплоносителя или стравливания давления в баке (теплоаккумуляторе) 1 при случайном перегреве жидкого теплоносителя,
по меньшей мере, одним дополнительным датчиком 17 температуры, в частности, в придонной части бака (теплоаккумулятора) 1 и
не показанными на чертеже средствами подачи жидкого теплоносителя при заполнении бака (теплоаккумулятора) 1 или его слива из этого бака 1 (например, для ремонта).
Система-потребитель тепла обычно имеет вид замкнутой системы отопления и/или системы нагрева воды для технологических нужд на основе не показанного общеизвестного двухконтурного теплообменника, у которого внутренний (циркуляционный) контур замкнут на бак (теплоаккумулятор) 1, тогда как внешний контур подключен к источнику нагреваемой жидкости, и снабжен по меньшей мере одним раздаточным устройством.
Мощность каждого отдельного нагревателя 2, общее количество нагревателей и их суммарную мощность выбирают:
с учетом установленной емкости бака (теплоаккумулятора) 1 и циркуляционного контура системы-потребителя тепла,
времени действия ночного тарифа на выбранный энергоноситель (которое равно максимально допустимому времени нагрева запаса жидкого теплоносителя) и
коэффициента запаса мощности, выбираемого, как правило, в интервале 1,5-3,0 (и более) с учетом минимально допустимого времени вывода системы теплоснабжения на
рабочий режим и вероятности отказа используемых нагревателей.
Естественно также, что предложенная система теплоснабжения может быть оснащена общедоступными средствами автоматического управления.
Описанная система теплоснабжения работает следующим образом.
На подготовительном этапе бак (теплоаккумулятор) 1 при закрытых кранах 6 и 7 заполняют выбранным жидким теплоносителем до начального уровня, который задают регулятором 15. Далее -
гибкие патрубки 10 (если они использованы) обычно отводят один от другого с помощью приводов 11, и/или открывают запорно-регулирующий элемент 13 на трубчатой перемычке 12 и выставляют трехходовой кран 14 в положение «полностью открыто» (если эти элементы использованы),
включают циркуляционный насос 4, плавно открывают запорно-регулирующие элементы 6 и 7 и продолжают заливать выбранный жидкий теплоноситель до заполнения всего циркуляционного контура (включая систему-потребитель тепла) и стабилизации его уровня в баке (теплоаккумуляторе) 1.
Воздух из заполняемой системы стравливают общеизвестным путем.
Возможны два основных варианта взаимодействия бака (теплоаккумулятора) 1 с системой-потребителем тепла.
Первый вариант предусматривает разделение процессов накопления тепла в баке (теплоаккумуляторе) 1 (в это время запорно-регулирующие элементы 6 и 7 закрыты и циркуляционный насос 4 выключен), и расходования накопленного тепла (в это время запорно-регулирующие элементы 6 и 7 по меньшей мере частично открыты и циркуляционный насос 4 включен). Это характерно для теплового запуска предложенной системы и для случаев, когда она обеспечивает теплоснабжение потребителей только в дневное время.
В этом варианте сначала включают все наличные нагреватели 2 на максимальную мощность и нагревают жидкий теплоноситель в баке (теплоаккумуляторе) 1 до заданной температуры, а затем включают циркуляционный насос 4, по меньшей мере частично открывают запорно-регулирующие элементы 6 и 7 и подают жидкий теплоноситель в систему-потребитель тепла. Понятно, что на момент завершения накопления тепла температура внутри бака (теплоаккумулятора) 1 практически одинакова вследствие конвективного теплообмена между верхними и придонными слоями жидкого теплоносителя и что по мере расходования запаса тепла это температурное равновесие будет нарушаться.
Второй вариант предусматривает одновременное пополнения запаса тепла в баке (теплоаккумуляторе) 1 и расходование тепла (преимущественно на нужды отопления).
В этом варианте, который реализуется только в течение отопительного сезона и только в ночное время, одновременно работают нагреватели 2 (как правило, на часть своей мощности) и циркуляционный насос 4, а запорно-регулирующие элементы 6 и 7 частично открыты. Понятно, что во время работы в таком режиме температура верхнего слоя
жидкого теплоносителя в баке (теплоаккумуляторе) 1 превышает температуру в придонном слое такого теплоносителя и что это различие усиливается в дневное время.
Гибкое регулирование температуры и расхода жидкого теплоносителя на входе в систему-потребитель тепла по мере исчерпания его запаса в баке (теплоаккумуляторе) 1 обеспечивают по-разному в зависимости от того, какой именно одноконтурный или двухконтурный регулируемый смеситель использован.
В первом простейшем случае такое регулирование обеспечивают только с помощью гибких патрубков 10 и запорно-регулирующих элементов 6 и 7 с учетом показаний датчиков 8 и 9 температуры. Соответственно, вначале гибкий патрубок 10 на входе в питающий трубопровод 3 изгибают и опускают в крайнее нижнее положение, а гибкий патрубок 10 на выходе из возвратного трубопровода 5 выпрямляют и также опускают в крайнее нижнее положение. Далее, по мере падения температуры в питающем трубопроводе 3, гибкий патрубок 10 на входе в этот трубопровод выпрямляют, а гибкий патрубок 10 на выходе из возвратного трубопровода 5 изгибают и поднимают. В отдельных случаях оба патрубка 10 могут быть изогнуты так, чтобы их торцы были расположены напротив один другого, как это показано на фиг.1 (в частности, дополнительной тонкой штриховой линией). При этом расход рециркулирующего жидкого теплоносителя в начальный период устанавливают с помощью запорно-регулирующих элементов 6 и 7 на минимально допустимом уровне, а по мере падения температуры в питающем трубопроводе 3 увеличивают.
Датчик 17 температуры в придонном слое жидкого теплоносителя (если он использован) позволяет более точно определять остаточный запас тепла в баке (теплоаккумуляторе) 1 и регулировать взаиморасположение гибких патрубков 10 и проходное сечение запорно-регулирующих элементов 6 и 7.
В другом простейшем случае гибкое регулирование температуры и расхода жидкого теплоносителя на входе в систему-потребитель тепла обеспечивают только с помощью перемычки 12 и запорно-регулирующих элементов 6, 7 и 13 с учетом показаний датчиков 8 и 9 температуры. Соответственно, вначале открывают только запорно-регулирующие элементы 6, 7, а затем с учетом требуемой температуры в питающем трубопроводе 3 регулируют проходные сечения этих элементов 6 и 7 и запорно-регулирующего элемента 13 на перемычке 12 таким образом, чтобы оптимизировать расход жидкого теплоносителя, рециркулирующего через бак (теплоаккумулятор) 1.
Перемычка 12, которая согласно фиг.2 имеет выходной верхний конец, изогнутый по потоку в питающем трубопроводе 3, облегчает эжекцию относительно горячего жидкого теплоносителя из бака (теплоаккумулятора) 1.
Перемычка 12, которая согласно фиг.3 имеет входной нижний конец, изогнутый навстречу потоку в возвратном трубопроводе 5, облегчает перетекание относительно холодного жидкого теплоносителя из этого трубопровода 5 в питающий трубопровод 3.
Перемычка 12, которая согласно фиг.4 имеет вид дугообразного отрезка трубы, одновременно облегчает эжекцию относительно горячего жидкого теплоносителя из бака (теплоаккумулятора) 1 и перетекание относительно холодного жидкого теплоносителя из возвратного
трубопровода 5 в питающий трубопровод 3.
Применение трехходового крана 14 и датчика 17 температуры дополнительно способствует такой оптимизации.
Использование обоих указанных контуров для подпитки системы-потребителя тепла только таким количеством относительно горячего жидкого теплоносителя, которое реально необходимо для поддержания заданной температуры, еще более расширяет возможности гибкого регулирования работы предложенной системы теплоснабжения.
Промышленная применимость
Предложенная система теплоснабжения на основе жидкостного теплоаккумулятора может быть легко изготовлена из доступных на рынке материалов и комплектующих изделий. Она удобна в эксплуатации даже при ручном управлении.
Практическое применение такой системы обеспечивает гибкое регулирование температуры и расхода относительно горячего жидкого теплоносителя на входе в систему-потребитель тепла по мере исчерпания его запаса в теплоаккумуляторе.