СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к автономным системам отопления помещений с электрическим нагревом и принудительной циркуляцией теплоносителя, и преимущественно может быть использована в строительстве при отсутствии системы центрального отопления.
Известны автономные системы отопления с электрическим нагревом и принудительной циркуляцией теплоносителя (RU 2121627 C1, 1998; RU 2357155 C1, 2009; 2433354 C1, 2011), которые в общей для них части содержат котел с электрическим нагревательным элементом, подающую и обратную магистрали теплоносителя, циркуляционный насос, по меньшей мере, один нагревательный прибор и расширительный бачок, а также блок автоматического управления.
Недостаток указанных известных технических решений заключается в использовании в этих автономных системах отопления двух конструктивно самостоятельных узлов: котла с электрическим нагревательным элементом для нагрева теплоносителя и циркуляционного насоса для обеспечения принудительной циркуляции нагретого теплоносителя, что приводит к усложнению конструкции системы отопления, а также к увеличению ее стоимости, энергопотребления и габаритов. Кроме того, использование циркуляционного насоса, имеющего, как правило, подвижные механические элементы, требует снабжения системы отопления средствами звуко- и виброизоляции, что также усложняет ее конструкцию и приводит к увеличению стоимости ее изготовления и монтажа.
Наиболее близкой по конструкции к системе отопления, являющейся предметом настоящей полезной модели, следует считать известную теплонасосную установку (RU 2173434 C2, 2001), которая предназначена для отопления помещений, например индивидуальных домов, коттеджей и теплиц, и выработки горячей воды для бытовых нужд.
Теплонасосная установка, являющаяся ближайшим аналогом, содержит герметичный бак с расположенными в нем электрическим нагревательным элементом и датчиком уровня жидкости для защиты нагревательного элемента от перегрева при понижении уровня жидкости, входной патрубок, расположенный в нижней части бака, выходной патрубок, расположенный в верхней части (крышке) бака, дополнительную емкость для теплоносителя, сообщающуюся с атмосферой и расположенную не ниже уровня бака, обратный клапан, установленный на входе в дополнительную емкость для теплоносителя, обратный клапан, установленный за дополнительной емкостью для теплоносителя, нагревательный прибор, механическое регулирующее устройство, расположенное в подающей (напорной) магистрали, и блок управления, снабженный электротермодатчиком, установленным на обратной магистрали (перед входным патрубком).
Использование в теплонасосной установке, являющейся ближайшим аналогом, герметичного бака с расположенным в нем электрическим нагревательным элементом для выполнения функции как нагрева теплоносителя, так и побуждения его к циркуляции по контуру системы отопления обеспечивает упрощение конструкции системы отопления, а также снижает ее стоимость и габариты. Кроме того, при такой конструкции побудителя циркуляции теплоносителя, не содержащей подвижных механических элементов, отпадает необходимость снабжения системы отопления средствами звуко- и виброизоляции, что также упрощает ее конструкцию и приводит к снижению стоимости ее изготовления и монтажа.
Вместе с тем, недостатком указанной известной теплонасосной установки, являющейся ближайшим аналогом, является недостаточно высокий коэффициент полезного действия при высоком энергопотреблении. Это обусловлено, во-первых, тем, что при таком расположении электрического нагревательного элемента в герметичном баке вблизи его дна, как это выполнено в ближайшем аналоге, для парообразования и увеличения давления в герметичном баке, достаточного для вытеснения воды из герметичного бака в подающую магистраль, необходим нагрев всего объема находящейся в герметичном баке воды до достаточно высокой температуры кипения. Однако, в подающую магистраль и далее в нагревательный прибор поступает лишь сравнительно незначительная часть нагретой воды, что обусловлено размещением выходного патрубка на крышке герметичного бака. Во-вторых, недостаточно высокое значение коэффициента полезного действия связано с недостаточно высокой производительностью герметичного бака по нагнетанию теплоносителя в подающую магистраль, что обусловлено существенным значением времени цикла его работы, определяемым значительным временем охлаждения герметичного бака и конденсации образовавшегося в нем пара, без завершения которых не может начаться очередной цикл всасывания воды.
Задачей настоящей полезной модели является повышение коэффициента полезного действия системы отопления.
Поставленная задача решена, согласно настоящей полезной модели, тем, что система отопления, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, образующие замкнутый контур насос-нагреватель в виде герметичной рабочей камеры, снабженной электрическим нагревательным элементом, всасывающим патрубком и нагнетательным патрубком, снабженным обратным клапаном, подающую магистраль для теплоносителя, по меньшей мере, один нагревательный прибор, обратную магистраль для теплоносителя и емкость для теплоносителя, сообщающуюся с атмосферой, а также устройство управления, подключенное к насосу-нагревателю, отличается от ближайшего аналога тем, что ее насос-нагреватель снабжен испарителем в виде стакана, установленного в верхней части рабочей камеры, нагревательный элемент установлен в стакане испарителя, входное отверстие нагнетательного патрубка размещено в донной части рабочей камеры, а всасывающий патрубок установлен в верхней части рабочей камеры выше стакана испарителя и снабжен прямым клапаном.
При этом нагревательный элемент выполнен в виде резистивного нагревательного элемента, например на основе нихромовой проволоки.
Нагревательный элемент установлен в донной части стакана испарителя.
Насос-нагреватель снабжен активатором конденсации в виде пластины, превышающей по своим размерам в плане размеры в плане стакана испарителя и установленной над стаканом испарителя ниже всасывающего патрубка с образованием зазора между ней и кромкой стакана испарителя.
Периферийные участки пластины активатора конденсации, расположенные снаружи по отношению к стенкам стакана испарителя, перфорированы.
На верхней поверхности пластины активатора конденсации по ее контуру выполнен буртик.
Снабжение насоса-нагревателя системы отопления испарителем в виде стакана, установленного в верхней части рабочей камеры, и размещение нагревательного элемента в стакане испарителя обеспечивает повышение коэффициента полезного действия системы отопления и снижение энергопотребления, поскольку при работе насоса-нагревателя происходит нагрев до парообразования не всего объема теплоносителя, находящегося в рабочей камере, а лишь только теплоносителя, находящегося в стакане испарителя. Вместе с тем, увеличение давления в рабочей камере, обусловленное парообразованием при нагреве теплоносителя в стакане испарителя, оказывается достаточным для вытеснения через нагнетательный патрубок почти всего объема теплоносителя, находящегося в рабочей камере.
Размещение входного отверстия нагнетательного патрубка в донной части рабочей камеры обеспечивает нагнетание через нагнетательный патрубок в подающую магистраль почти всего объема нагретого теплоносителя, находящегося в рабочей камере, что также способствует повышению коэффициента полезного действия системы отопления.
Размещение всасывающего патрубка в верхней части рабочей камеры выше стакана испарителя обеспечивает уменьшение времени рабочего цикла насоса-нагревателя, приводящее к повышению его производительности и повышению коэффициента полезного действия системы отопления. Это происходит потому, что при окончании стадии нагнетания теплоносителя из рабочей камеры, когда нагревательный элемент отключается от источника электрической энергии и благодаря своим свойствам быстро остывает, из-за попадания пара в нагнетательный патрубок его обратный клапан призакрывается, давление в рабочей камере из-за начала конденсации пара понижается и приоткрывается прямой клапан всасывающего патрубка. В результате этого сначала совсем незначительное количество холодного теплоносителя из всасывающего патрубка поступает в рабочую камеру сверху, вызывая интенсивную конденсацию пара. Далее вследствие снижения давления в рабочей камере через полностью открытый прямой клапан всасывающего патрубка рабочая камера и стакан испарителя наполняются теплоносителем. В результате этого время рабочего цикла насоса-нагревателя системы отопления существенно уменьшается.
Размещение нагревательного элемента в донной части стакана испарителя обеспечивает преобразование в парообразную фазу практически всего находящегося в стакане испарителя теплоносителя. Это, с одной стороны, способствует повышению производительности насоса-нагревателя на стадии нагнетания теплоносителя, а, с другой стороны, обеспечивает то, что в процессе парообразования и уменьшения объема теплоносителя в стакане вся площадь поверхности нагревательного элемента остается погруженной в остаток теплоносителя, обеспечивая его дальнейший нагрев и парообразование, что предотвращает нерациональное использование электрической энергии и способствует повышению коэффициента полезного действия системы отопления.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у системы отопления перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг. 1 схематично показана система отопления, где 1 - насос-нагреватель, 2 - подающая магистраль, 3 - нагревательный прибор, 4 - обратная магистраль, 5 - емкость для теплоносителя, 6 - нагнетательный патрубок и 7 - всасывающий патрубок.
На фиг. 2 показан вертикальный разрез насоса-нагревателя 1, где 8 - корпус, 9 - крышка, 10 - рабочая камера, 11 - всасывающий патрубок, 12 - нагнетательный патрубок, 13 - стакан, 14 - нагревательный элемент, 15 - дополнительный нагревательный элемент, 16 - пробка, 17 - прямой клапан, 18 - обратный клапан, 19 - датчик уровня жидкости рабочей камеры, 20 - датчик уровня жидкости испарителя, 21 - активатор конденсации, 22 - буртик, 23 - отверстия, 24 - электрод нагревателя, 25 - дополнительный датчик уровня жидкости испарителя и 26 - электрод датчика.
Система отопления содержит (см. фиг. 1) образующие замкнутый контур насос-нагреватель 1, снабженный всасывающим патрубком 7 и нагнетательным патрубком 6, подающую магистраль 2 для теплоносителя, по меньшей мере, один нагревательный прибор 3, например, в виде отопительного радиатора, обратную магистраль 4 для теплоносителя и емкость 5 для теплоносителя, сообщающуюся с атмосферой. Система отопления снабжена устройством управления (на чертежах не показано), выполненным на основе коммутирующих элементов, например по аналогии с ближайшим аналогом, и подключенным к насосу-нагревателю 1, а также датчиком температуры (на чертежах не показан), который установлен, например на нагревательном приборе 3, и подключен к устройству управления.
Насос-нагреватель 1 содержит (см. фиг. 2) корпус 8 из полимерного материала, например, цилиндрической формы, с крышкой 9 из полимерного материала, в результате соединения которых образована герметичная рабочая камера 10. В выполненных в крышке 9 отверстиях установлены выполненные из полимерного материала всасывающий патрубок 11 и нагнетательный патрубок 12, соответственно, снаружи и внутри рабочей камеры 10 с обеспечением герметичности их присоединения, причем входное отверстие нагнетательного патрубка 12 размещено в донной части корпуса 8 на расстоянии от дна рабочей камеры 10 не менее 3 мм. Всасывающий патрубок 11 и нагнетательный патрубок 12 снабжены, соответственно, прямым клапаном 17 и обратным клапаном 18. Кроме того, всасывающий патрубок 11 содержит пробку 16, герметично установленную в верхней его части с помощью резьбового соединения.
Насос-нагреватель 1 снабжен датчиком 19 уровня жидкости рабочей камеры, который установлен на электроде 26 датчика, герметично закрепленном в крышке 9 с помощью изолятора (на чертежах не показан), и расположен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка 12 для предотвращения попадания пара в нагнетательный патрубок 12 при окончании стадии нагнетания теплоносителя из рабочей камеры 10. Установка датчика 19 уровня жидкости рабочей камеры выше входного отверстия нагнетательного патрубка 12 более, чем на 0,3 см, нецелесообразна, так как приводит к существенному снижению объема нагнетаемого теплоносителя.
Насос-нагреватель 1 также содержит испаритель, который выполнен из полимерного материала в виде полого открытого сверху стакана 13, имеющего, например цилиндрическую форму, и установленного в верхней части корпуса 8 на нагнетательном патрубке 12. Объем стакана 13 испарителя составляет около 10% от объема рабочей камеры 10. Испаритель снабжен резистивным нагревательным элементом 14, который установлен в донной части стакана 13 на двух электродах 24 нагревателя, герметично закрепленных в крышке 9 с помощью изоляторов. В донной части стакана 13 установлен датчик 20 уровня жидкости испарителя, установленный на электроде 26 датчика, герметично закрепленном в крышке 9 с помощью изолятора (на чертежах не показан). Испаритель также содержит дополнительный нагревательный элемент 15, который установлен в верхней части стакана 13 на двух электродах 24 нагревателя, герметично закрепленных в крышке 9 с помощью изоляторов. В верхней части стакана 13 установлен дополнительный датчик 25 уровня жидкости испарителя, установленный на электроде 26 датчика, герметично закрепленном в крышке 9 с помощью изолятора (на чертежах не показан).
Датчик 19 уровня жидкости рабочей камеры, датчик 20 уровня жидкости испарителя и дополнительный датчик 25 уровня жидкости испарителя выполнены подобно датчикам, используемым в рассмотренных выше аналогах. Нагревательный элемент 14 и дополнительный нагревательный элемент 15 выполнены, например, из нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм в виде спирали диаметром 5 мм при расстоянии между витками спирали, равном 2,5-3,0 мм.
Насос-нагреватель 1 снабжен активатором 21 конденсации в виде пластины, выполненной из полимерного материала и превышающей по своим размерам в плане размеры в плане стакана 13 испарителя. Пластина активатора 21 конденсации выполнена, например, в виде диска и горизонтально установлена на нагнетательном патрубке 12 над стаканом 13 испарителя ниже выходного отверстия всасывающего патрубка 11 с образованием зазора между ней и кромкой стакана 13 испарителя, равного, например, 0,5-2,0 мм. Диаметр пластины активатора 21 конденсации выбран таким, чтобы между стенками рабочей камеры 10 и пластиной активатора 21 конденсации оставался кольцевой зазор размером 1-5 мм. Так, например, при рабочей камере 10, имеющей диаметр 12 см и объем 6 л, диаметр пластины активатора 21 конденсации и диаметр стакана 13 испарителя составляют, соответственно, 11,5 см и 7 см. Периферийные участки пластины активатора 21 конденсации, расположенные снаружи по отношению к стенкам стакана 13 испарителя, перфорированы с образованием отверстий 23, имеющих диаметр, например, 1-2 мм, а на верхней поверхности пластины активатора 21 конденсации по ее контуру выполнен кольцевой буртик 22.
Два электрода 24 нагревателя нагревательного элемента 14 и два электрода 24 нагревателя дополнительного нагревательного элемента 15 подключены к источнику электропитания (на чертежах не показан), причем один из каждой этих пар электродов 24 нагревателя подключен к источнику электропитания через устройство управления (на чертежах не показано). Электроды 26 датчика 19 уровня жидкости рабочей камеры и датчика 20 уровня жидкости испарителя подключены к управляющим входам устройства управления (на чертежах не показано). В результате этого обеспечивается возможность отключения нагревательного элемента 14 от источника электропитания (при завершении стадии нагнетания) устройством управления по сигналу с датчика 19 уровня жидкости рабочей камеры, когда в результате нагнетания теплоносителя его уровень в рабочей камере 10 понизится до заданного значения, а также подключения нагревательного элемента 14 к источнику электропитания (при начале стадии нагнетания) устройством управления по сигналу с датчика 20 уровня жидкости испарителя, когда уровень теплоносителя в стакане 13 испарителя поднимется выше нагревательного элемента 14. Кроме того, электрод 26 дополнительного датчика 25 уровня жидкости испарителя подключен к управляющему входу устройства управления (на чертежах не показано), что обеспечивает возможность отключения от источника электропитания (на чертежах не показан) дополнительного нагревательного элемента 15, когда в результате парообразования уровень теплоносителя в стакане 13 испарителя опустится ниже уровня, на котором расположен дополнительный нагревательный элемент 15, а также подключения дополнительного нагревательного элемента 15 к источнику электропитания при начале стадии нагнетания после очередного наполнения теплоносителем стакана 13 испарителя.
Система отопления работает следующим образом.
Перед включением системы отопления ее заполняют жидким теплоносителем, например водой или тосолом. Дополнительно для заполнения теплоносителем насоса-нагревателя 1 вывинчивают пробку 16 из всасывающего патрубка 11, предварительно погруженного его прямым клапаном 17 в теплоноситель, находящийся в емкости 5 для теплоносителя, заполняют через образовавшееся отверстие рабочую камеру 10, стакан 13 испарителя и всасывающий патрубок 11 теплоносителем и затем ввинчивают пробку 16.
При подключении электродов 24 через устройство управления к источнику электропитания (на чертежах не показаны) через нагревательный элемент 14 и дополнительный нагревательный элемент 15 протекают электрические токи, нагревающие нагревательный элемент 14 и дополнительный нагревательный элемент 15. Нагревательный элемент 14 и дополнительный нагревательный элемент 15 нагревают теплоноситель, находящийся в стакане 13 испарителя. Поскольку более нагретые слои теплоносителя всегда находятся сверху, то из-за наличия дополнительного нагревательного элемента 15, расположенного в верхней части стакана 13 испарителя, процесс парообразования в верхнем слое теплоносителя, находящегося в стакане 13 испарителя, начинается быстрее. Поскольку прямой клапан 17 всасывающего патрубка 11 закрыт, в результате образования пара давление в рабочей камере 10 повышается, открывается обратный клапан 18 нагнетательного патрубка 12 и под действием давления пара нагретый теплоноситель начинает вытесняться из рабочей камеры 10 через нагнетательный патрубок 12.
Когда в результате парообразования уровень теплоносителя в стакане 13 испарителя насоса-нагревателя 1 понизится ниже уровня расположения дополнительного датчика 25 уровня жидкости испарителя, по сигналу с последнего устройство управления отключает от источника электропитания (на чертежах не показаны) дополнительный нагревательный элемент 15. Далее нагрев теплоносителя в стакане 13 испарителя для образования пара осуществляет только нагревательный элемент 14.
При понижении уровня теплоносителя в рабочей камере 10 в результате его вытеснения через нагнетательный патрубок 12 по сигналу с датчика 19 уровня жидкости рабочей камеры устройство управления отключает от источника электропитания (на чертежах не показаны) нагревательный элемент 14, который благодаря своим свойствам быстро остывает. На этом стадия нагнетания теплоносителя заканчивается.
В процессе рассмотренной стадии нагнетания нагретый теплоноситель, вытесненный из насоса-нагревателя 1, через его нагнетательный патрубок 12 и подающую магистраль 2 для теплоносителя поступает в нагревательный прибор 3, обеспечивающий обогрев отапливаемого помещения. Далее охлажденный теплоноситель по обратной магистрали 4 для теплоносителя поступает в емкость 5 для теплоносителя.
В результате начала конденсации пара давление в рабочей камере 10 насоса-нагревателя 1 незначительно понижается, обратный клапан 18 нагнетательного патрубка 12 призакрывается и приоткрывается прямой клапан 17 всасывающего патрубка 11. В результате этого сначала совсем незначительное количество охлажденного теплоносителя из всасывающего патрубка 11 поступает в рабочую камеру 10 сверху, но не попадает в стакан 13 испарителя непосредственно, а растекается по поверхности пластины активатора 21 конденсации. При этом буртик 22 препятствует отеканию охлажденного теплоносителя с кромок пластины активатора 21 конденсации вдоль стенок рабочей камеры 10 в ее объем, расположенный под пластиной активатора 21 конденсации. Растекающийся по поверхности пластины активатора 21 конденсации охлажденный теплоноситель стекает в объем рабочей камеры 10, расположенный под пластиной активатора 21 конденсации через выполненные в ней отверстия 23. В результате этого капли охлажденного теплоносителя падают вниз в достаточно значительном объеме рабочей камеры 10, ограниченном стенками рабочей камеры 10 и размерами стакана 13 испарителя, что приводит к еще более интенсивной конденсации пара. Более того, поскольку датчик 19 уровня жидкости рабочей камеры установлен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка 12, а входное отверстие нагнетательного патрубка 12 расположено от дна рабочей камеры 10 на расстоянии не менее 3 мм, после окончания стадии нагнетания на дне рабочей камеры 10 остается слой теплоносителя высотой не менее 3 мм. При ударах в этот слой теплоносителя падающих сверху капель охлажденного теплоносителя возникают брызги, которые приводят к еще более интенсивной конденсации пара в донной части рабочей камеры 10.
Далее вследствие снижения давления в рабочей камере 10 из-за конденсации пара обратный клапан 18 нагнетательного патрубка 12 окончательно закрывается и через полностью открытый прямой клапан 17 всасывающего патрубка 11 рабочая камера 10 наполняется теплоносителем из емкости 5 для теплоносителя. Когда уровень теплоносителя в рабочей камере 10 поднимется до уровня кромок стакана 13 испарителя, она начнет заполнять стакан 13 испарителя через зазор между пластиной активатора 21 конденсации и кромкой стакана 13 испарителя. При этом, поскольку более нагретые слои теплоносителя находятся сверху, стакан 13 испарителя заполнится теплоносителем, нагретым в наибольшей степени, что в дальнейшем обеспечивает уменьшение времени нагрева теплоносителя в стакане 13 испарителя до парообразования, сокращая длительность стадии нагнетания теплоносителя.
Когда в результате наполнения теплоносителем рабочей камеры 10 и стакана 13 испарителя все три датчика (датчик 19 уровня жидкости рабочей камеры, датчик 20 уровня жидкости испарителя и дополнительный датчик 25 уровня жидкости испарителя) станут контактировать с теплоносителем, устройство управления вновь подключит электроды 24 нагревателя нагревательного элемента 14 и дополнительного нагревательного элемента 15 к источнику электропитания (на чертежах не показан), чем обеспечивается очередной цикл нагревания теплоносителя, его парообразования и нагнетания нагретого теплоносителя в подающую магистраль 2 для теплоносителя и нагревательный прибор 3.
Наличие датчика температуры (на чертежах не показан), который установлен на нагревательном приборе 3, и подключен к устройству управления (на чертежах не показано), позволяет устройству управления регулировать продолжительность циклов нагревания, парообразования, нагнетания, конденсации и всасывания теплоносителя насосом-нагревателем 1 так, чтобы температура нагревательного прибора 3 поддерживалась вблизи заданного значения.
Таким образом, полезная модель обеспечивает повышение коэффициента полезного действия системы отопления.