Система теплоснабжения
WATER HEATING SYSTEM

Изобретение относится к водяным системам теплоснабжения, в частности к автономным системам теплоснабжения.
Известна система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя и горячим водоснабжением (RU №2123155, F24D 3/08, опубл. 10.12.1998 г.). Система предназначена для автономного отопления и горячего водоснабжения зданий. Она имеет возможность автономной подпитки котла и расширительного сосуда предварительно подогретой водопроводной водой таким образом, что расширительный бак начинает выполнять роль бака-аккумулятора.
Однако недостатком системы отопления с естественной циркуляцией и горячим водоснабжением является замерзание теплоносителя в расширительном баке и подводящих к нему трубопроводах при отрицательных температурах наружного воздуха окружающей среды.
Наиболее близким по технической сущности является система водяного отопления (RU №2179688, F24D 3/00, F24D 19/10, опубл. 20.02.2002 г.). Система водяного отопления (прототип) представляет собой генератор теплоты, расширительный бак, подающую магистраль, циркуляционный насос, отопительные приборы, регулирующие и запорные вентили. В такой системе на участке циркуляционной магистрали между генератором теплоты и циркуляционным насосом установлен датчик температуры теплоносителя, соединенный по электросхеме с блоком реле управления приводами циркуляционного насоса и сливного клапана, последний снабжен патрубком, свободный конец которого погружен в аварийную емкость, расположенную ниже циркуляционной магистрали, при этом сливной клапан установлен на циркуляционной магистрали перед циркуляционным насосом.
Однако недостатками данного технического решения являются:
- использование электрического циркуляционного насоса, для постоянной циркуляции теплоносителя в системе;
- неустойчивость работы при отключении электроэнергии и водоснабжения системы;
- замерзание теплоносителя в расширительном баке и подводящих к нему трубопроводах при отрицательных температурах наружного воздуха окружающей среды.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание системы, исключающей замерзание теплоносителя в отдельных элементах системы теплоснабжения, расположенных в чердачной неотапливаемой зоне здания, а именно, теплоносителя в расширительном баке и подводящего трубопровода к нему в период отрицательных температурнаружного воздуха окружающей среды без использования электрического циркуляционного насоса, как источника постоянной циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения.
Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание системы теплоснабжения с постоянной естественной циркуляцией теплоносителя и предотвращением его замерзания в расширительном баке и подводящем трубопроводе.
Поставленная проблема решается и технический результат достигается тем, что в системе теплоснабжения, содержащей теплогенератор, расширительный бак, подводящий трубопровод, верхний и нижний разливные трубопроводы, прямой и обратный трубопроводы, теплообменники (радиаторы отопления), контрольный перелив в канализацию, запорно-регулирующие краны, от расширительного бака установлен дополнительный отводящий трубопровод под уклоном 0,005-0,015 м/м к горизонту и имеющий диаметр в 2-2,5 раза меньше верхнего разливного трубопровода, соединенный с левым стояком, при этом отводящий трубопровод присоединен к расширительному баку на уровне 1/3-2/3 его рабочей высоты, а теплогенератор установлен ниже уровня установки самых низких теплообменников (радиаторов отопления), но не более чем на 3 метра.
Установка дополнительного отводящего трубопровода под уклоном 0,005-0,015 м/м обеспечивает гравитационную (естественную) циркуляцию за счет разности плотностей горячего и остывшего теплоносителя и эффекта эжекции (подсасывания), который обеспечивается разностью скоростей движения теплоносителя вследствие различия диаметров трубопроводов.
Установка дополнительного отводящего трубопровода под уклоном более 0,015 м/м нецелесообразна, так как резко возрастут габаритные размеры системы теплоснабжения.
Установка дополнительного отводящего трубопровода под уклоном менее 0,005 м/м нецелесообразна, так как в таком случае затрудняется естественная циркуляция.
Диаметр трубопровода в 2-2,5 раза меньше верхнего разливного трубопровода обеспечивает минимально необходимую циркуляцию теплоносителя в расширительном баке для исключения замерзания теплоносителя в неотапливаемой чердачной зоне здания в период отрицательных температур наружного воздуха окружающей среды за счет более высокого сопротивления труб с меньшим проходным сечением.
Применение трубопровода диаметром менее чем в 2 раза меньше диаметра верхнего разливного трубопровода нецелесообразно, так как значительно возрастает сопротивление движению потока теплоносителя по длине.
Применение трубопровода диаметром более чем в 2,5 раза меньше диаметра верхнего разливного трубопровода нецелесообразно, так как это приведет к уменьшению градиента скоростей теплоносителя в стояковом и отводящем трубопроводах, а, следовательно, ослаблению эжекции.
Присоединение дополнительного отводящего трубопровода к расширительному баку на уровне 1/3-2/3 его рабочей высоты обеспечивает необходимый запас теплоносителя в расширительном баке на случай резкого сжатия или расширения теплоносителя при изменении температуры, а также минимальную разницу гидростатического давления между точками присоединения подводящего и отводящего трубопроводов, определяющую постоянную циркуляцию теплоносителя в расширительном баке.
Присоединение дополнительного отводящего трубопровода к расширительному баку на уровне менее 1/3 его рабочей высоты не позволяет создать необходимый градиент гидростатического давления для обеспечения естественной циркуляции.
А присоединение его к расширительному баку на уровне выше 2/3 его рабочей высоты снижает полезную емкость расширительного бака.
Расположение теплогенератора ниже уровня установки самых низких теплообменников (радиаторов отопления), но не более чем на 3 метра, позволяет достичь максимальной разницы между гидростатическим давлением в высшей и низшей точке системы теплоснабжения и обеспечить полный слив теплоносителя в случае необходимости.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена компоновочная схема системы теплоснабжения, на фиг. 2 представлена монтажная схема системы теплоснабжения, на фиг. 3 представлена схема установки дополнительного отводящего трубопровода в системе теплоснабжения, на фиг. 4 представлена схема подключения радиаторов отопления в системе теплоснабжения.
Система теплоснабжения (фиг. 1) состоит из водопровода холодной воды 1, запорно-регулирующего крана для подачи холодной воды в систему 2, запорно-регулирующего крана 3 для перекрытия теплоносителя на прямом трубопроводе 4, запорно-регулирующего крана 5 на обратном трубопроводе 6, теплогенератора 7, трубопроводов верхнего 8 и нижнего 9 разлива с образованием контура теплоносителя, подводящего трубопровода 10, расширительного бака 11, отводящего трубопровода 12, контрольного перелива 13, канализации 14, левых 15, 17, 19 стояков и правых 16, 18, 20 стояков, теплообменников (радиаторов отопления) 21, 24, 27, байпасов 23, 26, 29 с диаметром в 2-2,5 раза меньше трубопровода верхнего разлива 8, параллельных теплообменников 21, 24, 27, кранов на входе и выходе от теплообменников 22, 25, 28, крана слива системы 30. Расширительный бак 11 оснащен негерметичной крышкой для обеспечения сообщения с атмосферой.
Система теплоснабжения состоит из трубопроводов с диаметрами, соответствующими расходу теплоносителя на участках системы теплоснабжения (фиг. 2). Максимальный общий расход теплоносителя присутствует на участках прямого 4 и обратного трубопроводов 6 диаметром 50 мм, затем общий расход теплоносителя распределяется по трубопроводу верхнего разлива 8 диаметром 40 мм и подводящего трубопровода 10 диаметром 15 мм к расширительному баку 11.
В связи с уменьшением расхода теплоносителя по трубопроводу верхнего разлива 8 трубопровод сужается от 15 до 19 стояков, аналогично от 16 до 20 стояков, соответственно до 32 мм и 25 мм. Стояки 16-20 имеют диаметр равный 25 мм.
Трубопроводы нижнего разлива 9 аналогичны и зеркальны по геометрическим размерам трубопроводам верхнего разлива 8, и устанавливаются под уклоном 0,005-0,015 м/м к горизонту. Дополнительный отводящий трубопровод 12 и трубопровод контрольного перелива 13 имеют равные диаметры - 15 мм.
Дополнительный отводящий трубопровод в системе теплоснабжения состоит из подводящего трубопровода 10 диаметром 15 мм соединяющего прямой трубопровод диаметром 50 мм и расширительный бак 11 (фиг. 3). К расширительному баку 11 присоединен трубопровод контрольного перелива 13, отводящий трубопровод 12 диаметром 15 мм и под уклоном 0,005-0,015 м/м, установленный от расширительного бака на уровне 1/2-2/3 его рабочей высоты и присоединенного к стояку 15.
Радиаторы отопления 21 в системе теплоснабжения присоединены к стояку 15 при помощи трубопроводов 31, диаметр которых равен 20 мм (фиг. 4). На трубопроводах 31 установлены краны 22 на входе и выходе от теплообменников, которые в случае замены теплообменника или аварийной ситуации на этом участке системы перекрываются, не нарушая движение теплоносителя в системе отопления. Между теплообменником 21 и стояком 15 параллельно ему установлен байпас диаметром 15 мм, для движения жидкости в обход радиаторов отопления при закрытых кранах 22 и для создания эффекта эжекции (подсасывания) теплоносителя, проходящего через радиатор отопления 21 при открытых кранах 22.
Изобретение осуществляется следующим образом.
В системе теплоснабжения с естественной циркуляцией на водопроводе холодной воды 1 открывается запорно-регулирующий кран 2 и холодная вода, являющаяся теплоносителем, заполняет систему. Под воздействием давления теплоноситель поднимается по нижним разливным трубопроводам 9, по левым 15, 17, 19 стоякам и правым 16, 18, 20 стоякам и по прямому трубопроводу 4 к верхним разливным трубопроводам 8. Достигая участка соединения верхних разливных трубопроводов и прямого трубопровода 4, теплоноситель заполняет расширительный бак 11, обеспечивающий выход в окружающую среду скопившихся газов в трубопроводе, установленный в чердачной зоне здания, свободный объем которого предназначен для компенсации расширений теплоносителя при повышении температуры. Наличие свободной поверхности жидкости в расширительном баке предотвращает попадание в систему воздуха извне.
Расширительный бак заполняется через подводящий трубопровод 10, диаметр которого равен диаметру дополнительного отводящего трубопровода 12 и байпасов 23, 26, 29. После наполнения расширительного бака на 1/3-2/3 рабочей высоты, он продолжает наполняться и из дополнительного отводящего трубопровода 12, расположенного под уклоном 0,005-0,015 м/м к горизонту.
В момент переполнения расширительного бака, теплоноситель через контрольный перелив 13 уходит в канализацию 14, что сигнализирует об окончательном наполнении системы теплоснабжения. При этом запорно-регулирующий кран 2 перекрывают. В последующем его открывают, когда системе теплоснабжения необходима подпитка горячего теплоносителя холодной водой из водопровода, в связи с потерей теплоносителя из-за естественного процесса испарения.
После заполнения системы теплоснабжения холодным теплоносителем в работу включают теплогенератор 7. Естественная циркуляция в системе теплоснабжения осуществляется путем установки теплогенератора 7 ниже уровня установки самых низких теплообменников (радиаторов отопления) 22, 24, 27. Высота между ними может быть различна, но не должна превышать при этом 3 метров.
Холодный теплоноситель в системе водяного теплоснабжения при нагревании (увеличении температуры) уменьшает свою плотность, т.е. нагретый теплоноситель легче холодного. Следовательно, горячий теплоноситель поднимается вверх по прямому трубопроводу 4, а далее - большая его часть идет по трубопроводам верхнего разлива 8, вытесняя более холодный теплоноситель. Через левые стояки 15, 17, 19 и правые стояки 16, 18, 20 горячий теплоноситель поступает в теплообменники 21, 24, 27, у которых для увеличения скорости теплоносителя установлены байпасы 23, 26, 29 с диаметром в 2-2,5 раза меньше диаметра трубопровода верхнего разлива 10.
На каждом теплообменнике 21, 24, 27 установлены краны 22, 25, 28 соответственно, которые в случае аварийной ситуации на участке каждого теплообменника 21, 24, 27 закрываются, не нарушая движения теплоносителя. В результате остывания вследствие охлаждения теплообменников, плотность теплоносителя увеличивается, (жидкость становится тяжелее), и он, возвращаясь к исходным параметрам до нагрева, поступает по трубопроводам нижнего разлива 9 и обратному трубопроводу 6 в теплогенератор 7, после чего цикл повторяется.
Давление жидкости в точке врезки дополнительного отводящего трубопровода 12 в левый стояк 15 определяется высотой водяного столба от точки врезки до свободной поверхности жидкости в расширительном баке и способствует вытеканию теплоносителя из дополнительного отводящего трубопровода 12 в стояк 15. Кроме того, тройник в месте врезки в стояк 15 способствует эжекции, или «подсасыванию», теплоносителя по отводящему трубопроводу из расширительного бака, вследствие того, что скорость движения теплоносителя в стояке выше скорости его движения в отводящем трубопроводе. В результате, меньшая часть теплоносителя, проходя через прямой трубопровод 4, попадает через подающий трубопровод 10 в расширительный бак, откуда сливается через дополнительный отводящий трубопровод 12 в стояк 15. Таким образом, в зоне тройника происходит смешение теплоносителя, поступающего по трубопроводу верхнего разлива 8 и по дополнительному отводящему трубопроводу 12.
В процессе смешения двух сред происходит выравнивание скоростей и температуры теплоносителя в стояке 15. Вследствие возникающей циркуляции в расширительном баке, более горячий теплоноситель постоянно сменяет постепенно остывающий. Расширительный бак при этом работает, как нагревательный прибор, отдавая тепловую энергию в окружающую среду чердака, и поддерживая стабильно высокую температуру теплоносителя. В силу наличия циркуляции и постоянно горячего теплоносителя в расширительном баке, расположенном в чердачной неотапливаемой зоне пониженной температуры, замерзания теплоносителя не происходит.
В случае аварийной ситуации, или когда необходимо слить теплоноситель, открывается кран 30 и теплоноситель сливается в канализацию 14. При необходимости замены теплогенератора 7, или профилактических работах на нем, для устранения необходимости слива теплоносителя, перекрывается запорно-регулирующий кран 3 на прямом трубопроводе 4 и запорно-регулирующий кран 5 на обратном трубопроводе.
Таким образом, в системе теплоснабжения обеспечивается естественная непрерывная циркуляция теплоносителя без использования циркуляционного электрического насоса в постоянном режиме, исключается замерзание теплоносителя в элементах системы теплоснабжения, а именно в расширительном баке и дополнительном отводящем трубопроводе, в чердачной неотапливаемой зоне здания в период низких температур наружного воздуха.