ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ

Изобретение относится к Теплотехнике, области использования тепловой энергии полученной иначе, чем в случае экзотермических окислительно-восстановительных процессов. Предлагается система отопления, в которой тепловая энергия получается в результате разрушения межмолекулярных связей теплоносителя. Излишки тепловой энергии накапливаются теплоаккумуляторами и по мере необходимости выдаются потребителям, при этом происходит усреднение температурного градиента воздуха внутри помещения. В случае необходимости экстренного повышения температуры воздуха в помещении и создания комфортных условий, в предлагаемой системе отопления предусмотрена принудительная передача тепловой энергии от жидкого теплоносителя к воздуху путем продува последнего через радиатор - теплообменник. Такая система может применяться для поэтажного, поквартирного отопления и горячего водоснабжения в ЖКХ, при организации временного жилья в рамках МЧС, для отопления отдельно расположенных объектов производственного и гражданского назначения. Ввиду того, что в предлагаемой системе отопления тепловая энергия получается не путем химического разрыва молекулярных связей, а чисто путем физического, а именно гидродинамического воздействия, и при этом в работе системы отопления не используется кавитационный эффект, предлагаемое изобретение можно применять в самом широком спектре технологических задач.
Известен способ микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде. Патент №2343003 RU.
Известна поверхность твердого тела, обтекаемая вязкой средой. Патент №2333402 RU.
Известны микровихревые дезинтеграторы, использующие в своей работе способ микровихревого измельчения и реструктуризации в вязкой среде. Заявка на патент №2011116354 от 26.04.2011.
Известна вихревая система отопления по патенту №2137983 RU, работающая на основе эффекта Ранка-Хильша. Система содержит заключенный внутри герметичной теплообменной камеры тепловой насос в виде вихревой трубы, соединенной с лопастным насосом. Система содержит два ультразвуковых излучателя с резонансной по отношению к применяемой жидкости частотой. Недостатком этой конструкции является постоянное ультразвуковое излучение и, как следствие, разрушающее действие кавитации на рабочие органы теплогенератора.
Известен теплогенератор и устройство для нагрева жидкостей по патенту №2045715 RU, принцип работы которых основан на перемещения жидкости по спиралеобразной траектории с использованием дополнительного разгона жидкости внутри теплового насоса и на замедлении в дополнительном тормозном устройстве. Недостатком этой конструкции является недостаточно высокая эффективность нагрева.
Известно устройство для получения тепла по патенту №2054604 RU, в котором в локальной области вещества в момент исчезновения кавитационного пузырька (его захлопывания) происходят ядерные реакции с выделением большого количества энергии. Энергия, выделяющаяся в активной зоне, преобразуется в жидкости в тепло. Недостатком этой конструкции является наличие кавитации и ядерных реакций, которые, по-видимому, приводят к возникновению радиоактивных излучений.
Известен способ воздушного отопления по патенту на полезную модель №97482 RU, основанный на нагреве воздуха от различных систем нагрева. Недостатком этого способа является то, что система не может работать в импульсном режиме, а следовательно не может в должной мере экономить энергию.
В качестве прототипа выбран способ воздушного отопления по патенту 2202074 RU, в котором осуществляется смешивание в эжекторе горячего воздуха от теплогенератора с холодным из помещения, причем подсос холодного воздуха осуществляют с нижней точки помещения посредством эжектора, через который выходит смешанный воздух с заданной постоянной температурой. Недостатком этого способа является то, что не происходит рекуперация теплого воздуха, находящегося в верхней части помещения (под потолком).
Мною предлагается энергосберегающая система отопления, использующая способы по патентам 2343003 RU, 2333402 RU и микровихревые дезинтеграторы - тепло-генераторы. На Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 показана принципиальная схема предлагаемой системы отопления, состоящей из жидкого вязкого теплоносителя 22, микровихревого теплогенератора 1, насоса 30 системы принудительной прокачки нагретого теплоносителя по трубопроводам 4 и 13 от теплогенератора 1 к теплоаккумуляторам 2 и радиаторам-теплообменникам 11, устройства принудительного перемешивания воздуха в помещении 31, радиатора - теплообменника 11, расширительного бака 7 и/или гидроаккумулятора и системы управления, включающей контроллер 8, исполнительные механизмы, в частности переключатель потока воздуха 3, а также преобразователи и датчики 14, 18 и 28.
Теплоноситель нагревается в теплогенераторе 1 и при помощи насоса 30 системы принудительной прокачки нагретого теплоносителя подается в теплоаккумуляторы 2 и/или радиаторы - теплообменники 11. Теплоаккумуляторы накапливают излишки тепловой энергии и по мере необходимости выдают потребителям по средствам устройства принудительного перемешивания воздуха в помещении 31.
О температуре внутри помещения мы судим по температуре воздуха, находящегося в этом помещении. Основным критерием пригодности системы отопления для помещений, где находятся люди, животные, растения или оборудование, нуждающееся в микроклимате, является поддержание оптимальной температуры воздуха с наименьшим потреблением энергии. Замеры распределения температуры воздуха по высоте помещения показывают в помещении наивысшую температуру воздуха у потолка 15 и низшую у пола 16.
Горячий воздух вследствие меньшей плотности всегда поднимается вверх к потолку 15 и там остается, а у пола 16, где находятся обитатели помещений (люди, животные, растения), скапливается холодный воздух большей плотности. Традиционные системы отопления в основном греют воздух у потолка 15, а не у пола 16, где находятся обитатели помещений. Такое распределение тепла внутри помещений не является комфортным, поэтому в предлагаемой системе отопления применяется естественное и/или принудительное перемешивание воздуха. На Фиг.2. показано устройство принудительного перемешивания воздуха в помещении 31, которое состоит из вентилятора 6, воздушного фильтра 27 и воздуховода 5 и призвано перемешивать горячий и холодный воздух внутри помещения. При возникновении разницы температуры воздуха более 1°С у пола и у потолка, которая фиксируется датчиками 14, контроллер 8 включает вентилятор 6, и теплый воздух из потолочной зоны начинает двигаться по воздуховоду 5, находящемуся внутри теплоаккумулятора 2, нагревается от стенок теплоаккумулятора 32 и поступает в зону пола 16, смешиваясь с холодным воздухом. При этом происходит усреднение температурного градиента воздуха внутри помещения. Когда градиент температур воздуха в помещении падает меньше 1°С, контроллер отключает вентилятор 6. Для предотвращения запыления помещения в воздуховод 5 ставится воздушный фильтр 27.
Исходя из конструктивной целесообразности, количество микровихревых теплогенераторов 1 в предлагаемой системе отопления может быть больше одного. Такая конструктивная схема может применяться для поэтажного или поквартирного отопления.
Исходя из конструктивной целесообразности, количество теплоаккумуляторов 2, радиаторов - теплообменников 11 и устройств перемешивания воздуха 31 в предлагаемой системе отопления может быть больше одного. Такая конструктивная схема может применяться для квартир и домов с большим количеством отдельных помещений. Кроме этого один теплоаккумулятор 2 может отапливать два и более помещения, как это показано на Фиг. 2. При этом теплоаккумулятор 2 может размещаться как в стенах 20, так и в полу 16 помещения и/или быть конструктивно разделенным силовым каркасом здания 25.
Для повышения надежности работы в предлагаемую систему отопления может быть включен аварийный теплогенератор 12, нагрев теплоносителя 22 в котором осуществляется на основе иных физических принципов, нежели чем разрушение межмолекулярных связей теплоносителя 22. Такой аварийный теплогенератор 12, работающий на жидком и/или твердом и/или газообразном топливе вместе с автономным источником электропитания, способен предотвратить вымерзание помещений в результате аварийного отключения электроэнергии.
Для повышения эффективности, исходя из конструктивной целесообразности, в предлагаемой системе отопления могут применяться теплоаккумуляторы 2, в которых тепловая энергия накапливается как за счет повышения температуры теплоаккумулирующего вещества 26, так и за счет энергии фазового перехода твердое тело - жидкость и жидкость - пар. При этом само теплоаккумулирующее вещество 26 в диапазоне температур от - 60°С до + 30°С может быть как твердым, так и жидким.
Для повышения эффективности, исходя из конструктивной целесообразности, в предлагаемой системе отопления могут применяться автономные теплоаккумуляторы 2, которые смонтированы в одном корпусе с теплогенератором 1 и устройством принудительного перемешивания воздуха в помещении 31. Такие теплоаккумуляторы 2, не требующие подвода жидкого теплоносителя 22 к теплоаккумулятору 2, могут устанавливаться в отдельно стоящих помещениях, потребность обогрева которых возникает не постоянно.
Для повышения эффективности, исходя из конструктивной целесообразности, в предлагаемой системе отопления могут применяться теплоаккумуляторы 2, которые смонтированы в полу 16 отапливаемого помещения Фиг. 1, Фиг. 2. Такое размещение теплоаккумулятора 2 позволяет постоянно нагревать нижнюю часть помещения, что создает комфортные условия для обитателей помещений. При размещении теплоаккумуляторов 2 на стенах их целесообразно размещать на внутренних стенах помещений 24, потому что при этом все тепло в любом случае попадает внутрь помещения.
В предлагаемой системе отопления теплоаккумулятор размещается в полах и/или во внутренних стенах помещений. Размещение теплоаккумуляторов 2 на внутренней части наружной стены 17 целесообразно исключать. Если такое размещение по какой-либо причине необходимо, то теплоаккумулятор 2 надо размещать исключительно с применением теплоизоляционного материала 34, предотвращающего отток тепловой энергии, от теплоаккумулятора 2 через наружную стену 17 во внешнюю среду (Фиг. 1.).
На Фиг. 2. показана схема размещения теплоаккумулятора 2, при которой один теплоаккумулятор 2 отдает тепло одновременно двум помещениям, как показано на Фиг. 2. Теплоаккумулятор 2 состоит из двух рядов трубопроводов 23 с теплоносителем 22, при этом трубопроводы 23 с теплоносителем 22 размещаются с разных сторон силового каркаса здания 25. Гипотетически одним теплоаккумулятором 2, размещенным в стене, можно отапливать 2, 3, 4 и более помещений. Такая схема целесообразна с точки зрения экономии материальных ресурсов. Исходя из конструктивной целесообразности, в теплоаккумуляторе 2 может быть более одного ряда трубопроводов 23 с теплоносителем 22, а также ряды трубопроводов 23 с теплоносителем 22 могут размещаться с разных сторон силового каркаса здания 25.
Накапливать тепловую энергию в теплоаккумуляторе 2 целесообразно в ночное время, когда стоимость электроэнергии значительно меньше дневной стоимости. Нагретый теплоаккумулятор 2 сохраняет тепловую энергию и отдает ее в основном в момент включения вентилятора 6 устройства 31, чем управляет контроллер 8 на основании анализа температуры в.помещении, информация о которой поступает с датчиков 14. Для предотвращения поступления избыточного тепла от теплоаккумулятора 2 к воздуху внутри помещения через поверхность 24 поверхность внутренней стены помещения 24 может отделяться от теплоаккумулятора теплоизоляционным материалом 34. Таким образом, воздух в помещении нагревается не постоянно, а дискретно в момент включения вентилятора 6. Такая работа эффективна с точки зрения энергосбережения.
На Фиг. 2 показана схема теплоаккумулятора 2, внутри которого размещено устройство принудительного перемешивания воздуха 31. Устройство 31 выполняет две функции. Во-первых оно перемешивает теплый воздух, скопившийся у потолка и перемещает его в зону холодного воздуха у пола, уменьшая тем самым градиент температур воздуха в помещении. Во вторых воздух, проходя по воздуховоду 5 расположенному внутри теплоаккумулятора 2, нагревается и поступает в помещение нагретым. При этом от стен теплоаккумулятора нагревается уже теплый воздух из зоны потолка, на что затрачивается естественно меньшее количество тепла. Таким образом происходит вторичное использование, рекуперация тепловой энергии, содержащейся в теплом воздухе в потолочной части помещения. Такая схема перспективна с точки зрения экономии тепла, так как происходит одновременно рекуперация и нагрев воздуха.
Для совмещения функции отопления и вентиляции помещения, воздух в воздуховод может подаваться из области, находящейся вне здания. Такая схема применима там, где возникает необходимость периодического проветривания помещения.
Исходя из конструктивной целесообразности, в одном теплоаккумуляторе 2 может устанавливаться несколько устройств принудительного перемешивания воздуха 31. Такая схема применима в тех случаях, когда размеры помещения достаточно велики и для гарантированного перемешивания воздуха в помещении одного устройства 31 не достаточно.
В том случае, когда отапливаемое помещение имеет высокие потолки и весь теплый воздух скапливается в верхней части помещения, для уменьшения градиента температур воздуха по высоте помещения в одном помещении целесообразно устанавливать несколько устройств принудительного перемешивания воздуха 31.
Для экстренного прогрева воздуха в помещении теплоноситель 22, нагретый в теплогенераторе 1, подается в радиатор - теплообменник 11. Воздух из обогреваемого помещения, под воздействием вентилятора 6, принудительно перемещается относительно поверхности теплосъема радиатора - теплообменника 11, и таким образом тепловая энергия передается непосредственно воздуху, без промежуточного нагрева теплоаккумулятора. На Фиг. 4. (Положение 1) показано, что для экстренного прогрева воздух под действием вентилятора 6 устремляется вниз и направляется переключателем потока воздуха 3 через радиатор - теплообменник 11. При этом теплоноситель 22 от теплогенератора 1 подводится напрямую к радиатору - теплообменнику 11, минуя теплоаккумулятор 2. В этом случае происходит быстрый нагрев воздуха в помещении. После увеличения температуры воздуха до комфортного уровня, по команде от контроллера, переключатель потока воздуха 3 поворачивается на шарнире 29 и воздушный поток создаваемый вентилятором 6 проходит через теплоаккумулятор 2, минуя радиатор - теплообменник 11„что показано на Фиг.4. (Положение 2). Такая схема рациональна с точки зрения экономии времени, необходимого для нагрева воздуха в помещении.
Для повышения эффективности, исходя из конструктивной целесообразности, в предлагаемой системе отопления устройство принудительного перемешивания воздуха 31 конструктивно может размещаться отдельно от теплоаккумулятора в отдельном корпусе Фиг.5. Такая конструктивная схема может применяться в помещениях большой площади с высокими потолками для усреднения вертикального градиента температуры воздуха, когда одного теплоаккумулятора для нагрева помещения достаточно, а одного устройства принудительного перемешивания воздуха 31 не достаточно для усреднения вертикального градиента температуры воздуха. При этом для создания комфортных условий выравнивание градиента температур необходимо осуществлять в удаленных друг от друга точках помещения.
Исходя из конструктивной целесообразности, воздуховод 5 устройства принудительного перемешивания воздуха 31 может выполняться из гибкого материала. Такая конструкция позволит не только упростить монтаж устройства принудительного перемешивания воздуха 31, но и выравнивать градиент температуры воздуха в помещении как по вертикали, так и в плоскости помещения.
В целях повышения интенсивности тепло- массообмена, а следовательно и энергоэффективности системы отопления в целом, в предлагаемой системе отопления поверхности теплообмена, относительно которых перемещается жидкий теплоноситель и/или воздух, изготавливаются из материала с высокой теплопроводностью и покрыты микрорельефом, интенсифицирующим тепломассообмен. Интенсификация тепло- массообмена приводит к сокращению материальных ресурсов (конструктивно теплообменники занимают меньше места и обладают меньшей массой) и сокращает время прокачки теплоносителя 22 и/или воздуха из обогреваемого помещения относительно поверхностей теплообмена, что в свою очереди приводит к экономии электроэнергии.
Для повышения энергоэффективности предлагаемой системе отопления теплогенератор 1 работает не постоянно, а в импульсном режиме только в случае нехватки тепловой энергии в теплоаккумуляторах 2 и/или снижения температуры воздуха в помещении. Такой режим работы выбирается с целью экономии электроэнергии.
Для повышения энергоэффективности предлагаемой системе отопления всей системой отопления управляет контроллер, который собирает данные с датчиков температуры, влажности и давления, анализирует поступившую и информацию и вырабатывает управляющие сигналы на включение процесса теплогенерации и/или принудительной прокачки жидких и газообразных теплоносителей в системе отопления во всех помещениях и/или в отдельно взятых. Управление предлагаемой системе отопления контроллером позволяет оптимизировать уровень комфортности и энергозатраты для потребителя в соответствии его персональными требованиями.
Для повышения энергоэффективности предлагаемой системе отопления также предусмотрено объединение система отопления с системой горячего водоснабжения. Объединение в данном случае предлагается исходя из тех соображений, что нет необходимости в дополнительном подводе к помещениям тепловой энергии. В случае такого объединения предлагаемой системы отопления и горячего водоснабжения в системе горячего водоснабжения целесообразно ставить отдельный теплоаккумулятор для повышения надежности и комфортности всей системы.
В целях предотвращения негативных явлений, связанных с размножением микрофлоры в воздуховодах 5 устройства принудительного перемешивания воздуха 31, воздух подвергается микробиологической санации. Такая обработка воздуха может производится например ультрафиолетовым излучением при помощи ультрафиолетовой лампы 33, включаемой с той же периодичностью, с которой включается вентилятор 6 в устройстве принудительного перемешивания воздуха 31, что показано на Фиг. 2.
В целях предотвращения негативных явлений, связанных с запылением воздуха, в воздуховодах 5 устройства принудительного перемешивания воздуха 31 устанавливаются воздушные фильтры 27, как показано на Фиг. 2. Фильтрация воздуха полезна по гигиеническим соображениям, а также повышает комфортабельность условий обитания и улучшает потребительские качества системы.
В целях создания комфортных условий обитания воздух, проходя через воздуховоды 5 системы 31, подвергается не только санации, но и увлажнению, что благотворно влияет на здоровье людей и животных.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в снижении энергопотребления за счет использования микровихревого теплогенератора, управляющего контроллера, теплоаккумулятора и устройства принудительного перемешивания воздуха.
Предлагаемое изобретение обеспечивает:
- экономию тепловой энергии без дополнительных энергозатрат за счет использования микровихревого теплогенератора и оптимального распределения температуры воздуха по высоте помещения;
- устранение градиента температуры воздуха по высоте помещения и создание комфортных условий обитания;
Система отопления по данному изобретению была изготовлен и испытан с положительными результатами фирмой DAB «Aljara&Co» (Литва)
Краткое описание иллюстраций. Фиг. 1. - Принципиальная схема предлагаемой системы отопления;
Фиг. 2. - Конструктивная схема внутренней стены помещения, совмещенной с те-
плоаккумулятором;
Фиг. 3. - Конструктивная схема теплоаккумулятора в котором теплоаккумулиующее вещество, устройство принудительного перемешивания воздуха в помещении и
теплообменник с теплоносителем находятся в одном корпусе;
Фиг. 4. - Различные варианты работы теплоаккумулятора;
Фиг. 5. - Устройство принудительного перемешивания воздуха в помещении;
На иллюстрациях цифрами обозначаются следующие объекты.
1. - Теплогенератор;
2. - Теплоаккумулятор;
3. - Переключатель потока воздуха;
4. - Трубопровод подачи горячего теплоносителя от теплогенератора к потребителям тепловой энергии;
5. - Воздуховод устройства принудительного перемешивания воздуха в помещении;
6. - Вентилятор устройства принудительного перемешивания воздуха в помещении;
7. - Расширительный бак и/или гидроаккумулятор;
8. - Контроллер;
9. - Направление движения газообразного теплоносителя - воздуха внутри теплоаккумулятора;
10. - Направление движения жидкого теплоносителя;
11. - Радиатор - теплообменник в корпусе теплоаккумулятора;
12. - Аварийный теплогенератор, нагрев теплоносителя в котором осуществляется иным способом, нежели чем разрушением межмолекулярных связей теплоносителя;
13. - Трубопровод подачи теплоносителя от потребителей тепловой энергии к теплогенератору (обратка);
14. - Датчик температуры воздуха;
15. - Потолок в помещении;
16. - Пол в помещении;
17. - Наружная стена в помещении;
18. - Датчик давления теплоносителя;
19.- Окно;
20. - Внутренняя стена в помещении;
21. - Теплоаккумулятор и радиатор, находящиеся в одном корпусе;
22. - Жидкий теплоноситель;
23. - Трубопроводы с жидким теплоносителем внутри теплоаккумулятора;
24. - Поверхность внутренней стены в помещении;
25. - Силовой каркас здания;
26. - Теплоаккумулирующее вещество;
27. - Воздушный фильтр;
28. - Датчик температуры теплоносителя;
29. - Шарнир;
30. - Насос системы прокачки теплоносителя от теплогенератора к теплоаккумуляторам и радиаторам - теплообменникам;
31. - Устройство принудительного перемешивания воздуха в помещении;
32. - Стенка воздуховода;
33. - Ультрафиолетовая лампа;
34. - Теплоизоляционный материал.