ВОДЯНОЙ КАЛОРИФЕР
HOT WATER CALORIFER

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах подогрева и кондиционирования воздуха для рудников, заводов и прочих предприятий промышленного, общественного и социально-культурного назначения, предпочтительно для районов Крайнего Севера и других районов страны с низкими температурами.
Выпускаемые отечественной промышленностью водяные калориферы типа КСК, ВИВ (Костромский калориферный завод), ТВВ, КФБ (Электромеханический завод, г. Киселевск), как правило, многоходовые и состоят из параллельно соединенных оребренных теплообменных трубок на всю длину калорифера в каждом ходу в три или четыре ряда (http://kalorifer.net/content/category/3/3/8). Вода, растекаясь по пучку параллельно подключенных теплообменных трубок, значительно теряет скорость потока, что делает калорифер уязвимым к замерзанию теплофикационной воды. Чтобы увеличить надежность работы калориферов (особенно при работе от наружного воздуха, что требуется при приточной вентиляции), увеличивают расход воды сверх расчетного от трех до пяти раз, что приводит к снижению перепадов давления, завышению температуры обратной воды и в целом к разбалансированию системы отопления. Там, где возможности перерасхода теплофикационной воды нет, системы приточной вентиляции работают на рециркуляцию, что не обеспечивает требований СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» по воздухообмену.
В известном калорифере воздух для нагрева подается перпендикулярно плоскости, в которой проходят теплообменные трубки, теплоноситель протекает параллельно по всем трубкам в каждом ходу, обеспечивая перекрестное взаимодействие теплоносителей. Дополнительный недостаток такого калорифера состоит в кратковременности контакта нагреваемого воздуха с теплоносителем в трубках и убывающего по ходу теплоносителя теплового потока в плоскости.
Применение известных калориферов имеет следующие недостатки:
- имеет место крайне неравномерное, убывающее по ходу теплоносителя тепловое поле при сравнительно равномерном по площади потоке воздуха. При этом повышается вероятность разрушения последних по ходу теплоносителя теплообменных трубок (особенно со стороны набегания холодного воздуха) из-за замерзания воды в трубках;
- на практике надежность теплообменных систем приходится обеспечивать путем преднамеренного завышения температуры обратной воды за счет увеличения ее расхода, недогрузки по воздуху или превышения теплообменной поверхности сверх расчетного значения. Все это приводит к значительному перерасходу греющей воды, а значит, снижает экономичность процесса теплообмена;
- низкое гидравлическое сопротивление одиночных отечественных калориферов вызывает через них «короткое замыкание» потока воды в начале сети, что приводит к разрегулированию всей системы, выражающемуся в резком снижении перепадов давления в конце сети. Поэтому на практике в мощных установках применяют последовательное соединение нескольких калориферов для увеличения гидравлического сопротивления;
- кроме того, из чисто технологических соображений не всегда требуется необходимость сборки из 2-х и более калориферов, так как приточные установки малой мощности, составляющие до 40% от общего теплопотребления, имеют поверхность нагрева, соответствующую одному калориферу и менее;
- регулирование системы путем дополнительного дросселирования (шайбирования) резко снижает надежность из-за перемерзания трубок в связи с уменьшением скорости движения воды по трубкам;
- невозможность контроля состояния внутренних поверхностей трубок калорифера по изменению сопротивления калорифера при забивке части трубок продуктами коррозии и другими наносными частицами, приводящее к выходу из строя из-за перемерзания.
Известны импортные водяные калориферы, предназначенные для нагревания воздуха в приточных системах вентиляции и кондиционирования типа WHR, изготовитель SHUFT, Норвегия (http://www.ruclimat.ru/model/print.php?id_model=6390&from=house), WWN/2(3), изготовитель KORF, Германия (http://www.rowen.ru/catalog/64/160/).
Калорифер типа WHR, изготовитель SHUFT, Норвегия (http://www.ruclimat.ru/model/print.php?id_model=6390&from=house), принятый за прототип, состоит из теплообменных трубок для прохода греющего теплоносителя, на которые насажены пластины или навита спиральная лента оребрения. Трубки по количеству 2-х, 3-х или 4-х рядов (ходов) соединены крутозагнутыми отводами последовательно по ветвям. Все ветви подключены параллельно к двум коллекторам: входному и выходному с патрубками для подключения к магистральным трубопроводам. По всему периметру калорифер обрамлен фланцем из уголковой стали 3 для присоединения его к воздуховодам, диффузорам, вентиляторам и т.д.
Отличительными признаками данной известной конструкции калорифера является повышенная надежность от перемерзания теплоносителя «вода» при работе от наружного воздуха с низкими температурами за счет равномерного температурного поля по высоте калорифера, одинаковой нагрузки на все ветви и более высокого КПД за счет противоточного движения теплоносителей при проходе воздуха через ряды трубок калорифера.
Общими недостатками импортных калориферов и существующих отечественных заводских калориферов являются:
1. Уязвимость от перемерзания трубок из-за малой скорости потока воды при значительном количестве параллельно подключенных трубок в одном ходу отечественного калорифера и значительного количества параллельно подключенных ветвей в прототипе;
2. Невозможность оценить состояние трубок на предмет перекрывания поперечного сечения («забивки») в пучках отечественных калориферов и ветвях прототипа;
3. В случае выхода из строя хотя бы одной трубки выходит из строя весь калорифер;
4. Ограниченный срок службы из-за невозможности периодической профилактической чистки внутренних полостей трубок от наносных частиц;
5. Уязвимость от разрушения трубок при перемерзании в аварийных случаях из-за прекращения подачи теплофикационной воды или ее низких параметров;
6. Субъективность подбора типоразмера отечественного и импортного калорифера.
Общие признаки заявляемого калорифера с прототипом:
1. В каждой ветви прототипа и одной ветви заявляемого заявленного калорифера теплообменные трубки соединяются последовательно по одной в ходу.
2. Схожая конструкция теплообменных трубок (оребрения), конфигурация, наличие типоразмеров.
3. Оба вида калориферов могут устойчиво работать от наружного воздуха с минимальной расчетной температурой за счет повышенной скорости движения воды по трубкам одной ветви для заявляемого калорифера и равномерной нагрузки трубок всех ветвей для прототипа.
4. Перекрестно-противоточное движение теплоносителей у прототипа и заявляемого калорифера.
Технический результат заявляемого изобретения - повышение экономичности, долговечности и надежности водяного калорифера, обеспечение безаварийности работы калорифера при рабочих и аварийных режимах, возможность поддержания стабильности параметров в течение всего срока эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом водяном калорифере, включающем три и более рядов теплообменных оребренных трубок, входной и выходной патрубки, согласно заявляемому изобретению соединение теплообменных оребренных трубок в ряду и рядов между собой выполнено последовательно по одной трубке в ходу в одну ветвь, причем смежные теплообменные трубки в ряду соединены между собой последовательно межтрубными переходами в форме крутозагнутых отводов и снабжены легкосъемными ремонтно-защитными пробками, количество последовательно подключенных трубок в ряду и общее количество ходов во всех рядах выбрано в зависимости от фактических параметров существующей тепловой сети и определено гидравлической характеристикой водяного калорифера.
Указанный технический результат достигается также тем, что в заявляемом водяном калорифере легкосъемная ремонтно-защитная пробка выполнена в виде резьбовой втулки и снабжена защитной мембраной.
Указанный технический результат достигается также тем, что в заявляемом водяном калорифере защитная мембрана выполнена с возможностью разрыва при 1,5-2-кратном превышении рабочего давления теплоносителя при аварийном перемерзании воды в трубках.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид водяного калорифера; на фиг. 2 - водяной калорифер, вид спереди; на фиг. 3 - водяной калорифер, вид слева; на фиг. 4 - водяной калорифер, вид сверху; на фиг. 5 - схема движения теплоносителей (вода-воздух) в системе теплообменных трубок; на фиг. 6 - межтрубный переход с отводом; на фиг. 7 - ремонтная пробка с защитной мембраной; на фиг. 8 - гидравлическая характеристика калорифера.
Заявляемый калорифер (фиг. 1) состоит из теплообменных трубок 1, оребренных или с навитой на трубки спиральной лентой. Теплообменные трубки 1 зафиксированы на трубных досках 2 (фиг. 1 - фиг. 4) с прикрепленными к ним опорами 3 из стальных уголков (фиг. 1 - фиг. 4). Все трубки 1 в каждом отдельном ряду и ряды между собой соединены между собой последовательно по принципу змеевика межтрубными переходами 4 (далее переходы) (фиг. 6) с ремонтно-защитными резьбовыми пробками 5 (фиг. 7) на каждой трубке.
Соединение трубок 1 переходами 4 осуществляется сваркой. Также допустимы способы соединения на клее («Сурметалл», «Белзон», «Спрут») или резьбе.
Ремонтно-защитная резьбовая пробка 5 (далее - пробка 5) снабжена защитной калиброванной мембраной 6 (фиг. 7). Пробка 5 предназначена для чистки и защиты от разрушения теплообменных трубок 1 при их перемерзании и выполнена с возможностью разрушения мембраны 6 (см. фиг. 19) при 1,5-2-кратном превышении давления от перемерзания воды в теплообменных трубках 1.
Соединение теплообменных трубок 1 в ряду и их рядов между собой в ветви выполнено с обеспечением перекрестно-противоточной схемы взаимодействия потоков теплоносителей «вода-воздух». При этом смежные трубки 1 в каждом ряду работают в перекрестном токе взаимодействия теплоносителей «вода-воздух», а смежные ряды трубок - с обеспечением противотока (см. фиг. 5).
Калорифер работает следующим образом. Горячую воду (греющий теплоноситель) из системы отопления (не показана) подают через патрубок 7 в систему теплообменных трубок 1 калорифера и одновременно включают систему подачи подлежащего нагреву холодного воздуха (нагреваемый теплоноситель). Направление подачи нагреваемого воздуха обозначено стрелкой на фиг. 1, 5. Горячая вода движется последовательно по всем теплообменным трубкам 1 в противотоке с поступающим воздухом и через патрубок 8 возвращается в систему отопления, отдавая тепло проходящему через калорифер воздуху.
Последовательное соединение теплообменных трубок 1 в калорифере способствует значительному увеличению скорости движения теплофикационной воды, что обеспечивает незамерзаемость последней при максимальном отборе тепла без ее перерасхода.
Возможность контроля состояния внутренних поверхностей трубок калорифера с известной гидравлической характеристикой (фиг. 8) по изменению сопротивления калорифера при забивке части трубок продуктами коррозии и прочими наносными частицами из теплофикационной сети позволяет избежать аварии калорифера и своевременно принять меры по их очистке.
Чистку внутренней полости трубок 1 осуществляют после снятия (отвинчивания) ремонтно-защитных пробок 5 по мере необходимости или после окончания отопительного сезона.
Отличия прототипа и заявляемого калорифера.
Прототип:
1. Имеет множество параллельных ветвей из последовательно соединенных трубок в ветви, присоединенных к входному и выходному коллектору параллельно;
2. Количество последовательно соединенных трубок в ветви не может быть больше количества рядов;
3. Количество ветвей определяется типоразмером (требуемой нагрузкой);
4. В установках приточной вентиляции применяется один калорифер из типоряда с множеством параллельных ветвей;
5. При выходе из строя одной ветви выбывает из строя весь калорифер;
6. Срок службы, стабильность работы прототипа ограничена невозможностью очистки внутренней полости трубок от наносных частиц (продуктов коррозии, наносных частиц);
7. Промывка реагентом малоэффективна ввиду наличия параллельных ветвей;
8. При замерзании теплоносителя «вода» в аварийных случаях теплообменные трубки разрушаются;
9. Объективная оценка внутреннего состояния невозможна ввиду множества параллельных ветвей в одном калорифере;
10. Для обеспечения надежной работы при низких температурах требуется применение насоса и автоматики регулирования.
Заявляемый водяной калорифер:
1. Имеет одну ветвь с расчетным количеством последовательно соединенных трубок (ходов) в ряду и рядов между собой;
2. Количество ходов последовательно соединенных трубок при соответствующей рядности определяется расчетом, основанным на выборе типоразмера (нагрузки) и параметрами тепловой сети;
3. Ветвь из последовательно соединенных трубок одна;
4. В установках приточной вентиляции имеется возможность подключения параллельно двух и более заявляемых калориферов;
5. При выходе из строя одного калорифера остаются в работе остальные. По конструкции калориферы взаимозаменяемые;
6. Трубки заявляемого калорифера оборудованы легкосъемными резьбовыми пробками для периодической чистки внутренних полостей;
7. Возможна эффективная промывка реагентами благодаря последовательному соединению трубок и одной ветви;
8. Активная защита от разрушения трубок при перемерзании осуществляется защитными калиброванными мембранами в ремонтных пробках;
9. Имеется возможность оценки внутреннего состояния трубок по изменению гидравлического сопротивления ввиду последовательно соединенных всех трубок в одной ветви калорифера;
10. При обеспечении требуемых параметров тепловой сети заявляемый калорифер может работать без насоса и сложной автоматики. Допускается работа с перегрузкой при соответствующем контроле температуры возвращаемой воды.
Были проведены сравнительные испытания заявляемого калорифера и заводского калорифера на теплотехническом стенде, подтвердившие предполагаемый технический эффект, а именно:
- Сокращение металлоемкости калорифера в среднем на 10-12% по сравнению с отечественным и импортным калорифером (прототипом);
- Сокращение расхода теплоносителя и затрат энергии на его перекачивание за счет увеличения эффективности на 20-30%; приведения к расчетному значению соотношения между нагрузкой по воздуху и расходом греющей воды (теплоносителя);
- Исключение перемерзания калорифера от наружного (подаваемого) воздуха в условиях отрицательных температур.
Сокращение эксплуатационных расходов на обслуживание калорифера;
- Увеличение срока службы калорифера и стабильность параметров его работы;
- Сокращение капитальных затрат при производстве монтажно-демонтажных работ;
- Сокращение затрат на капитальный ремонт зданий и сооружений за счет исключения мерзлотных явлений, происходящих при отсутствии избыточного давления воздуха внутри помещений из-за неработоспособности существующих приточных систем с заводскими, а так же импортными калориферами.
- Создание здоровых и комфортных климатических условий внутри зданий и сооружений за счет воздухообмена, соответствующего СНиПам. Особенно для производств с выделением вредных веществ.