ВАКУУМ-ПАРОВАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ
VACUUM STEAM HEATING SYSTEM

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к энергосберегающим технологиям, система предназначена для автономного отопления жилых, общественных и производственных зданий.
Для высокоэффективной передачи теплового потока от источника тепловой энергии применена вакуум-паровая система, работающая по замкнутому испарительно-конденсационному циклу с высокой скоростью молярного переноса теплоты паром.
Вакуум-паровая система включает в себя: паровой котел, снабженный блоком автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя, приборами визуального контроля температуры промежуточного теплоносителя и давления в паросборнике, а также предохранительный клапан, обеспечивающий безопасность работы котла (в случае возникновения аварийной ситуации), в эту же систему входят горизонтально расположенный распределительный паропровод с капиллярным устройством для возврата конденсата в котел, вертикальные паропроводы подачи пара к разводящим паропроводам, расположенным горизонтально и служащим для подачи пара и возврата конденсата из поэтажных систем теплообмена. Кроме того, имеются нагревательные приборы (стальные штампованные радиаторы), присоединенные к разводящим трубопроводам. Для сбора воздуха, скапливающегося в конце разводящих паропроводов, предусмотрены отвакуумированные воздухосборники. Сюда же входит вспомогательное устройство для создания разрежения при запуске вакуум-паровой системы, заправки котла промежуточным теплоносителем (вода, антифриз и т.д.), сбора и удаления растворенного в промежуточном теплоносителе воздуха, выделяющегося при парообразовании, устройство установлено в тупиковом (концевом) участке распределительного паропровода, высокий КПД системы отопления достигается минимальными затратами энергии при передаче теплового потока от источника тепла к потребителям и центральным количественным регулированием расходом пара, который обеспечивается блоком автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя.
Известна вакуум-паровая система, включающая в себя котел с паросборником, нагревательные приборы, соединенные посредством кранов с паропроводом, конденсатоотводчик с конденсатопроводом и устройство для создания вакуума (Патент РФ №2195608, F24D 1/00 от 27.12.20.02). В ходе эксплуатации данной системы существует большая вероятность потери герметичности, также в ней не предусмотрено регулирование расходом энергоносителя и взрывобезопасность котла.
Кроме того, известна система отопления двухступенчатой передачи теплового потока от источника тепла к потребителю, которая содержит подающий и обратный трубопроводы подвода теплового потока от источника тепла к тепловым трубам, собранным сегментами (инновационный патент РК №25830, от 15.08.2007). Недостатком этой системы является малая площадь поверхности нагрева первой ступени промежуточного теплоносителя тепловой трубы (сегмента), большое гидростатическое давление при передаче теплового потока первой ступенью (гравитационной водяной системой), и как следствие этого, снижение КПД системы, особенно при передаче теплового потока в многоэтажных зданиях.
Наиболее близким аналогом является вакуум-паровая система поквартирного отопления, которая содержит топочное устройство для сжигания топлива, нагревательные приборы и разводящие паропроводы, замкнутые с двух сторон, внутренняя полость которых отвакуумирована, заполнена легко испаряющейся жидкостью (АС №533799, F24D 12/00, от 30.10.76). Недостатком этой системы является отсутствие центрального и местного количественного регулирования расхода пара, неравномерность теплопередачи по каждой ветви разводящих паропроводов и отсутствие системы регулирования расходом энергоносителя и обеспечение взрывобезопасности паропроводов.
Задачей изобретения является создание системы отопления с эффективным использованием энергоносителя (природного газа, электричества и т.д.), применение недорогостоящих материалов при устройстве системы, обеспечение надежной и безопасной работы, упрощение обслуживания и эксплуатации, снижение металлоемкости при монтаже системы.
Технический результат достигается тем, что передача теплового потока производится вакуум-паровой системой отопления, основанной на сверхпроводимости тепловой энергии с высоким коэффициентом теплопередачи, что позволяет снизить энергопотребление, применить недорогостоящие материалы (трубы из низкоуглеродистой стали, обычные фитинги и запорную арматуру), благодаря вводу в систему воздухосборников и вспомогательного устройства для вакуумирования, заправки промежуточным теплоносителем, сбора и удаления воздуха.
Ввод в систему воздухосборника и вспомогательного устройства позволяет максимально удалить при работе системы растворенный в промежуточном теплоносителе воздух, который также является причиной образования так называемых «холодных участков» в тупиковых зонах горизонтально расположенных паропроводов. Ввод блока автоматического регулирования подачи энергоносителя в паровой котел позволяет произвести центральное количественное регулирование расходом пара, система блокировки подачи энергоносителя и предохранительный клапан обеспечивают взрывобезопасность котла. Минимальный объем заправки котла промежуточным теплоносителем позволяет снизить затраты энергоносителя для быстрого прогрева всей системы.
На фиг. 1 изображена вакуум-паровая система отопления.
абс
абс
Вакуум-паровая система отопления включает: котел 1, паросборник 2 топочное устройство 3, кран 4 для слива промежуточного теплоносителя, указатель уровня 5 залитого промежуточного теплоносителя, предохранительный клапан 6, блок автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя 7 датчики температуры нагрева промежуточного теплоносителя и давления пара, прибор для визуального контроля давления пара - мановакуумметр. Горизонтальный распределительный паропровод (Т 7), состоящий из стального трубопровода 8, капиллярного устройства 9 из гофрированной плетеной стальной сетки и теплоизоляции транспортной зоны паропровода 10. Одним концом паропровод посредством фланцевого соединения присоединен к паросборнику котла, а другим при помощи фланцевого соединения и вакуумного крана 11 присоединен к патрубку вспомогательного устройства, состоящего из полого корпуса 12 и присоединенных к нему воздушного крана 13 для создания разрежения вакуумным насосом, вентиля 14 для заправки системы промежуточным теплоносителем (вода, антифриз) и мановакуумметра. В систему введен вертикальный паропровод (Т 7), состоящий из стального трубопровода 15 и теплоизоляции транспортной зоны 16. Между вертикальным паропроводом и распределительным расположен вакуумный кран 17. Верхний конец вертикального паропровода заглушен. К вертикальному паропроводу присоединена система передачи скрытой теплоты парообразования помещениям, состоящая из горизонтально расположенных разводящих паропроводов 18, нагревательных приборов 19 (стальных штампованных радиаторов), вертикально расположенных паропроводов 20, вакуумных кранов 21. К ним присоединены воздухосборники, состоящие из полого корпуса 22 и воздушного крана 23. Вакуум-паровая система работает следующим образом: вакуумные краны 11, 13, 17, 21 приводятся в положение «открыто», воздушный кран 23 и вентиль 14 в положение «закрыто» крану 13 присоединяется армированный шланг для присоединения к вакуумному насосу. После включения насоса по показанию мановакуумметра, установленного на вспомогательном устройстве создается разряжение с абсолютным давлением Р=0,03 МПа, после чего вакуумные краны 11, 21 и воздушный кран 13 приводятся в положение «закрыто». К вентилю 14 присоединяется шланг тарированной емкости с промежуточным теплоносителем, количество которого строго дозировано с учетом смачивания капиллярного устройства распределительного паропровода. Визуальный контроль заполнения котла осуществляется по указателю уровня 5. После заполнения котла вентиль 14 и вакуумный кран 11 приводится в положение «закрыто». После подачи энергоносителя в топочное устройство 3 и включения в работу котла, при достижении температуры нагрева промежуточного теплоносителя 76°С происходит образование теплоносителя системы-пара. В процессе кипения промежуточного теплоносителя выделяется растворенный в нем воздух, в составе которого водород и кислород, сокращающие срок службы элементов системы. Выделенный при кипении воздух образует в тупиковых участках горизонтально расположенных распределительного и разводящих паропроводов так называемые «холодные участки». При достижении абсолютного давления пара внутри системы Р=0,07 МПа следует удалить воздух из тупиковых участков паропроводов открытием кранов 11 и 21. После полного удаления «холодных участков» краны 11 и 21 привести в положение «закрыто». Воздушные краны 13 и 23 привести в положение «открыто» для повторного создания первоначального разрежения внутри вспомогательного устройства и воздухосборников. После создания разрежения краны 13 и 23 привести в положение «закрыто». Диапазон рабочих параметров вакуум-паровой системы: давление вакуумирования пара 0,02 - 0,085 МПа, температура 60 - 95°С.
абс
абс
абс
абс
Блок автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя 7, обеспечивает работу котла в пределах указанных выше параметров, тем самым осуществляя центральное количественное регулирование расходом теплоносителя, блокировка подачи энергоносителя срабатывает в двух случаях: при внезапном прекращении подачи энергоносителя из системы энергоснабжения и при росте избыточного давления пара до максимального допустимого значения Р=0,09 МПа. Предохранительный клапан 6 настроен на предельно допустимое значение давления пара Р=0,095 МПа. При достижении этого значения клапан произведет сброс избыточного давления пара из паросборника 2 в атмосферу. После того как из системы будет удален весь воздух, растворенный в промежуточном теплоносителе, работа котла приостанавливается, производится контроль разрежения (вакуума) в системе по мановакуумметру, установленному на котле, при необходимости, если разрежение в системе будет меньше Р=0,02 МПа, открытием крана 11 производится создание требуемого разрежения при помощи вспомогательного устройства, в котором создано более низкое разрежение (вакуум) Р=0,01 МПа. Система готова к запуску и эксплуатации.
Особенностью данной системы является то, что распределительный паропровод снабжен капиллярным устройством, обеспечивающим возврат конденсата с сохранением стабильной теплопередачи при угле 0°30′ монтажа паропровода относительно плоскости пола подвального помещения, позволяя без затруднений вписать его в рабочее пространство котельной, передача теплового потока от котла посредством вертикальных паропроводов к разводящим паропроводам и самотечный возврат конденсата в распределительный паропровод и далее в котел аналогичны процессу тепломассообмена, происходящего в двухфазных тепловых трубах (термосифонах) с высоким коэффициентом теплопередачи, незначительным гидростатическим давлением и малым объемом промежуточного теплоносителя в котле, обеспечивая тем самым высокоэффективную теплопередачу в высотных жилых, общественных производственных зданиях, что в конечном итоге приводит к высокому КПД системы, равному 0,90. Взрывобезопасность котла обеспечивается заправкой строго дозированного объема промежуточного теплоносителя для предотвращения перехода термодинамического состояния пара от влажного насыщенного в сухой и блоком автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя, который также осуществляет и центральное количественное регулирование расходом пара.
Особенностью данной системы является то, что распределительный паропровод снабжен капиллярным устройством, обеспечивающим возврат конденсата с сохранением стабильной теплопередачи при угле 0°30′ монтажа паропровода относительно плоскости пола подвального помещения, позволяя без затруднений вписать его в рабочее пространство котельной, передача теплового потока от котла посредством вертикальных паропроводов и самотечный возврат конденсата в распределительный паропровод и далее в котел аналогичны процессу тепломассообмена, происходящего в двухфазных тепловых трубах (термосифонах) с высоким коэффициентом теплопередачи, что в конечном итоге приводит к высокому КПД системы, равному 0,90 экономии энергоносителя до 55%. Взрывобезопасность котла обеспечивается заправкой строго дозированного объема промежуточного теплоносителя для предотвращения перехода термодинамического состояния пара от влажного насыщенного в сухой и блоком автоматического регулирования и блокировки подачи энергоносителя, который также осуществляет и центральное количественное регулирование.