ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПУНКТ СУБАТМОСФЕРНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
INDIVIDUAL HEATING UNIT OF SUB-ATMOSPHERIC HEATING SYSTEM

Изобретение относится к области теплоснабжения, а именно к энергосберегающим технологиям. Индивидуальный тепловой пункт (ИТП) с независимой (закрытой) системой отопления, присоединенный к централизованной системе теплоснабжения (ТЭЦ, ЦТП, районной котельной и т.д.), предназначен для производства пара в среде с разрежением (вакууме) для субатмосферных (вакуум-паровых с регулируемой глубиной разрежения) систем отопления, смонтированных в жилых, общественных, производственных зданиях и сооружениях, теплицах, животноводческих фермах и т.д. Изобретение может быть использовано как при строительстве, так и при реконструкции систем теплоснабжения путем устройства ИТП на периферийных точках системы, т.е. на тепловых вводах систем обогрева помещений объектов. В ИТП имеют место основной и дополнительный контур циркуляции, гидравлически разделенные распределительным коллектором подачи перегретой воды и коллектором сбора обратной воды и конденсата из системы обогрева помещений.
Первичный теплоноситель (перегретая вода или конденсат пара высокого давления) из котельной или ТЭЦ подается до центрального теплового пункта (ЦТП), где попадает в теплообменник, это и есть главный контур. Дополнительный контур - это система ИТП вкупе с системой отопления объекта, где вторичный теплоноситель - пар, образованный в парогенераторе в среде вакуума (разрежения) в результате вторичного вскипания, получает тепловую энергию от перегретой воды тепловых сетей и переносит ее с высокой скоростью молярного переноса в среде вакуума к нагревательным приборам помещений объекта, где при конденсации пар отдает все накопленное в себе тепло. Производство пара путем адаптации ИТП к централизованной системе теплоснабжения возможно, если при этом принципиальная схема теплового пункта будет многофункциональной и включит в себя: подсистему забора и учета расхода первичного (промежуточного) теплоносителя для субатмосферной системы отопления - перегретой воды из тепловых сетей; подсистему производства теплоносителя - пара (вторичного теплоносителя); подсистему вакуумиро-вания ИТП совместно с системой обогрева помещений объекта; подсистему возврата обратной воды из подсистемы производства пара и конденсата из системы обогрева помещений в трубопровод обратной воды тепловых сетей посредством коллектора сбора обратной воды и конденсата. Предлагаемый ИТП позволяет осуществить как количественное регулирование температуры пара (регулированием расхода перегретой воды), так и центральное качественное созданием различной глубины вакуума (разрежения) от 0,01 МПа до 0,09 МПа с диапазоном рабочих температур пара от 96°С до 45°С. Данное ИТП потребляет минимальное количество сетевой воды для создания пара, полученного в среде вакуума, количество которого в 1,314 раз меньше, чем требуемое количество сетевой воды для ИТП традиционной водяной системы отопления для передачи одного и того же теплового потока. Потребление электрической энергии подсистемами вакуумирования и возврата конденсата в коллектор сбора обратной воды и конденсата также минимально, т.к. работа насосного оборудования указанных подсистем периодическая. Система теплового пункта проста, надежна и безопасна в эксплуатации, не сложна в обслуживании и ремонтах. Согласно требованиям нормативно-технических документов к размещению теплового пункта, предлагаемый ИТП может быть отдельно стоящим, пристроенным и встроенным в подвальное помещение объекта.
Индивидуальных тепловых пунктов с адаптацией к существующим централизованным пунктам теплоснабжения с целью производства и обеспечения паром субатмосферные системы отопления (вакуум - паровые с регулируемой глубиной разрежения) объектов в международной практике на сегодняшний день не существует.
Учитывая вышеуказанное обстоятельство, для раскрытия сущности данного изобретения примем за противопоставленные аналоги котельные автономных вакуум-паровых систем отопления и ИТП для водяных систем отопления принимая во внимание, что источником тепловой энергии в нашем случае является не паровой котел, а парогенератор для производства пара в среде вакуума.
Известна вакуум-паровая система, которая включает в себя: котел с паросборником, нагревательные приборы, соединенные посредством кранов с паропроводом, конденсато-отводчик с конденсатопроводом и устройство для создания вакуума (Патент РФ №2195608, F24D 1/00 от 27.12.2002). Эта система отличается большой металлоемкостью и высокой вероятностью потери герметичности. В системе не предусмотрена схема для осуществления центрального количественного и центрального качественного регулирования температуры пара и обеспечения взрывобезопасности котла.
Известна установка для нагревания вакуумным паром (первоисточник - публикация, размещенная в интернете, сайт: ngpedia.ru/id427980pl.html "Вакуум-паровая система. Большая энциклопедия нефти и газа"). Установка включает в себя: паровой котел, распределительную линию, стояки для подвода пара, нагревательные приборы, стояки для отвода конденсата, фильтр, вакуум-насос, воздухоотделитель. Недостатком этой системы является последовательно соединенный через воздухоотделитель с паровым котлом постоянно работающий вакуумный насос, потребляющий значительное количество электроэнергии. Высокая вероятность возникновения кавитации в связи с тем, что насос в данной системе откачивает кроме воздуха пар и горячий конденсат, воздухоотделитель в момент удаления воздуха в атмосферу неэффективно возвращает конденсат в паровой котел при наличии в нем избыточного давления, а при абсолютном давлении в котле, меньшем атмосферного, есть большая вероятность всасывания в котел наружного воздуха. Не предусмотрена система взрывобезопасности котла.
Наиболее близким аналогом является известная вакуум-паровая система (первоисточник П.Н. Каменев, А.Н. Сканави, В.Н. Богословский «Отопление и вентиляция, часть 1» Москва, Стройиздат, 1975 г.), в схему устройства которой входят: паровой котел, трубная пароконденсатная обвязка с нагревательными приборами, конденсатоотводчики, конденсатный бак, устройство регулирования параметрами системы, водокольцевой насос для создания разрежения и перекачки конденсата. Недостатки этой системы - высокая вероятность потери герметичности через уплотнительные устройства вакуумного водокольцевого насоса, а также невозможность регулирования мембранным регулятором давления различных значений вакуума, т.к. при применении данного регулятора включение и отключение насоса будет только для одного определенного значения заданного разрежения, для другого значения разрежения потребуется переналадка регулятора. При отключении вакуумного водокольцевого насоса на неопределенное время, прекратится подача конденсата в котел, т.к. насос присоединен к котлу последовательно. Насос должен работать постоянно потребляя значительное количество электроэнергии. Ограничение по устройству теплового пункта с паровым котлом только в подвальном помещении из-за ограничения возврата конденсата в котел при противодавлении пара напору в выкидной линии вакуумного насоса.
Задачей изобретения является создание ИТП с эффективным использованием первичного теплоносителя (перегретой воды с ЦТП, котельной и т.д.) с температурным графиком подачи сетевой воды в широком диапазоне 150/70, 130/70, а также 90/70 с минимальным потреблением электроэнергии вакуумным водокольцевым насосом и перекачивающим конденсатным насосом, применение недорогостоящих материалов, надежной и безопасной работы, создание условий для удобного монтажа и пусконаладки с разбивкой системы на испытательные подсистемы (как в нашем случае), обеспечение простоты в обслуживании и эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что передача теплового потока производится вакуум-паровым способом, основанным на сверхпроводимости тепловой энергии с высоким коэффициентом передачи теплового потока с использованием парогенератора пара (пара вторичного вскипания в среде вакуума) к потребителям по закрытой и замкнутой циркуляционной системе трубопроводов (паропроводов и конденсатопроводов).
Применение вакуум-парового способа теплопередачи позволяет снизить энергопотребление за счет снижения потерь (теплотехнических, в гидравлических сопротивлениях и т.д.) в среде с разрежением, для передачи тепловой энергии к системе обогрева помещений. Для обеспечения транспортировки теплоносителя - пара с низкой температурой применимы недорогостоящие материалы (трубы из низкоуглеродистой стали, металлопластиковые трубы, обычные фитинги, запорная паровая арматура и т.д.). Все это благодаря вводу в систему периодически работающего вакуумного водокольцевого насоса с автоматической системой управления глубиной разрежения с помощью электроконтактного манометра (PGS) в зависимости от состояния системы (степени герметичности) и задаваемых параметров разрежения. Таким образом, регулирование глубины разрежения позволяет произвести также центральное качественное регулирование температуры пара - одно из основных требований нормативно-технических документов к эксплуатации систем отопления и тепловых пунктов. Ввод контроллера уровня (САУ) и электромагнитного клапана подачи перегретой воды в состав парогенератора подсистемы производства пара позволяет произвести заправку парогенератора расчетным, требуемым строго дозированным количеством промежуточного теплоносителя - перегретой воды, что исключает перерасход сетевой воды и обеспечивает взрывобезопасность парогенератора, ввод регулятора расхода перегретой воды в состав подогревателя генератора позволяет обеспечить стабильный процесс парообразования при постоянной исходной температуре промежуточного теплоносителя (без остывания). Ввод в состав бака сбора конденсата уровнемерной колонки с кондуктометрическими датчиками и контроллер уровня (САУ) позволили насосу перекачки конденсата работать в периодическом режиме, что также значительно повышает уровень энергоэффективности ИТП. В случае введения в систему автоматизации контроллера наружной температуры воздуха и обеспечения его совместной работы с блоком контроля и управления (БА) работой вакуумного водокольцевого насоса (ВВН) станет возможным осуществить автоматическую работу ИТП по погодозависимому графику, что является еще одним резервом для значительного повышения энергоэффективности индивидуального теплового пункта.
На фиг. изображена схема индивидуального теплового пункта субатмосферной системы отопления.
Индивидуальный тепловой пункт состоит (см. фиг.) из: 1. Подсистемы забора и учета расхода промежуточного (первичного) теплоносителя - перегретой воды с сетевого трубопровода подачи горячей воды (Т1) из источника централизованного теплоснабжения (ТЭЦ, котельной, ЦТП и др.) и включающей в себя: расходомер перегретой воды 1, задвижку 2, вентиль 3, распределительный коллектор перегретой воды 4 с дренажным вентилем 5 и снабженный манометрическим термометром (TG).
2. Подсистемы производства вторичного теплоносителя - пара, образованного в результате вторичного вскипания в среде с разрежением (вакууме) и включающей в себя: парогенератор отвакуумированного пара 6, представляющего собой теплоизолированную емкость, внутри которой установлен подогреватель 7, служащий для поддержания стабильной исходной температуры поступающей перегретой воды из тепловых сетей от "остывания" в процессе парообразования, поставляемой в периодическом режиме для образования отвакуумированного пара; трубопровод 8 подачи перегретой воды из распределительного коллектора перегретой воды в подогреватель; регулятор расхода перегретой воды 9; трубопровод 10 возврата обратной воды, в составе которого вентиль 11 и обратный клапан 12; коллектор сбора обратной воды и конденсата 13, в составе которого дренажный вентиль 14 и манометрический термометр (TG); задвижку 15, посредством которой коллектор распределения присоединен к трубопроводу обратной сетевой воды (Т2); уровнемерную колонку 16 с кондуктометрическими датчиками контроля уровня воды внутри парогенератора и контроллер уровня (САУ); водоуказатель 17 для визуального контроля уровня воды; трубопровод 18 подачи перегретой воды в парогенератор посредством вентиля 19 и управляемого контроллером (САУ) электромагнитный клапан 20 в положении "нормально открытый"; паропровод подачи отвакууумированного пара 21, присоединенного одним концом к парогенератору посредством вентиля 22, а другим в тепловом вводе (N1) к паропроводу (Т7) системы обогрева помещений объекта (жилых, общественных и производственных зданий и сооружений, теплиц, животноводческих ферм и т.д.); парогенератор снабжен мановакуумметром (PG) и манометрическим термометром (TG), а также дренажным вентилем 23.
3. Подсистемы вакуумирования внутренней полости трубной обвязки и оборудования ИТП, так и системы обогрева помещений объекта, с регулируемой глубиной вакуума, включающей в себя: вакуумный водокольцевой насос (ВВН) 24, в составе которого вентиль 25, трубопровод 26 подачи воды в насос для образования водяного кольца, трубопровод откачки воздуха 27, трубопровод удаления воздуха из ВВН 28, (БА) - блок автоматического контроля и управления периодической работой ВВН; воздухоотделитель 29, в составе которого электромагнитный клапан 30 в положении "нормально закрытый", посредством которого производится удаление воздуха из системы ИТП вкупе с системой обогрева помещений в атмосферу, водоуказатель 31, шаровый кран 32, дренажный вентиль 33.
4. Подсистемы возврата конденсата из системы обогрева помещений в обратный трубопровод сетевой воды (Т2), включающей в себя: перекачивающий насос конденсата 34, в составе которого вентили 35 и 37, трубопровод возврата конденсата 36, присоединенный к коллектору сбора обратной воды и конденсата, в составе которого обратный клапан 38; бак сбора конденсата 39, в составе которого уровнемерная колонка 40 с водоуказателем 41, шаровый кран 42, дренажный вентиль 43, электроконтактный манометр (PGS) для контроля задаваемой, требуемой величины вакуума в процессе эксплуатации и манометрический термометр (TG); присоединенный посредством вентиля 44 к баку сбора конденсата, трубопровод возврата конденсата 45, в составе которого грязевик 46, сетчатый фильтр 47, в свою очередь трубопровод присоединен в тепловом вводе (N2) к центральному конденсатопроводу системы обогрева помещений (Т8).
Перед запуском в работу произведем предварительную подготовку системы ИТП: задвижки 2 и 15 привести в положение "закрыто"; вентили 3, 5, 14, 23, 25, 33, 43 и шаровые краны 32, 42 привести в положение "закрыто"; вентили 11, 19, 22, 35, 37 и 44 привести в положение "открыто"; заполнить умягченной водой воздухоотделитель 29 до номинального рабочего уровня по показанию водоуказателя 31, для этого следует присоединить рукав к вентилю 33, шаровый 32 привести в положение "открыто", открыть вентиль 33, заполнить воздухоотделитель до требуемого уровня, затем привести вентиль и шаровый кран в положение "закрыто". Отсоединить гибкий рукав.
Запуск в работу системы ИТП производится следующим образом:
1. Системы энергоснабжения и автоматики привести в положение "включено".
абс.
в
2. Вентиль 25 привести в положение "открыто", на электроконтактном манометре установить исходную величину вакуума, абсолютная величина которого Р=0,1 бар или Р=0,9 бар.; включить вакуумный водокольцевой насос 24, при этом происходит срабатывание электромагнитного клапана 30, посредством которого производится удаление воздуха из внутренней полости трубной обвязки и оборудования ИТП и системы обогрева помещений объекта. При достижении заданного значения вакуума электроконтактный манометр посредством блока автоматического контроля и управления производит отключение ВВН и приводит электромагнитный клапан в исходное положение.
Таким образом, благодаря созданию независимой подсистемы вакуумирования, параллельной подсистеме возврата конденсата осуществляется периодическая работа ВВН, приводящая к эффективному использованию и экономии электроэнергии. Следует особо отметить, что при обеспечении удовлетворительной герметичности всех разъемных соединений ИТП и системы обогрева помещений, при одном и том же заданном уровне разрежения включение ВВН в работу происходит через длительный промежуток времени (по мере потери герметичности), а если и происходит включение насоса, период работы при этом кратковременный. Обеспечение герметичности регламентировано нормативно -технической документацией и производится проведением испытаний на утечки с испытательной средой 99% воздуха +1% гелия, при поиске утечек применяется гелиевый течеискатель. Испытания на герметичность проводятся на этапе пусконаладочных работ.
в
абс.
3. Произведем подачу перегретой воды из трубопровода сетевой воды (Т1) в коллектор распределения перегретой воды 4, для чего в подсистеме забора и учета расхода воды приведем задвижку 2 и вентиль 3 в положение "открыто", при этом по трубопроводу 18 вода поступает в парогенератор для производства отвакуумированного пара 6, где при достижении заданного уровня воды, контролируемой кондуктометрическими датчиками уров-немерной колонки 16, контроллер уровня (САУ) приведет электромагнитный клапан 20 в положение "закрыто". Перегретая вода при созданном в системе вакууме с величиной Р=0,7 бар преобразуется в пар, при росте избыточного давления до Р=0,7 бар температура пара составит 89,5°С. Образованный пар из парогенератора по трубопроводу 21 поступает в трубопровод пара (Т7) системы обогрева помещений. В процессе образования пара перегретая вода в парогенераторе теряет часть своей энергии, приводящей к падению температуры. Для поддержания начальной температуры воды для стабильного осуществления процесса парообразования с заданными параметрами пара служит подогреватель пара 7. Перегретая вода поступает в подогреватель с расчетным фиксированным расходом с помощью регулятора расхода воды 9, обратная вода возвращается по трубопроводу 10, вентиль 11 и обратный клапан 12 в коллектор сбора обратной воды и конденсата с подсистемы возврата конденсата, а именно с бака сбора конденсата. Рабочий уровень промежуточного теплоносителя - перегретой воды в парогенераторе непрерывно поддерживается за счет работы контроллера уровня (САУ) совместно с кондуктометрическими датчиками уровнемерной колонки 16, для визуального контроля уровня воды служит водоуказатель 17. При достижении нижнего предельного уровня воды по электрическому сигналу с контроллера производится открытие электромагнитного клапана 20, при этом производится подача новой порции перегретой воды в парогенератор.
4. Возврат конденсата в коллектор сбора обратной воды производится подсистемой возврата конденсата.
Конденсат, поступающий из системы обогрева помещений по центральному конденса-топроводу (Т8), пройдя очистку от механических загрязнений в грязевике (фильтре грубой очистки) 46, сетчатом фильтре 47 по трубопроводу 45, посредством вентиля 44 стекает в бак сбора конденсата 39. При достижении уровня конденсата в баке верхнего, предельно допустимого, контроллер уровня (САУ), реагирующий на сигналы кондуктометрических датчиков уровнемерной колонки 40, подключает в работу перекачивающий насос конденсата 34, который через вентиль 37, обратный клапан 38 по трубопроводу 36 отправляет конденсат в коллектор 13. Далее через задвижку 15 обратная вода в смеси с конденсатом отправляется в сетевой трубопровод обратной воды (Т8). Следует отметить, что температура конденсата не превышает 40°С благодаря наличию низкого вакуума в конденсатной линии и баке сбора конденсата, для визуального контроля за этой температурой, влияющей на степень теплотехнической эффективности работы паровых систем отопления имеется манометрический термометр (TG). Температура смешанной воды в коллекторе сбора обратной воды и конденсата не превышает 70°С.
Для оценки эффективности работы индивидуального теплового пункта для субатмосферной системы отопления приведем краткий сравнительный анализ потребления горячей сетевой воды (перегретой воды с ЦТП или конденсата с паровой котельной) ИТП для водяной системы отопления и ИТП изобретения:
1
2
3
1. Определим расход перегретой сетевой воды в ИТП с элеваторным узлом для водяной системы отопления с исходными данными: с требуемой тепловой мощностью местной системы отопления для компенсации теплопотерь здания Q=400000 ккал/кг, с температурой сетевой воды t=150°С, охлажденной t=70°С, с температурой воды в системе отопления помещений объекта t=95°С, теплоемкость воды с=1,0 ккал/(кг×°С).
1
1
3
3
2
2
Вычислим: G - расход горячей воды из сопла элеватора для создания необходимой эжекции и нагрева воды в системе отопления объекта, G=400000/ 1,0×(150-70)=5000 кг/ч.; G - общее количество воды циркулирующей в системе отопления, G=400000/1,0×(95-70)=16000 кг/ч; G - расход воды, подмешиваемой из обратного трубопровода системы отопления, G=16000-5000=11000 кг/ч.
абс.
2. Определим расход перегретой сетевой воды в ИТП субатмосферной системы отопления, если: мощность местной системы отопления Q=400000 ккал/кг, температура полученного пара в среде вакуума 95°С, температура сетевой перегретой воды 150°С с энтальпией 152,8 ккал/кг, энтальпия конденсата равна 29,9 ккал/кг при температуре конденсата 30°С в баке сбора конденсата (опытные данные, полученные при испытании промышленного прототипа субатмосферной системы отопления), скрытая теплота парообразования пара вторичного вскипания полученного в вакууме при избыточном давлении в паровом пространстве системы отопления, достигающим Р=0,9 бар (конечное значение избыточного давления), равна 541,3 ккал/кг.
Вычислим: требуемый расход пара вторичного вскипания с температурой 95°С для отопления данного объекта с указанной выше тепловой мощностью, расход пара будет равен 400000/541,3=738,96 кг/ч; количество пара вторичного вскипания вырабатываемой из общего количества поступающей сетевой воды в, % пара=[(152,8-29,9)/541,3]×100=22,7%; расход сетевой воды для образования требуемого количества пара для обеспечения требуемой тепловой мощности, будет равен 738,96/0,227=3255,33 кг/ч. Здесь требуется учесть количество сетевой воды, потребляемой подогревателем пара и равного 550 кг/ч (данные для теплообменников - подогревателей). Таким образом, суммарное количество, потребляемой парогенератором сетевой воды, будет равно 3805,33 кг/ч.
Из бака сбора конденсата 39, конденсат с температурой 30°С отправляется в коллектор сбора обратной воды 13, где смешивается с обратной водой из подогревателя 7. Далее смешанная вода с температурой 70°С транспортируется в трубопровод обратной сетевой воды (Т2).
Итак, ИТП субатмосферной системы отопления потребляет на 5000-3805,33=1194,67 кг/ч меньше сетевой перегретой воды или в 5000/3805,33=1,314 раз меньше тепловой энергии, чем ИТП водяной системы отопления.
Выше отмеченное преимущество ИТП субатмосферной системы отопления обязано тому, что в парогенераторе происходит прямое преобразование горячей воды в пар в среде вакуума, а стабильное протекание процесса парообразования обеспечивается подогревателем перегретой воды от остывания.
Особенностью ИТП субатмосферной системы отопления является то, что она разделена на независимо работающие друг от друга подсистемы возврата конденсата и подсистемы вакуумирования с автоматическим контролем и управлением создания различных значений разрежения, позволяющие производить качественное регулирование температурой в системе отопления с достаточно широким диапазоном регулирования глубины разрежения с абсолютными давлениями от 0,1 бар до 0,9 бар, температурный перепад теплоносителя при этом составляет от 96°С до 45,45°С, что соответствует нормам санитарно-гигиенических требований, а также данный температурный перепад позволяет использовать металлопластиковые и полиэтиленовые трубопроводы, трубопроводную арматуру из пластмассовых материалов, подверженных наименьшей степени коррозии. Система отопления проста в обслуживании, безопасна в эксплуатации и обеспечивает надежную, бесперебойную работу всей системы теплоснабжения.