СТАЦИОНАРНАЯ ОТОПИТЕЛЬНАЯ КОТЕЛЬНАЯ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована при проектировании отопительных котельных для производственных и жилых зданий, либо при ремонте или переоснащении новым оборудованием действующих котельных.
Из уровня техники известны стационарные котельные, подающие горячую воду в системы отопления и горячего водоснабжения (далее в тексте ГВС) производственных и жилых зданий (патент на изобретение РФ №2137984, патенты на полезные модели РФ №22224, №61393).
Известные котельные содержат котлы, оснащенные горелочными устройствами, котловой и сетевые контуры отопления и ГВС, содержащие различные в связи с выполняемыми функциями насосы, теплообменники, расширительные баки, баки-аккумуляторы, установки химической подготовки или электромагнитной обработки воды, запорную и регулировочную арматуру, системы и устройства автоматического управления.
Недостаток известных аналогов заключается в целом в низкой надежности работы котельного оборудования, связанных с их ограниченными функциональными возможностями, обусловленными конструктивными особенностями каждой конкретной котельной.
Известна также стационарная водогрейная котельная по патенту РФ №117586, являющаяся наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели по максимальному количеству одинаковых с ней признаков. Котельная содержит водогрейные котлы, снабженные газовыми горелками, сетевые контуры отопления и ГВС, насыщенные соответствующим оборудованием в виде питающих насосов, теплообменников, расширительных баков, баков-аккумуляторов, систему очистки воды.
Недостаток ближайшего аналога обусловлен его конструктивными особенностями и заключается в низкой эффективности процесса производства тепла и недостаточной защите его агрегатов от низкого качества теплоносителя - воды, что в свою очередь, ведет к ускоренным коррозионным процессам, а следовательно, к снижению срока эксплуатации теплоэнергетического оборудования и трубопроводов.
Задача полезной модели - повысить эффективность теплоснабжения потребителя за счет применения высокоэкономичного котельного оборудования и обеспечить высокий уровень качества теплоносителя, повышающий срок эксплуатации оборудования и трубопроводов.
Технический результат полезной модели стационарной отопительной котельной заключается в следующих ее преимуществах перед аналогами:
- повышение экономичности процесса производства тепла за счет расширения функциональных возможностей применяемого теплоэнергетического оборудования и обеспечения минимальных потерь тепла;
- повышение срока эксплуатации оборудования котельной вследствие повышения качества теплоносителя за счет применения эффективных аппаратов обработки циркуляционной воды;
Поставленная задача может быть реализована, а ее технический результат может быть достигнут посредством конструктивных и функциональных особенностей теплоэнергетического оборудования заявленной полезной модели стационарной отопительной котельной, содержащей котловой контур, включающий котлы, оснащенные горелочными устройствами, циркуляционные насосы систем отопления и горячего водоснабжения, расширительные баки, сетевой контур отопления, включающий циркуляционные сетевые насосы, теплообменник, установку химической подготовки подпиточной воды, сетевой контур горячего водоснабжения, включающий загрузочные, повысительные и рециркуляционные насосы, теплообменник, баки-аккумуляторы, расширительные баки, аппарат магнитной обработки воды.
При этом, котловой контур содержит насосы внутрикотловой рециркуляции. Сетевой контур отопления оборудован автоматической станцией поддержания рабочего давления в сетевом контуре, включающей группу насосов, безнапорные баки большого объема, напорные баки малого объема и автоматический клапан. Баки-аккумуляторы сетевого контура горячего водоснабжения выполнены в виде резервуаров и расположены один над другим в вертикальной плоскости. На вводе в котельную дополнительно установлен сепаратор микропузырькового воздуха, выполненный в виде вертикального баллона, заполненного PALL-кольцами и снабженного в верхней части конической воздушной камерой, содержащей поплавковый механизм и выпускной клапан.
На рисунках, иллюстрирующих состав оборудования и работу заявляемой полезной модели, изображено:
рис.1 - план компоновки котельного оборудования заявляемой полезной модели стационарной отопительной котельной;
- рис.2,3 - изометрия схемы компоновки котельного оборудования с двух противоположных сторон, вид А и вид Б;
- рис.4 - конструкция устройства микропузырькового сепаратора воздуха;
- рис.5 - компоновка конструкции бака-аккумулятора ГВС;
Стационарная отопительная котельная (рис. 1, 2, 3) содержит три основных контура - котловой контур, сетевой контур отопления, сетевой контур ГВС.
Оборудование котлового контура.
Котловой контур предназначен для производства тепловой энергии за счет сжигания органического топлива и ее передачи посредством теплоносителя (воды) в сетевые контуры отопления и ГВС для нужд потребителя.
Основным оборудованием котлового контура являются три водогрейных котла 1, оснащенных горелочными устройствами 2, которые нагревают котловую воду за счет сжигания природного газа или дизельного топлива.
Каждый из котлов 1 оборудован двумя насосами внутрикотловой рециркуляции 3 (один рабочий, один резервный). Циркуляция теплоносителя в котловом контуре обеспечивается насосами 4 и 5, которые установлены группами по три насоса (два рабочих, один резервный). Котловой контур содержит также расширительные баки 14, которые имеют напорную конструкцию и установлены по два на каждый котельный агрегат.
Оборудование сетевого контура отопления.
Сетевой контур отопления предназначен для приема холодного теплоносителя от потребителей, его нагрева и подачи горячего теплоносителя обратно к потребителям для целей отопления.
Сетевой контур отопления включает теплообменники 10, которые установлены группой из трех агрегатов (два рабочих, один резервный). Циркуляция теплоносителя в сетевом контуре отопления обеспечивается сетевыми насосами 6, установленных также группой из трех агрегатов (два рабочих, один резервный). Для зашиты котельной от теплоносителя низкого качества, поступающего от потребителей, на вводе в котельную установлены сетчатый фильтр-грязевик (на рисунках условно не показан) и сепаратор микропузырькового воздуха 18. Сепаратор 18 отводит воздух из обратной сетевой воды, исключая тем самым риск образования воздушных пробок в циркуляционной системе и снижая риск возникновения кислородной коррозии оборудования и трубопроводов при переходе кислорода в теплоносителе из пузырькового воздуха в растворенный вид.
Конструкция сепаратора микропузырькового воздуха (рис.4) представляет собой вертикальный баллон 21, заполненный PALL-кольцами 24, (обеспечивают большую поверхность соприкосновения, благодаря чему достигается наиболее эффективное выделение воздуха из теплоносителя), снабженный в верхней части воздушной камерой 19, содержащей поплавковый механизм 21 и выпускной клапан 20. Посторонние включения, которые тяжелее воды, удаляются через сливной кран 25. Посторонние включения легче воды удаляются с помощью промывочного крана 22.
Поддержание рабочего давления в сетевом контуре отопления осуществляется автоматической станцией, которая состоит из группы насосов 13.1, двух безнапорных баков большого объема 13.2, двух напорных баков малого объема 13.3 и автоматического клапана (на рисунках условно не показан). С целью компенсации эксплуатационных и аварийных потерь в котловом и сетевом контурах используется двухступенчатая установка химической подготовки подпиточной воды 15.
Оборудование сетевого контура ГВС.
Сетевой контур ГВС предназначен для нагрева холодной водопроводной воды, хранения запаса приготовленной горячей воды, подачи горячей санитарной воды на разбор к потребителям и обеспечения частичного ее возврата в котельную в виде рециркуляции. Нагрев санитарной водопроводной воды осуществляется в теплообменниках 11, которые также установлены группой их трех агрегатов (два рабочих, один резервный). Для защиты теплообменников 11 от отложения накипи на входе в теплообменники предусмотрен аппарат магнитной обработки воды 17, который посредством электромагнитного поля меняет физическую структуру проходящей через него воды, за счет чего накипь, образующаяся в процессе нагрева, не оседает на стенках теплообменника, а остается в объеме потока и выносится из теплообменника в систему.
Для хранения запаса приготовления горячей воды используется три бака-аккумулятора 12, выполненных в виде резервуаров и расположенных один над другим в вертикальной плоскости с целью экономии пространства здания котельной, т.е. баки-аккумуляторы 12 имеют двухэтажную компоновку (рис.5). Резервуары выполнены из углеродистой стали и предназначены для работы под давлением. Наружная поверхность резервуаров покрыта эффективной теплоизоляцией из жесткого пенополиуретана, толщиной до 90 мм, обеспечивающей минимальные тепловые потери при хранении горячей воды. Пенополиуретановая теплоизоляция резервуаров дополнительно облицована тисненым алюминиевым листом. Защита резервуаров от коррозии осуществляется за счет их внутреннего покрытия специальной термоглазурью, представляющей собой композиционный материал из стекла и стали. Слой термоглазури является также идеально гладким, твердым и химически нейтральным покрытием, обеспечивающим гигиеническую и биологическую чистоту резервуаров.
Сетевой контур ГВС включает также повысительные насосы 8, создающие в контуре ГВС требуемое статическое давление, загрузочные насосы 7 для циркуляции санитарной воды между баками-аккумуляторами 12 и теплообменниками 11, насосы рециркуляции 9 горячей воды от потребителей обратно в котельную. Все насосы сетевого контура ГВС установлены группами по три агрегата (два рабочих, один резервный). Для поддержания рабочего давления в сетевом контуре ГВС при отсутствии водоразбора (в ночное время) используются напорные расширительные баки малого объема 16.
Стационарная отопительная котельная функционирует следующим образом.
Теплоэнергетические процессы в котловом контуре.
Горелочные устройства 2 нагревают котловую воду в котлах 1 за счет сжигания природного газа или дизельного топлива. Дизельное топливо является резервным и используется в случае режимного ограничения или аварийного прекращения подачи основного топлива. Насосы внутрикотловой рециркуляции 3 частично перекачивают горячий теплоноситель из подающей линии котла 1 в его обратную линию с целью поддержания температуры обратного теплоносителя, поступающего в котел 1 на определенном уровне, установленном требованиями к эксплуатации котельного агрегата. Насосы внутрикотловой рециркуляции 3 также обеспечивают максимально быстрый пуск котла из холодного состояния, уменьшая тем самым время работы котла в режиме конденсации водяных паров из дымовых газов, опасном из-за низкотемпературной коррозии поверхности нагрева котла. Насосы 4 подают теплоноситель от котлов 1 в сетевые теплообменники отопления 10, а насосы 5 - в сетевые теплообменники ГВС 11. Теплообменники 10 передают тепло от теплоносителя, циркулирующего в котловом контуре, теплоносителю, циркулирующему в сетевом контуре. Сетевые насосы 6 обеспечивают циркуляцию теплоносителя потребителям сетевого контура отопления. Применение теплообменников 10 позволяет защитить дорогостоящие котельные агрегаты и оборудование от теплоносителя низкого качества, циркулирующего в разветвленных тепловых сетях и местных системах отопления конечных тепловых потребителей. Теплообменники 10 гидравлически отделяют котловой и сетевой контуры, что позволяет поддерживать в них разные водно-химические режимы эксплуатации. Теплообменники 11 передают тепло от котловой воды к холодной санитарной воде, поступающей из водопровода холодного водоснабжения. Расширительные баки 14 поддерживают рабочее давление теплоносителя в котловом контуре за счет компенсации теплового расширения котловой воды при изменении ее температуры. Применение расширительных баков 14 также позволяет исключить эксплуатационные потери котловой воды.
Теплоэнергетические процессы в сетевом контуре отопления.
Циркуляция теплоносителя в сетевом контуре отопления обеспечивается сетевыми насосами 6, однако, отработанная обратная сетевая вода, поступающая от потребителя в котельную, является теплоносителем низкого качества. Она, как правило, загрязнена механическими частицами и отложениями малорастворимых соединений кальция, магния, железа и кремния. Механические частицы улавливаются сетчатым фильтром-грязевиком. Химически нерастворимые соединения нейтрализуются установкой химической подготовки подпиточной воды 15.
Кроме того, обратная сетевая вода бывает достаточно сильно завоздушена. Дело в том, что согласно закону Генри в системах отопления при повышении температуры воды при постоянном давлении в системе или при понижении давления при постоянной температуре происходит высвобождение растворенного в воде воздуха.
При понижении температуры и повышении давления происходит обратный процесс - растворение пузырьков воздуха в воде.
В котле 1 теплоноситель нагревается до высокой температуры, поэтому именно в нем будет высвобождаться наибольшее количество воздуха в виде мельчайших пузырьков. Если их незамедлительно не отвести, то они растворятся в других местах системы, где температура меньше.
Если удалять микропузырьки на вводе в котельную с помощью сепаратора микропузырького воздуха 18, то на выходе сепаратора получится обезвоздушенная вода, которая пройдя котловой контур и возвращаясь в контур отопления снова будет поглощать воздух в разных местах системы отопления. Этот эффект используется для поглощения воздуха в сетевом контуре отопления и выведения его в атмосферу до полного его удаления из системы отопления.
Достигается это следующим образом. При прохождении жидкости через сепаратор микропузырькового воздуха 18 ее скорость существенно уменьшится в результате увеличения проходного сечения его корпуса (баллона 21). Это позволяет большим пузырькам воздуха всплыть в воздушную камеру 19 сепаратора. В то же время поток жидкости сталкивается с множеством PALL-колец 24, наполняющих баллон 21 сепаратора, в результате чего образуется множество равнораспределенных потоков внутри и вокруг PALL-колец. Благодаря этому, весь воздух, переносимый жидкостью в виде микропузырьков, вступает в контакт с поверхностью PALL-колец 24, что делает возможным их слияние.
Так как поток жидкости в сепараторе 18 существенно теряет свою скорость, то вырастающие до определенного размера пузырьки воздуха всплывают в воздушную камеру 19 сепаратора, где и отводятся поплавковым механизмом 23 через выпускной клапан 20 в атмосферу. Воздушная камера 19 имеет коническую форму, что обеспечивает наибольшее расстояние между уровнем воды в камере и выпускным клапаном 20. Благодаря этому грязь, плавающая на поверхности сепаратора воздуха будет находится в достаточном удалении от выпускного клапана 20, что сводит засорение поплавкового механизма 21 и выпускного клапана 20 к минимуму.
Посторонние включения, которые тяжелее воды, например, песок, окалина и пр. собираются в нижней части сепаратора 18, после чего могут быть удалены через сливной кран 25. Поплавковый механизм 21 с поплавком и выпускной клапан 20 находятся в воздушной камере, которая защищена от загрязнений. Любые посторонние включения, например, масло, грязь или ржавчина не смогут вызвать повреждения поплавкового механизма и могут быть удалены с помощью промывочного крана 22. Помимо этого, промывочный кран 22 используется для удаления больших объемов воздуха из системы, например, при ее заполнении.
Для надежной работы отопительной котельной необходимо поддерживать постоянный режим рабочего давления в сетевом контуре, которое обеспечивается автоматической станцией поддержания рабочего давления. Насосы станции 13.1, подавая теплоноситель из безнапорных баков большого объема 13.2 в систему отопления, и автоматический клапан станции (на рисунках условно не показан), сбрасывающий лишний теплоноситель из системы отопления обратно в баки 13.2, поддерживают в системе отопления необходимый статический напор, значение которого определяется высотными характеристиками местных систем отопления конечных тепловых потребителей. Наличие в составе автоматической станции поддержания давления баков безнапорных большого объема 13.2 позволяет минимизировать эксплуатационные потери сетевой воды при ее тепловом расширении, а также обеспечить запас подпиточной воды теплосети на случай аварийного отключения установки химической подготовки подпиточной поды 15.
Для обеспечения щадящего режима работы насосов 13.1 и автоматического клапана используются напорные расширительные баки малого объема 13.3. Они компенсируют незначительные изменения рабочего давления в системе отопления, позволяя тем самым уменьшить скважность включения насосов 13.1 и срабатывания автоматического клапана станции, сохраняя ресурс данного оборудования.
В период эксплуатации оборудования и трубопроводов котельной в воде образуются нерастворимые твердые отложения. Чтобы снизить количество потерянной энергии, обеспечить бесперебойную работу котельного оборудования без повреждений его элементов из-за отложений шлама и накипи, а также коррозии металла под действием растворенного в воде кислорода и углекислого газа, нужно соблюдать оптимальный водно-химический режим, который обеспечивает установка химической подготовки подпиточной воды 15. Принцип работы установки 15 состоит в умягчении и коррекционной обработке исходной водопроводной воды. Установка 15 состоит из двух последовательных ступеней. Первая ступень большой производительности готовит воду требуемого качества для подпитки сетевого контура, а вторая ступень малой производительности готовит более качественную воду для подпитки котлового контура, требования к водно-химическому режиму которого более жесткие. Процесс умягчения и коррекционной подготовки воды осуществляют посредством подачи в воду, циркулирующую в системе отопления небольшого количества специальных химических соединений, например на основе солей фосфорорганических кислот, препятствующих малорастворимым солям жесткой воды осаждаться на теплопередающих поверхностях в виде накипи, а присутствие в воде щелочи увеличивает показатель ее pH, тем самым способствуя нейтрализации растворенного в воде углекислого газа. Подготовленная подпиточная вода сетевого контура поступает на заполнение безнапорных баков большого объема 13.2 станции поддержания давления.
Теплоэнергетические процессы в контуре ГВС.
Для защиты теплообменников 11 от отложения накипи на входе в теплообменники установлен аппарат магнитной обработки воды 17, например, типа АМО-200. Магнитная обработка воды представляет собой умягчение воды магнитным полем аппарата 17 и состоит в пропускании обрабатываемой воды через магнитное поле, создаваемое электромагнитом в кольцевой зазор между его сердечником и катушкой.
Принцип действия аппарата магнитной обработки воды 17 основан на воздействии магнитного поля определенной напряженности на присутствующие в жесткой воде карбонатные соли. Под действием магнитного поля в обрабатываемой воде образуется большое количество зародышей твердой фазы, выполняющих роль центров кристаллизации при ее нагревании. Кристаллизация в присутствии большого количества зародышей приводит к тому, что карбонат кальция или совсем не выделяется из воды, или выделяется в виде тонкодисперсной смеси (шлама), не оседающей на стенках в виде накипи и легко удаляемой потоком воды.
Баки-аккумуляторы 12, помимо функции хранения запаса приготовленной горячей воды, обеспечивают щадящий режим работы котлов 1 в летний период, выполняя функцию аккумуляции тепла, что позволяет уменьшить скважность включения горелочных устройств 2 и за счет этого обеспечить сохранение их ресурсов и ресурсов котлов 1. Подача горячей санитарной воды к потребителям осуществляется из баков-аккумуляторов 12 под напором питающих повысительных насосов 8, создающих в контуре ГВС требуемое статическое давление. Нагрев санитарной воды в сетевом контуре ГВС осуществляется за счет ее циркуляции между баками-аккумуляторами 12 и сетевыми теплообменниками 11, которая обеспечивается загрузочными насосами 7. Рециркуляция горячей воды от потребителей обратно в котельную осуществляется насосами рециркуляции 9. Рабочее давление в сетевом контуре ГВС при отсутствии водоразбора, например, в ночное время, поддерживается посредством использования напорных расширительных баков малого объема 16, которые за счет компенсации теплового расширения санитарной воды при ее остывании и последующем подогреве, минимизируют эксплуатационные потери горячей санитарной воды.
Использование заявляемой полезной модели стационарной отопительной котельной позволит повысить эффективность теплоснабжения потребителя за счет современного высокоэкономичного котельного оборудования, с большими функциональными возможностями по обеспечению должного качества теплоносителя, осуществлению минимальных потерь тепла, повышению срока эксплуатации ее агрегатов.