ЭКРАН ДЛЯ РАДИАТОРОВ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
SCREEN FOR RADIATORS OF HEATING SYSTEMS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах центрального и автономного теплоснабжения помещений в жилых, общественных и производственных зданиях.
Цель изобретения - повышение эффективности отопления, снижение стоимости применяемого оборудования и эксплуатационных затрат, расширение возможностей регулирования температурного режима в помещениях.
Известно, что в системах отопления помещений в качестве отопительных приборов (см. Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопление и тепловые сети - М.: Инфра-М, 2010, - 480 с. с.61-73) используют:
1. стальные, алюминиевые и биметаллические секционные обогреватели, которые отдают до 50% тепла излучением, остальное в результате естественной конвекции.
2. обогреватели с развитым оребрением, в которых увеличивается теплообменная поверхность при одновременном некотором снижении интенсивности естественной конвекции из-за дополнительного аэродинамического сопротивления;
3. обогреватели, в которых использован эффект вынужденной конвекции.
Наиболее простые и распространенные стальные панельные радиаторы при низкой стоимости и высокой долговечности обладают невысокими тепловыми характеристиками - при снижении температуры воды в системе с 90 до 60°С их мощность уменьшается в три раза.
Алюминиевые секционные радиаторы также имеют недостаточную прочность, обуславливающую низкое рабочее давление теплоносителя (до 0.6-0.8 МПа), что затрудняет их применение в современных многоэтажных зданиях.
Стоимость биметаллических секционных обогревателей высока, так как их производство требует использования дорогостоящих материалов и сложного технологического оборудования.
2
Общим недостатком перечисленных выше обогревательных приборов является использование естественной конвекции, обеспечивающей низкий коэффициент теплоотдачи (не более 5-25 Вт/(м·К) от поверхности радиатора к воздуху в помещении.
Известны тепловентиляторы, используемые для отопления торговых центров, магазинов, складских помещений, развлекательных и спортивных сооружений, концертных залов, автосалонов, теплиц, в которой греющим теплоносителем является вода, циркулирующая в двухрядном водяном нагревателе, состоящем из медных трубок и алюминиевых ребер, а циркуляция воздуха осуществляется с помощью вентилятора, приводимого во вращение электродвигателем, например, конвектор производства фирмы MINIB, Чехия (электронные ресурсы http://minib.msk.ru/, http://www.mos-teplo.ru/katalog-20110/vstraivaemye-konvektory).
Но эти тепловентиляторы имеют следующие недостатки:
- сложную конструкцию, используют дорогостоящие конструктивные материалы, обладают малыми ресурсом и безотказностью;
- не могут быть использованы элементы существующих устройств, например, наиболее распространенных в России плоских стальных радиаторов, что увеличивает стоимость и трудоемкость реконструкции системы отопления.
Перечисленные недостатки систем отопления и отопительных приборов привели к тому, что большинство, прежде всего, жилых помещений оснащаются дополнительными электрическими нагревательными приборами - масляными батареями или тепловентиляторами большой мощности (то есть используется две системы отопления: водяная и электрическая). Одновременное включение масляных батарей или тепловентиляторов в многоквартирных домах приводит к перегрузке электрических сетей и их отключению, а также к увеличению вероятности возникновения пожаров.
Известен экран для радиаторов систем отопления, принятый в качестве прототипа, реализующий принцип увеличения естественного теплообмена за счет разности давлений и обеспечения направленного перемещения воздуха из области повышенных давлений в области пониженных давлений, содержащий облицовку объемной формы, окружающую радиатор, по меньшей мере, с фронтальной стороны, обращенной к обогреваемому помещению, и с боковых сторон и имеющую установочные отверстия и отверстия для циркуляции воздуха, и средства крепления упомянутой облицовки к радиатору, выполненный из листового полимерного материала с высокими теплоизоляционными свойствами, отверстия для циркуляции воздуха выполнены в виде, по меньшей мере, одного входного отверстия и по меньшей мере одного выходного отверстия, при этом упомянутые входные и выходные отверстия для циркуляции воздуха разнесены по высоте экрана на максимально возможное расстояние (см. патент РФ №2133919, МПК F24D 19/06, F24H 9/02, дата публикации: 27.07.1999).
К недостаткам известного технического решения следует отнести:
- конструкция реализует принцип естественной конвекции воздушного теплоносителя и поэтому не обеспечивает высокую интенсивность теплоотдачи и возможность ее регулирования воздуху;
- низкую надежность устройств регулирования расхода жидкого коррозионно активного теплоносителя, содержащего механические примеси;
- объемную форму экрана (коробчатая или каплевидная формы конструкции), предусматривающую большой расход материала, сложность изготовления и монтажа, низкую скорость воздуха, обуславливающую в результате малое значение коэффициента теплоотдачи;
- использование листового полимерного материала с высокими теплоизоляционными свойствами (листовой поливинилхлорид), уменьшающего температуру наружной поверхности экрана, а, следовательно, эффективность радиационного обогрева помещения;
- обогрев стенки помещения с задней стороны радиатора (подоконного пространства);
- отсутствие контроля герметичности радиатора.
Задачей изобретения является создание экрана для радиаторов систем водяного отопления, не имеющего недостатков известных технических решений.
Автором предложено устройство, сопоставительный анализ которого и известных технических решений (аналогов и прототипа), позволяет сделать вывод, что заявленный экран для радиаторов систем отопления отличается тем, что в соответствии с изобретением выполнен плоским, прилегает к поверхности радиатора вдоль его контура, снабжен по крайней мере, одним вентилятором, при этом внутренняя поверхность экрана и наружная поверхностью радиатора образуют каналы, расположенные между выходами воздуха из вентиляторов и отверстиями, соединяющими пространство между радиатором и экраном с отапливаемым помещением.
На концах каналов, образованных экраном и радиатором, установлен один или несколько реверсивных (приточно-вытяжных) вентиляторов.
Экран выполнен из тонкостенного теплопроводного материала (стали, медных или алюминиевых сплавов), прилегает к поверхности радиатора вдоль его контура, а также по всей его плоскости, за исключением каналов для циркуляции нагреваемого воздуха, поэтому имеет практически туже температуру, что и поверхность радиатора.
Наружная поверхность экрана, обращенного к стене помещения, покрыта слоем теплоизоляционного материала.
Каналы между экраном и радиатором расположены (варианты):
- горизонтально (одно или многократный перекрестный ток воздуха и жидкого теплоносителя);
- вертикально (однократный прямой или обратный ток).
В 2-х или 3-х рядной конструкции радиатора вентиляторы расположены на торцевой поверхности экрана, который имеет решетчатый распределитель воздуха.
Экран вдоль его нижней кромки имеет наклонный желоб, в нижней части которого установлен датчик пленки жидкости, соединенный с блоком сигнализации о негерметичности радиатора.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача - повышение эффективности отопления помещений за счет суммарного нагрева воздуха в результате как радиационного нагрева, естественной и вынужденной конвекции воздуха, упрощение конструкции, технологии изготовления и монтажа экрана радиатора, снижение его стоимости, возможность использования одного конструктивного исполнения экрана для установки как с наружной (обращенной в сторону помещения), так и с внутренней фронтальных сторон водяного радиатора (обращенной в сторону стенки помещения), возможность регулирования интенсивности обогрева помещения за счет изменения производительности вентиляторов от 0 до максимума, контроль герметичности радиатора, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна» " и "существенные отличия".
Вместе с тем, проведенный информационный поиск в области теплоэнергетики, в частности, анализ научно-технической, производственной и рекламной информации о системах центрального и автономного теплоснабжения помещений в жилых, общественных и производственных зданиях не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан радиатор, образованный из двух соединенных между собой штампованных металлических листов, имеющий подводящие и отводящие трубопроводы, соединенные с горизонтальными коллекторами и вертикальными каналами для прохода теплоносителя (пара, воды или антифриза),
1
1
на фиг.2 показан разрез А-А фиг.1,
1
1
на фиг.3 показан разрез B-B фиг.1,
на фиг.4 показан экран радиатора с нижним расположением приточных вентиляторов и верхним расположением отверстий для отвода нагретого воздуха на концах вертикальных каналов, образованных в радиаторе и экране (электрические коммуникации и блок управления не показаны),
2
2
на фиг.5 показан разрез А-А фиг.4,
2
2
на фиг.6 показан разрез В-B фиг.4,
2
2
на фиг.7 показан разрез Г-Г фиг.4,
на фиг.8 показан экран радиатора с центральным расположением приточного вентилятора и верхним и нижним расположением отверстий на конце вертикальных каналов, образованных плоским экраном и радиатором (однократный прямой и/или обратный ток воздуха и теплоносителя),
3
3
на фиг.9 показан разрез А-А фиг.8,
3
3
на фиг.10 показан разрез В-В фиг.8,
на фиг.11 показан экран радиатора с боковыми расположениями приточных вентиляторов и отверстий на конце горизонтальных каналов (однократный поперечный ток воздуха и теплоносителя),
4
4
на фиг.12 показан разрез А-А фиг.11,
4
4
на фиг.13 показан разрез В-В фиг.11,
на фиг.14 показан экран радиатора с диагональным расположением приточного и вытяжного вентиляторов, при этом экран не имеет дополнительных отверстий для выпуска воздуха (однократный прямой и/или обратный ток воздуха и теплоносителя),
5
5
на фиг.15 показан разрез A-A фиг.14,
5
5
на фиг.16 показан разрез В-В фиг.14,
на фиг.17 показан экран радиатора с угловым расположением вентилятора и отверстий для выпуска нагретого воздуха, выполненных на горизонтальных каналах, обеспечивающих многократный поперечный ток воздуха и жидкого теплоносителя,
6
6
на фиг.18 показан разрез В-В фиг.17,
6
6
на фиг.19 показан разрез А-A фиг.17,
на фиг.20 показан экран радиатора с диагональным расположением приточного и вытяжного вентиляторов, при этом экран имеет горизонтальные каналы, обеспечивающие многократный перекрестный ток воздуха и жидкого теплоносителя,
7
7
на фиг.21 показан разрез В-В фиг.20,
7
7
на фиг.22 показан разрез А-А фиг.20,
на фиг.23 показан 2-х рядный радиатор и двумя экранами с нижним торцевым расположением приточных вентиляторов, решетчатым распределителем воздуха и верхним расположением отверстий на конце вертикальных каналов экрана,
8
8
на фиг.24 показан разрез A-A фиг.23,
на фиг.25 показан слой теплоизоляции, нанесенный на наружную поверхность экрана, обращенного к стене помещения (например, в подоконной нише);
на фиг.26 показан экран радиатора, нижняя кромка которого образует наклонный желоб, в нижней части имеющий датчик пленки жидкости, соединенный с блоком сигнализации о не герметичности радиатора (электрические коммуникации не показаны).
9
9
на фиг.27 показан разрез А-А фиг.26.
На фиг.1-27 показан радиатор 1, образованный из двух соединенных между собой штампованных металлических листов, имеющий подводящие и отводящие трубопроводы соответственно 2 и 3, соединенные с горизонтальными верхним 4 и нижним 5 коллекторами, наружные штампованные каналы 6 и внутренние вертикальные каналы 7 для прохода жидкого теплоносителя (воды или антифриза), монтажные отверстия 8 для крепления экрана 9, имеющего штампованные каналы 10, коллектор 11, фланцы с отверстиями для установки вентиляторов 12, отверстия крепления вентиляторов 13, вентиляторы 14, декоративных крышек вентиляторов 15.
Экран 9 может быть выполнен в двух вариантах: иметь круглые каналы 16 (левая часть фиг.4), образованные штамповкой (каналы 6) как радиатора 1, так и экрана 9, или иметь полукруглые каналы 17 (правая часть фиг.4), образованные штамповкой (каналы 6) только в радиаторе 1 и плоской внутренней поверхностью экрана 9.
Каналы 16 и 17 завершаются отверстиями 18, соединяющими пространство между радиатором 1 и экраном 9 с обогреваемым помещением. В 2-х или 3-х рядных радиатора с торцевым расположением вентиляторов имеется решетчатый воздухораспределитель 19 с отверстиями 20. На поверхности экрана 9, обращенной к стене помещения, нанесен слой теплоизоляции 21.
Нижняя кромка экрана 9 может образовывать наклонный желоб 22, в нижней точке которого установлен датчики пленки жидкости 23.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Радиатор 1 установлен на стене помещения с помощью монтажных отверстий 8 и крепежа (например, резьбовых шпилек - не показаны).
Греющий теплоноситель (вода, антифриз или пар) поступает по трубопровод 2 в верхний коллектор 4, проходит через радиатор 1 по каналам 7, поступает в нижний коллектор 5 и выходит из радиатора 1 через трубопровод 3, нагревая каналы 6, выполненные на наружной поверхности радиатора 1 (фиг.1-3).
На поверхности радиатора 1 установлены один или два экрана 9 (на наружной и/или внутренней фронтальных поверхностях), которые образуют круглые и полукруглые каналы 16 или 17.
Вентиляторы 14, установленные на фланцах с отверстиями 12, закреплены на воздушном коллекторе 11 с помощью отверстий крепления вентиляторов 13, через декоративные крышки 15 всасывают воздух в каналы 16 или 17, который проходит и интенсивно нагревается по мере движения к выпускным отверстиям 18, через которые он поступает во внутренний объем обогреваемого помещения (фиг.4-7).
Вентиляторы 14 могут быть разных типов, размеров и производительности (мощности). При этом электрическая энергия используется только для перемещения воздуха по каналам (для привода вентиляторов), в то время как в аналогах используется также для нагрева теплоносителя.
Для привода вентиляторов могут быть использованы электродвигатели переменного и/или постоянного тока. В последнем случае для прокачивания воздуха могут быть использованы вентиляторы, аналогичные применяемым для охлаждения блоков питания персональных компьютеров или серверов, обладающих низким энергопотреблением (10-20 Ватт), шумом, высокими производительностью и ресурсом (до 10 тысяч часов). При отключении электрического питания в здании в качестве источника тока может быть использована аккумуляторная батарея.
Выбор узких и длинных каналов 16 и/или 17 способствует интенсификации теплообмена (Безюков O.K., Иванченко А.А., Герасимов О.М., Козев А.В. Рациональные поверхности теплообмена для ОНА судовых дизелей и обобщенные зависимости для их расчета. Топливоиспользование и повышение эффективности судовых энергетических установок. Сб. научн. тр. Л., ЛИВТ, 1989, с.44-47).
Для интенсификации теплообмена турбулизацией потока воздуха вентиляторы 14 могут быть выполнены реверсивными (приточно-вытяжными).
В помещениях, в которых не требуется высокая интенсивность обогрева может быть использован экран 9 с центральным расположением воздушного коллектора 11 и одним вентилятором 14. При этом выходные отверстия 18 расположены в верхней и нижней частях экрана 9, обеспечивая нагрев как при прямотоке, так и противотоке воздуха (фиг.8-10).
Для интенсификации обогрева помещений может быть использован вариант экрана 9 с боковым расположением вентиляторов 14 и выходных отверстий 18 при поперечном токе воздуха (фиг.11-13) или вариант с диагональным расположением 2-х (приточного и вытяжного) вентиляторов 14, при этом экран 9 не имеет дополнительных отверстий для выпуска воздуха (фиг.14-16).
Для интенсификации обогрева помещений может быть использован вариант экрана 9 с угловым расположением вентилятора и отверстий для выпуска нагретого воздуха, выполненных на горизонтальных каналах, обеспечивающих многократный противоток воздуха и жидкого теплоносителя (фиг.17-19).
Для дальнейшей интенсификации обогрева помещений может быть использован вариант экрана 9 радиатора с диагональным расположением приточного и вытяжного вентиляторов, обеспечивающих длительное пребывание воздуха в каналах 16, его высокую скорость, а следовательно высокий коэффициент теплоотдачи. При этом экран 9 имеет горизонтальные каналы 16, обеспечивающие многократный перекрестный ток воздуха и жидкого теплоносителя (фиг.20-22).
В помещениях с большим объемом воздуха или большими теплопотерями целесообразно применение 2-х рядных радиаторов с двумя экранами 9 с нижним торцевым расположением приточных вентиляторов 14, решетчатым распределителем воздуха 19 вдоль нижнего торца и верхним расположением отверстий 18 в конце вертикальных каналов 16.
Для предотвращения непроизводительных потерь тепла на нагрев стенки в подоконной нише помещения, на наружную поверхность внутреннего экрана 9 нанесен слой теплоизоляции 21 (фиг.23-25).
Для контроля герметичности радиатора 1 нижняя кромка экрана 9 образует наклонный желоб 22, в нижней части имеющий датчик пленки жидкости (например, Безюков O.K. Смирнов Б.К. Устройство для измерения толщины пленки жидкости. Авторское свидетельство №664020, БИ №19, 1979), соединенный с блоком сигнализации о негерметичности радиатора (блоком сигнализации и электрические коммуникации не показаны). Появление трещин в радиаторе 1 приводит к отеканию капель жидкого теплоносителя по поверхности радиатора в наклонный желоб 22 и далее к коаксиальному датчику 23, замыкание электродов которого приводит к появлению светового или звукового сигнала об аварийной ситуации (фиг.26-27).
Изложенное выше позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».
Таким образом, достигнутым техническим результатом изобретения является:
- повышение эффективности отопления помещений за счет суммарного нагрева воздуха в результате как радиационного нагрева, естественной и вынужденной конвекции воздуха. Последний вид теплообмена имеет в 6-10 раз более высокий коэффициент теплоотдачи чем при естественной конвекции (см. Безюков O.K. и др. Теплотехника. Сб. задач. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2010, с.266-287; Луканин В.Н. и др. Теплотехника. - М.: ВШ, 2000, с.281, таб. 6.2), что позволяет в несколько раз уменьшить теплообменную поверхность и массогабаритные показатели радиатора или при той же поверхности повысить интенсивность обогрева помещения;
- возможность снижения температуры теплоносителя (воды) без уменьшения эффективности обогрева помещений, что способствует резкому снижению потерь тепла при его транспортировки от котельной до отапливаемого помещения,
- упрощение конструкции, технологии изготовления и монтажа экрана радиатора (особенно при односторонней установки экрана на наружную поверхность радиатора) и снижение его стоимости;
- возможность использования одинаковых экранов для установки как с наружной (обращенной в сторону помещения), так и с внутренней (обращенной в сторону стенки помещения) фронтальных сторон водяного радиатора,
- резкое снижение потребления электроэнергии по сравнению с масляными батареями и тепловентиляторами (25-100 раз), в которых электроэнергия расходуется, главным образом, на нагрев теплоносителя, в то время как в предлагаемых устройствах только для прокачивания воздуха по каналам между радиатором и экраном;
- возможность регулирования интенсивности обогрева помещения за счет изменения производительности вентиляторов от 0 до максимума (режимы экономии и комфорта, дневной и ночной режимы), реализация управления с помощью iPad, iPhone и iPod touch, других дистанционных и Интернет технологий (многозонный климат-контроль - в каждом помещении в каждый период суток поддерживается своя температура).
- контроль герметичности радиатора,
- минимальные общественные и индивидуальные затраты в результате использования в составе отопительного прибора наиболее распространенных стальных пластинчатых радиаторов уже установленных в миллионах помещений.