СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ НА БАЗЕ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА РОТОРНОГО ТИПА
PRIVATE BUILDING HEATING AND HOT WATER SUPPLY SYSTEM BASED ON ROTOR-TYPE HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам, и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения индивидуального жилого фонда.
Известна автономная система отопления для здания индивидуального пользования (см. патент РФ 2162990, МПК F24D 11/00, 15/02. F24J 3/00, публ. 10.02.01 г., бюл. N4), взятая в качестве прототипа. Автономная система отопления содержит замкнутый гидравлический контур с газовой подушкой, насосом, соединенным с теплогенератором гидродинамического кавитационного типа через напорный патрубок с регулятором расхода жидкости, и теплообменники. Теплогенератор выполнен в виде герметичной емкости, расположенной в верхней части гидравлического корпуса и заполненной жидкостью выше трех четвертей своей высоты с образованием газовой подушки в верхней части. Кавитационное устройство выполнено, по меньшей мере, в виде одной струйной форсунки и одного лопастного турбинного колеса, погруженных в жидкость емкости, форсунка подключена к регулятору расхода, а лопастное турбинное колесо расположено напротив форсунки.
Недостатками прототипа являются недостаточное использование функциональных возможностей устройства, недостаточная теплопроизводительность теплогенератора и, следовательно, всей системы отопления и горячего водоснабжения.
Предлагаемым изобретением решается задача: снижение энергозатрат при решении вопросов отопления и горячего водоснабжения.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности работы теплогенератора и оптимизации системы отопления и горячего водоснабжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе отопления, содержащей гидравлический водозаборный контур и замкнутый гидравлический отопительный контур, теплогенератор, насос, соединенный с теплогенератором через напорный патрубок, и теплообменники, связанные с теплогенератором через прямой и через подключенный к всасывающему патрубку насоса обратный трубопроводы замкнутого гидравлического отопительного контура, новым является то, что система снабжена двухсекционной теплошумоизолированной емкостью, на внутренней стенке одной из герметичных секций установлен теплогенератор с приводом от погружного электродвигателя, жестко с ним связанного, и выполнен в виде цилиндрического герметичного корпуса с полостью, внутри которой на валу электродвигателя с возможностью вращения размещен полый перфорированный ротор, внутри которого жестко установлены, по крайней мере, две или более равномерно расположенных радиальных перегородок с n-ым количеством сквозных отверстий, а на цилиндрической поверхности герметичного корпуса теплогенератора размещены, по крайней мере, одно или более равномерно расположенных выходных отверстий с патрубками, изогнутыми по намеченному направлению вращения ротора, входной патрубок первой секции емкости связан с нагнетающим патрубком насоса, а выходной патрубок связан с прямым трубопроводом замкнутого гидравлического отопительного контура, во второй, изолированной от первой, герметичной секции теплошумоизолированной емкости размещен теплообменник, вход которого через автоматический регулирующий клапан связан с первой секцией, а выход - с обратным трубопроводом замкнутого гидравлического отопительного контура, кроме того, к ней подключен гидравлический контур для горячего водоснабжения, а в гидравлическом водозаборном контуре установлен насос для подачи под напором воды в теплошумоизолированную емкость и в гидравлический контур для хозяйственного потребления, система снабжена контрольно-измерительной аппаратурой и запорно-регулирующей арматурой.
Контрольно-измерительная аппаратура и запорно-регулирующая арматура установлены с унифицированными выходными сигналами с возможностью обработки и управления при помощи управляющих и регулирующих средств микропроцессорной техники, что позволяет осуществлять программирование климатических параметров внутри здания, а также параметров по снабжению горячей и холодной водой.
Двухсекционная теплошумоизолированная емкость размещена в шумоизолированном помещении, а гидравлические контуры связаны с ней через компенсаторы.
Размещение теплогенератора с приводом от погружного электродвигателя в первой герметичной секции теплошумоизолированной емкости обусловлено необходимостью высокоэффективной выработки тепловой энергии с минимизированными потерями, что позволяет накапливать нагретую воду с последующим ее использованием. Уровень шума при использовании погружного электродвигателя на 20%-40% ниже уровня шума при использовании электродвигателей общепромышленного назначения.
Через выходной патрубок первой секции теплошумоизолированной емкости нагретая вода поступает в прямой трубопровод системы отопления, а входной патрубок, являющийся входным патрубком теплогенератора, - связан с выходом (нагнетающим патрубком) насоса, вход (всасывающий патрубок) которого связан с обратным трубопроводом системы отопления и горячего водоснабжения. Установка насоса перед входным патрубком теплогенератора необходима для обеспечения стабильного давления на входе в теплогенератор, при отсутствии которого процессы теплообразования будут недостаточно эффективны.
Насос, установленный в гидравлическом водозаборном контуре, при соответствующем срабатывании запорно-регулирующей арматуры служит для обеспечения подпитки системы отопления и горячего водоснабжения, а также для подачи воды для хозяйственных нужд (поливка, мойка автомобиля, пожарный кран и т.п.) из колодца (скважины).
Размещение во второй, изолированной от первой, герметичной секции теплошумоизолированной емкости теплообменника, который с одной стороны через автоматический клапан гидравлически связан с первой секцией, а с другой стороны - с обратным трубопроводом системы отопления и горячего водоснабжения, обусловлено тем, что при открытии автоматического регулирующего клапана происходит нагревание воды при помощи теплообменника, предназначенной для горячего водоснабжения, которая расходуется по мере необходимости. В конкретный момент времени вода может нагреваться как в обеих секциях, так и по отдельности, а также подключение обеих нагрузочных систем может быть как раздельным, так и одновременным.
Через входной патрубок второй секции осуществляется подача воды, расходуемой для горячего водоснабжения, а через выходной - ее раздача после нагревания.
Выполнение теплогенератора в виде цилиндрической герметичной емкости с полостью обусловлено необходимостью установки в этой полости на валу с возможностью вращения полого перфорированного ротора, внутри которого равномерно и жестко установлены радиальные перегородки со сквозными отверстиями.
Выполнение полого перфорированного ротора, внутри которого жестко установлены, по крайней мере, две или более равномерно расположенных радиальных перегородок с n-ым количеством сквозных отверстий, обусловлено необходимостью получения наивысшей теплопроизводительности, которая обеспечивается следующими факторами. Во-первых, при попадании воды внутрь полого ротора продвижение ее к цилиндрической поверхности происходит с многократным торможением и разделением сплошного потока о перегородки со сквозными отверстиями, что приводит к нагреву воды. Во-вторых, при истечении воды из отверстий, размещенных на стенках полого ротора, происходит также выделение тепловой энергии. В-третьих, процесс нагрева сопровождает продвижение жидкости под давлением от насоса и действия центробежных сил между поверхностями полости и наружными поверхностями ротора.
Регулирование теплопроизводительности производится за счет количества радиальных перегородок и количества отверстий на них, что позволяет без увеличения габаритных размеров теплогенератора повысить его потребляемую мощность, а следовательно, и теплопроизводительность.
Размещение на цилиндрической поверхности герметичного корпуса теплогенератора, по крайней мере, одного или более равномерно расположенных выходных отверстий с патрубками, изогнутыми по намеченному направлению вращения ротора, обусловлено необходимостью придания выходящему из полости теплогенератора потоку вращательной составляющей, приводящей к активному перемешиванию разнотемпературных слоев воды в первой секции теплошумоизолированной емкости и их более быстрому и равномерному прогреву.
Контрольно-измерительная аппаратура и запорно-регулирующая арматура установлены с унифицированными выходными сигналами с возможностью обработки и управления при помощи управляющих и регулирующих средств микропроцессорной техники, что позволяет осуществлять программирование климатических параметров внутри здания, а также параметров по горячему водоснабжению, что играет важную роль для потребителя. Кроме температурного режима внутри здания, температуры воды для горячего водоснабжения, при данной схеме возможно временное программирование автоматического режима поливки и тому подобное. Весь комплекс регистрирующих, регулирующих и управляющих средств может функционировать исходя из данных, заложенных в домашнем персональном компьютере.
Другим немаловажным фактором для потребительских свойств системы является то, что двухсекционная теплошумоизолированная емкость размещена в шумоизолированном помещении. В данном случае осуществляется двойная защита от шума, производимого работающим электродвигателем и теплогенератором. Для исключения передачи вибрации, возникающей при работе теплогенератора с погружным электродвигатем, гидравлические контуры соединены с теплошумоизолированной емкостью через компенсаторы.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена система отопления и горячего водоснабжения для здания индивидуального пользования, общая схема; на фиг.2 - теплогенератор; на фиг.3 - схема размещения радиальных перегородок в полом перфорированном роторе теплогенератора.
1
n
1
n
Система отопления и горячего водоснабжения для здания индивидуального пользования на базе теплогенератора роторного типа содержит гидравлический водозаборный контур 1 с колодцем (скважиной) 2, в котором установлен фильтр 3, обратным клапаном 4, редукционным клапаном 5, насосом 6; гидравлический хозяйственный контур 7 с поливочным краном 8, краном для мойки автомобиля и хозяйственного инвентаря 9, краном пожарным 10; замкнутый гидравлический отопительный контур 11 с автоматическим регулирующим клапаном 12, радиаторами отопления P…P 13 (теплообменниками), циркуляционным насосом 14; гидравлический контур для горячего водоснабжения 15 с автоматическим регулирующим клапаном 12, водозаборными кранами K…K 16. Гидравлические контуры 1, 11, 15 связаны с герметичной теплошумоизолированной емкостью 17, имеющей секции 18, 19, изолированные друг от друга, которая размещена в шумоизолированном помещении. На внутренней стенке секции 18 установлен теплогенератор 20, жестко связанный с погружным электродвигателем 21, в секции 19 - теплообменник 22, который одним входом связан с обратным трубопроводом замкнутого гидравлического отопительного контура 11, а другим - с секцией 18.
Система снабжена контрольно-измерительной аппаратурой и запорно-регулирующей арматурой. Для ввода воды из секции 18 в теплообменник 22 установлен автоматический регулирующий клапан 23. Подвод гидравлических контуров 1, 11, 15 к емкости 17 осуществлен через компенсаторы 24. В обеих секциях емкости 17 установлены датчики контроля уровня жидкости 25 и электроконтактные термостаты 26. На трубопроводе гидравлического водозаборного контура 1 после выхода из колодца (скважины) 2 установлена катушка электронного устройства 27 для смягчения жесткой воды. Для управления автоматическими регулирующими клапанами 12, 23 установлены программируемый термостат 28 с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения с дистанционным датчиком температуры воздуха в помещении. Система снабжена расширительным баком 29 с автоматическим воздухоотводчиком 30. Для управления всеми устройствами, размещенными в емкости 17, установлен шкаф управления 31.
Теплогенератор 20 состоит из статора 32 с цилиндрической полостью 33, внутри которой с возможностью вращения на валу погружного электродвигателя 21 жестко закреплен полый перфорированный ротор 34. На внутренней торцевой поверхности статора 32 выполнены радиальные ряды несквозных отверстий 35. В торцевых стенках и в цилиндрической стенке ротора 34 выполнены соответственно радиальные и диаметральный ряд сквозных отверстий 36. Входной патрубок 37 размещен соосно с валом погружного электродвигателя 21 на торцевой поверхности статора 32. Выходные патрубки 38 установлены на цилиндрической поверхности статора 32 и изогнуты по направлению вращения ротора 34. Внутри полого ротора 34 установлены, по крайней мере, две или более равномерно расположенных радиальных перегородок 39 с n-ым количеством сквозных отверстий 40, аналогичных отверстиям 36. Выходной патрубок 41 первой секции 18 теплошумоизолированной емкости 17 связан с прямым трубопроводом 42 замкнутого гидравлического отопительного контура 11, а входной патрубок емкости, являющийся входным патрубком 37 теплогенератора, связан с выходом (нагнетающим патрубком) циркуляционного насоса 14, вход (всасывающий патрубок) которого связан с обратным трубопроводом 43 (патрубки на чертеже не указаны).
Система отопления и горячего водоснабжения для здания индивидуального пользования на базе теплогенератора роторного типа работает следующим образом.
При помощи насоса 6 через гидравлический водозаборный контур 1 заполняются водой из колодца (скважины) 2 гидравлические контура 7, 11, 15. В гидравлическом контуре 1 вода сначала очищается в фильтре 3 от механических примесей. Далее она проходит обработку в электронном устройстве 27 для смягчения жесткой воды, что предотвращает образование накипи во всех элементах системы. При применении данного устройства не происходит непосредственного контакта с водой и не требуется применение химических компонентов. Потом через обратный клапан 4, редукционный клапан 5, насос 6 вода под давлением попадает в секции 18, 19.
Включается насос 14. После достижения стабильной циркуляции жидкости включается погружной электродвигатель 21. Процесс нагревания воды происходит в зазорах между наружными поверхностями ротора 34 и внутренними поверхностями статора 32 в зонах сквозных 36 и несквозных 35 отверстий ротора 34 и статора 32, а также при прохождении сквозных отверстий 40 в перегородках 39. Отвод нагретой воды в секцию осуществляется через выходные патрубки 38, изогнутые по направлению вращения ротора 32. Вода, приобретающая вращательную составляющую, интенсивно перемешивается.
1
n
При использовании гидравлического контура для горячего водоснабжения 15 срабатывает автоматический регулирующий клапан 23, и нагретая вода из секции 18 поступает в теплообменник 22 секции 19 и нагревает чистую воду, поступившую напрямую из колодца (скважины) 2 в секцию 19. Расход воды из кранов К…K 16 регулируется автоматическим регулирующим клапаном 12, который управляется при помощи программируемого термостата 28 с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения.
1
n
Подача теплоносителя (нагретой воды) из секции 18 в замкнутый гидравлический отопительный контур 11 осуществляется через автоматический регулирующий клапан 12, аналогичный вышеуказанному клапану. Тепловая энергия нагретой воды рассеивается через теплообменники, то есть на радиаторах P…P 13. Для облегчения прокачивания воды по обратному трубопроводу 43 замкнутого гидравлического отопительного контура 11 применен циркуляционный насос 14. Управление включением-выключением погружного электродвигателя 21 с теплогенератором 20, контроль температуры и уровня теплоносителя в секциях 18, 19 осуществляется при помощи шкафа управления 31.
Регулирование и контроль температуры осуществляется за счет электроконтактных термостатов 26, а контроль уровня воды - за счет датчиков контроля уровня жидкости 25. При помощи дистанционного датчика температуры, входящего в комплект программируемого термостата 28 с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения, обеспечивается программирование климатических параметров. Для снижения передачи вибрационных колебаний из теплошумоизолированной емкости 17 в систему установлены компенсаторы 24. Через автоматический воздухоотводчик 30, установленный в расширительном баке 29, происходит отвод скопившегося в системе воздуха. При необходимости могут быть установлены дополнительные воздухоотводчики в местах скапливания воздуха. При необходимости проведения поливочных, моечных работ, при возникновении пожароопасных ситуаций после открытия вентиля соответственно используются поливочный кран 8, кран для мойки автомобиля и хозяйственного инвентаря 9, кран пожарный 10. Программируемый термостат 28 с функциями управления системой отопления и системой горячего водоснабжения, электронное устройство 27 для смягчения жесткой воды, другие регулирующие и контрольные устройства с унифицированными выходными сигналами могут быть через устройство согласования (УС) связаны с домашним персональным компьютером (ПК), имеющим соответствующее программное обеспечение. В этом случае, кроме того, что все данные по контролю всех параметров будут собраны в одном месте, возможно осуществление программирования климатических параметров, параметров горячего водоснабжения, режимов поливки, а при наличии пожарных датчиков - автоматическое подключение системы пожаротушения.