Патент на изобретение №2272965

(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области систем теплоснабжения, предназначенных для отопления и горячего водоснабжения потребителей тепла. Технический результат: повышение термодинамической эффективности преобразования энергии, понижение металлоемкости, энергоемкости, т.е. повышение экономической эффективности. Автономная система теплоснабжения содержит основной замкнутый контур и включает в себя теплогенератор, побудитель движения теплоносителя с приводом, расширительный бак, подающий, обратный и соединительный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру и устройство автоматического регулирования температуры с датчиком температуры, связанное цепями управления с блоком управления, причем в систему объединены пять взаимосвязанных между собой контуров: основной замкнутый циркуляционный контур, малый замкнутый контур, контур между пластинчатыми теплообменниками, контур горячего водоснабжения (ГВС), контур системы обогрева потребителей. 1 ил.

Изобретение предназначено для отопления и горячего водоснабжения потребителей тепла, в том числе как аварийный, или автономный источник теплоснабжения, там, где отсутствуют централизованные источники теплоснабжения, или там, где нельзя применить стандартные теплогенераторы, работающие как на жидком, так и на твердом топливе.

Из «Справочника проектировщика «Отопление, водопровод и канализация» М.: Стандарт, 1967 г., разд.3 и 4, стр.41 известна система центрального водоснабжения, характеризующаяся большой металлоемкостью и материалоемкостью, требующей значительных площадей для размещения, обеспечения запаса, хранения запаса топлива, затрат на транспортировку конечного продукта до потребителя, (что связано с большими потерями).

Недостатком данной системы является большая металлоемкость и материалоемкость, для размещения ее требуется значительная площадь, большие запасы топлива, транспортирование конечного продукта до потребителей, связанное с большими потерями.

Из этого же справочника, гл. 17, известны системы теплоснабжения, в которых теплогенераторы работают от электросети.

Однако, как правило, применяют местные электроприборы, а там, где применяются емкостные электрокотлы, на них также расходуется значительное количество металла и все характеризуются большим энергопотреблением.

Наиболее близким аналогом является система теплоснабжения потребителей, защищенная патентом РФ №2059162, Кл. F 24 D 3/02, 3/08.

Данная система содержит замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий теплогенератор, побудитель движения теплоносителя с приводом, расширительный бак, обратный и соединительный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру и устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя с датчиком температуры, размещенным на подающем трубопроводе за теплогенератором и цепями управления, причем устройство автоматического регулирования температуры теплоносителя содержит блок управления, связанный цепями управления с датчиками температуры и приводом побудителя движения теплоносителя. При этом теплогенератор выполнен в виде вихревой трубы с тангенциальным подводом теплоносителя через конфузор и форсунку от побудителя движения, причем обводная линия с запорно-регулирующей арматурой сообщена с подающим и обратным трубопроводами с возможностью перепуска теплоносителя до потребителя тепла, а на выходе теплоносителя из вихревой трубы размещен гаситель скорости.

Недостаток этой системы – низкая термодинамическая эффективность преобразования энергии, вследствие чего данная система не может обогревать помещение больше, чем 3500 м³, а если и создавать на их базе схемы, то они будут отличаться металлоемкостью, энергоемкостью, и, как следствие, экономической неэффективностью.

Заявляемое техническое решение представляет собой систему автономного теплоснабжения, состоящую из пяти взаимодействующих между собой контуров циркуляции жидкого теплоносителя:

– основной замкнутый циркуляционный контур,

– малый замкнутый контур,

– контур между пластинчатыми теплообменниками,

– контур горячего водоснабжения,

– контур системы обогрева потребителей.

Описываемая конструкция представлена на чертеже, где

1 – бак;

2 – блок теплогенераторов;

3 – запорная арматура, открывающая доступ к системе холодного водоснабжения;

4 – запорная арматура, соединяющая обратную систему горячего водоснабжения, далее – ГВС, со входом в бак;

5 – запорная арматура, связанная с входом в насосную группу, а также образующая соединение с питающей линией ГВС;

6,7 – запорная арматура, стоящая на входе насоса, соединяющаяся через трубопроводы с запорной арматурой 5 и 21;

8 – насосы, входящие в насосную группу;

9, 10 – запорная арматура, стоящая на выходе насоса насосной группы, соединяющаяся через трубопровод с запорной арматурой 12, 13;

11 – электромагнит, находящийся на подающей линии перед входом в блок теплогенераторов 2, находящийся между запорной арматурой 9, 10 и 12,13;

12, 13 – запорная арматура, стоящая перед входом в блок теплогенераторов 2 и соединяющаяся посредством трубопровода с запорной арматурой 9, 10;

14, 15 – запорная арматура, стоящая на выходе из блока теплогенераторов 2, соединенная с входом 19 пластинчатого теплообменника №1 (первого пластинчатого теплообменика) – далее по тексту ПТ №1;

21 – запорная арматура, расположенная на выходе 20 ПТ №1 и связанная посредством системы трубопроводов с запорной арматурой 5,6,7;

22 – блок контроля и управления системой автономного теплоснабжения, связанный цепями управления с датчиками температуры 23,24,25 электромагнитом 11, электродвигателями насосной группы 8;

23 – датчик температуры, расположенный между выходом 20 ПТ №1 и запорной арматурой 21;

24 – датчик температуры, расположенный на выходе 30 пластинчатого теплообменника №2 (второго пластинчатого теплообменника), далее по тексту ПТ №2;

25 – датчик температуры, расположенный на выходе 43 ПТ №1;

26 – блок управления подпиткой ГВС, связанный цепями управления с запорной арматурой 3, 4 и регулируемым водоуказательным устройством 27;

27 – регулируемое водоуказательное устройство, врезанное в бак посредством системы трубопроводов и связанное с цепями управления с блоком 26;

28 – система потребителей ГВС и теплоснабжения;

29 – вход в пластинчатый теплообменник №2, соединенный посредством трубопровода с циркуляционным насосом 33;

30 – выход из пластинчатого теплообменника №2, соединенный с трубопроводом подачи ГВС;

31 – вход в пластинчатый теплообменник №2, соединенный с запорной арматурой 38, 39 посредством трубопроводов;

32 – выход из пластинчатого теплообменника №2, соединенный трубопроводом с циркуляционным насосом 34;

33 – циркуляционный насос, соединенный трубопроводом с входом 29 ПТ №2 и обратным клапаном 35;

34 – циркуляционный насос, соединенный трубопроводом с входом 32 ПТ №2 и запорной арматурой 36;

35 – обратный клапан, соединенный с циркуляционным насосом 33 и запорной арматурой 5, 16, 17, 18 системой трубопроводов;

36 – запорная арматура, расположенная между циркуляционным насосом 34 и входом 44 пластинчатого теплообменника №1;

37 – запорная арматура, соединенная посредством системы трубопроводов между запорной арматурой 36 и входом 44 ПТ №1 с одной стороны, с другой стороны – с обратной системой теплоснабжения;

38 – запорная арматура, расположенная на обратной системе теплоснабжения перед входом 31 ПТ №2;

39 – запорная арматура, соединенная посредством трубопроводов между выходом 43 ПТ №1 и перед входом 31 ПТ №2;

40 – запорная арматура, соединенная посредством трубопроводов между выходом 43 ПТ №1 и подающей системой теплоснабжения;

41 – циркуляционный насос системы теплоснабжения, установленный на подающей линии системы теплоснабжения после обратного клапана 42;

42 – обратный клапан, расположенный между циркуляционным насосом 41 и выходом 43 ПТ №1;

43 – выход из ПТ №1;

44 – вход в ПТ №1;

45 – запорная арматура, стоящая на входе из централизованной системы отопления и теплоснабжения потребителей, далее по тексту ЦСТ;

46 – запорная арматура, стоящая на выходе из системы теплоснабжения потребителей и ЦСТ.

Основной замкнутый циркуляционный контур выполнен в виде системы, состоящей из блока теплогенераторов 2, установленных в баке 1, связанных трубопроводом и запорной арматурой 14 и 15 с ПТ №1, который в свою очередь связан через трубопровод с запорной арматурой 21 с входом в группу насосов 8 через запорную арматуру 6 и 7. На выходе запорной арматуры 9, 10 на напорном трубопроводе установлен электромагнит 11. Далее через запорную арматуру 12, 13 осуществляется связь с входом в блок теплогенераторов 2, установленных в баке 1.

Малый замкнутый контур состоит из системы трубопроводов и установленных на ней запорной арматуры 5, 6, 7, 9,10, 12, 13, 16, 17 и электромагнита 11, связывающих насосную группу 8 с блоком теплогенераторов 2, установленных в баке 1.

Контур между пластинчатыми теплообменниками, состоящей из системы трубопроводов, связывающих выход 43 ПТ №1 с входом 31 ПТ №2 через запорную арматуру 39, выход 32 ПТ №2 с входом 44 ПТ №1 через циркуляционный насос 34 и запорную арматуру 36.

Контур горячего водоснабжения выполнен в виде системы, состоящей из блока теплогенераторов 2, расположенных в баке 1. Выход из бака 1 через запорную арматуру 18, обратный клапан 35 и циркуляционный насос 33 связан трубопроводами с входом 29 ПТ №2. Выход 30 ПТ №2 связан системой трубопроводов с подающей линией ГВС 28, далее обратная линия ГВС вмонтирована в бак посредством трубопроводов через запорную арматуру 4.

Контур системы обогрева потребителей выполнен в виде системы, состоящей из ПТ №1, выход 43 которого посредством трубопроводов связан с подающей системой теплоснабжения потребителей 28 через запорную арматуру 40, обратный клапан 42 и циркуляционный насос 41. Обратный трубопровод системы теплоснабжения потребителей 28 связан с входом 31 в ПТ №2 через запорную арматуру 38, выход 32 из ПТ №2 связан с входом 44 ПТ №1 посредством системы трубопроводов через циркуляционный насос 34 и запорной арматурой 36, также обратный трубопровод системы теплоснабжения потребителей 28 связан с входом 44 в ПТ №1 посредством системы трубопроводов через запорную арматуру 37.

Целью изобретения является создание автономной системы теплоснабжения экономически и термодинамически эффективной с блоком теплогенераторов, которые отличаются надежностью, малой материалоемкостью, не требующих обеспечения топливом (хранения, складирования и т. д.) и которые могли бы размещаться в любом месте (например, подвал, или цокольный этаж). Кроме того, автономная система теплоснабжения должна быть автоматизирована, легко регулироваться по температуре и давлению теплоносителя и иметь расширенные технологические возможности, в частности способна обогреть 9 – 10 этажный жилой дом или иной объем не менее 30000 куб. м.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой системы, заключается в том, что наиболее эффективно используется несколько циркуляционных контуров, связанных в единую автономную систему, где имеются

– основной замкнутый циркуляционный контур, который используется с большей термодинамической и экономической эффективностью преобразования энергии за счет применения электромагнита, а также применения наименее энергоемких насосов насосной группы, применения блока теплогенераторов, отключаемых по мере необходимости; применения пластинчатых теплообменников, отличающихся эффективным теплосъемом, эффективной гидравлической наладки всей системы, коэффициентом теплопередачи, в 3-4 раза большим, чем в кожухорубных, благодаря специальному гофрированому профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков теплоносителей, в результате – большим КПД;

– малый замкнутый контур, который автономно используется при запуске системы, когда он работает для доведения параметров теплоносителей до оптимальных значений;

– контур между пластинчатыми теплообменниками, который используется для нужд горячего водоснабжения в межсезонье, когда не требуется осуществлять обогрев помещений;

– контур горячего водоснабжения, который работает с большим термодинамическим эффектом преобразования энергии ввиду предварительного подогрева воды, идущей для нужд горячего водоснабжения, и дальнейшего подогрева воды до нужной температуры в высокоэффективном пластинчатом теплообменнике;

– контур системы обогрева потребителей, который работает с наибольшей термодинамической эффективностью за счет применения двух пластинчатых теплообменников, в котором применен способ рациональной обвязки этих теплообменников между собой, применения двух циркуляционных насосов, что в совокупности приводит к наибольшему термодинамическому эффекту.

Данная автономная система теплоснабжения отличается от прототипа наличием пяти взаимодействующих между собой контуров циркуляции жидкого теплоносителя, автоматически регулируемых блоками контроля и управления по параметрам трех основных систем (основной замкнутый циркуляционный контур, контур горячего теплоснабжения и контур системы обогрева потребителей).

Работа системы начинается с запуска работы малого замкнутого контура, через который осуществляется запуск всей системы, благодаря доведению параметров теплоносителей до оптимальных значений. Через блок управления подпиткой 26 открывается запорная арматура 3, а также открывается запорная арматура 18, 5, 6, 7, 9, 10, 12-15, 21, 16,17 и происходит заполнение бака 1 до нужного значения, а также малого и основного замкнутого циркуляционного контуров теплоносителем. После заполнения всех контуров и бака теплоносителем (водой) происходит закрытие запорной арматуры 14, 15, 18, 3. Из теплогенераторов 2, установленных в баке 1, теплоноситель циркулирует по системе трубопроводов через запорную арматуру 5, 6, 7, 9,10, 12, 13, 16, 17, электромагнит 11, насосную группу 8 и обратно возвращается в блок теплогенераторов 2, установленных в баке 1.

При достижении температуры 60°С задействуется основной замкнутый циркуляционный контур, при этом открываются задвижки 14 и 15, закрываются задвижки 16, 17 и 5.

Основной замкнутый циркуляционный контур работает следующим образом: теплоноситель проходит через блок 1 теплогенераторов 2, конструктивная особенность которых позволяет снизить скорость и давление теплоносителя, согласно известным законам термодинамики, изменяется механическая энергия жидкости, которая приводит к росту температуры теплоносителя. Блок теплогенераторов 2 погружен в бак 1 с верхней герметически закрытой крышкой, внутри окрашенный кремнеорганической краской с t 150°С и снаружи изолированный теплоизоляционным материалом. Теплоноситель, циркулируя по трубопроводу через запорную арматуру 14 и 15, попадает на вход 19 пластинчатого теплообменника №1, отдает тепло нагреваемой среде и через выход 20 ПТ №1 по трубопроводу через запорную арматуру 21, 6, 7 попадает на вход насосов 8, далее через запорную арматуру 9, 10, по напорному трубопроводу, на котором установлен электромагнит 11, линии напряженности которого направлены перпендикулярно движению теплоносителя – для увеличения тепловыделения (так называемого «аномального» тепла). Далее через запорную арматуру 12, 13 теплоноситель обратно возвращается в блок теплогенераторов 2, установленных в баке 1. Данный контур управляется через блок контроля и управления 22 согласно сигналам с датчика 23.

Контур между пластинчатыми теплообменниками включается в работу тогда, когда не требуется обогрев помещений, а потребителям необходимо горячее водоснабжение. Циркуляция теплоносителя по контуру между пластинчатыми теплообменниками осуществляется по трубопроводам, связывающим выход 43 ПТ №1 с входом 31 ПТ №2 через запорную арматуру 39, выход 32 ПТ №2 с входом 44 ПТ №1 через циркуляционный насос 34 и запорную арматуру 36, при этом запорная арматура 37, 38, 40 закрыта. Контроль за параметрами теплоносителя в этом контуре осуществляется блоком контроля и управления 22 по показаниям датчиков 23, 24, 25.

Контур горячего водоснабжения служит для нагревания воды, идущей для нужд потребителя, которая аккумулируется в баке 1, где установлен блок теплогенераторов 2. Нагреваемая вода, идущая для нужд потребителя, предварительно подогревается через стенки теплогенераторов, проходит по трубопроводу через запорную арматуру 18, обратный клапан 35 и циркуляционный насос 33 и поступает на вход 29 ПТ №2, нагреваясь в нем до заданной температуры, по напорному трубопроводу подается потребителю ГВС 28. Вода через обратный трубопровод ГВС посредством трубопровода через запорную арматуру 4 обратно возвращается в бак 1.

Для регулирования автоматической подпитки ГВС и бака 1 служит блок управления 26. Подпитка водой осуществляется через запорную арматуру 3 из скважины, центральных источников водоснабжения или других источников воды по трубопроводу непосредственно в бак 1. При достижении минимального уровня воды в баке 1 в блок управления 26 поступает сигнал от регулируемого водоуказательного устройства 27, открывается запорная арматура 3 и закрывается запорная арматура 4. При заполнении бака 1 до определенного уровня поступает сигнал в блок управления 26, который дает команду на закрытие запорной арматуры 3 и открытие запорной арматуры 4. Контроль за параметрами теплоносителя в этом контуре осуществляется блоком контроля и управления 22 по показаниям датчиков 23, 24, 25.

Контур системы обогрева потребителей служит для теплоснабжения потребителей, задействован в холодный период и может работать в различных режимах.

В обычном режиме теплоноситель, циркулируя по контуру обогрева потребителя, посредством циркуляционного насоса 34 по трубопроводу через запорную арматуру 36 попадает на вход 44 ПТ №1, где нагревшись до заданной температуры, через выход 43 ПТ №1 по трубопроводу через запорную арматуру 40 поступает в подающую линию теплоснабжения потребителей 28, где конвективно отдав тепло потребителям, возвращается по обратной линии теплоснабжения через запорную арматуру 38 на вход 31 ПТ №2, нагревает воду, идущую для нужд ГВС, через выход 32 ПТ №2 поступает на вход циркуляционного насоса 34. При этом запорная арматура 37, 39 закрыта, циркуляционный насос 41 не работает, а может включаться по мере необходимости (для более эффективной теплоотдачи в наиболее холодный период).

При понижении наружной температуры задвижка 40 закрывается, теплоноситель через обратный клапан 42, циркуляционный насос 41 поступает в подающую линию теплоснабжения потребителей 28, где конвективно отдав тепло потребителям, возвращается по обратной линии теплоснабжения через запорную арматуру 38 на вход 31 ПТ №2, нагревает воду, идущую для нужд ГВС, через выход 32 ПТ №2 поступает на вход циркуляционного насоса 34, по трубопроводу через запорную арматуру 36 попадает на вход 44 ПТ №1, нагревшись до заданной температуры, через выход 43 ПТ №1 по трубопроводу попадает на вход обратного клапана 42. При этом запорная арматура 37, 39 закрыта.

В ночное время или по другим экономическим соображениям возможно закрытие запорной арматуры 36, 38, 39, 40 и открывание запорной арматуры 37, выключение циркуляционных насосов 33, 34 и включение циркуляционного насоса 41.

Автономная система теплоснабжения работает в автоматическом режиме через блок контроля и управления 22. Согласно сигналам датчиков 23-25, установленных на основных контурах системы, поступающим по электрическим цепям в блок контроля и управления 22, включаются и отключаются электрические приборы, входящие в систему.

Формула изобретения

Автономная система теплоснабжения, содержащая основной замкнутый контур, включающая теплогенератор, побудитель движения теплоносителя с приводом, расширительный бак, подающий, обратный и соединительный трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру и устройство автоматического регулирования температуры с датчиком температуры, связанное цепями управления с блоком управления, отличающаяся тем, что в систему объединены пять взаимосвязанных между собой контуров: основной замкнутый циркуляционный контур, малый замкнутый контур, контур между пластинчатыми теплообменниками, контур горячего водоснабжения – ГВС, контур системы обогрева потребителей, при этом основной замкнутый циркуляционный контур выполнен в виде системы, состоящей из блока теплогенераторов, установленных в баке, связанного трубопроводом и запорной арматурой, установленными на выходе из блока теплогенераторов, с первым пластинчатым теплообменником, который в свою очередь связан через трубопровод с запорной арматурой, стоящей на выходе из первого пластинчатого теплообменника, с входом в группу насосов через запорную арматуру; на выходе из насосной группы через запорную арматуру на напорном трубопроводе установлен электромагнит, далее через запорную арматуру, стоящую на входе в блок теплогенераторов, осуществляется связь с входом в блок теплогенераторов, установленных в баке; малый замкнутый контур состоит из системы трубопроводов и установленных на ней запорной арматуры и электромагнита, связывающих насосную группу с блоком теплогенераторов, установленных в баке; контур между пластинчатыми теплообменниками состоит из системы трубопроводов, связывающих выход первого пластинчатого теплообменника с входом второго пластинчатого теплообменника через запорную арматуру, выход второго пластинчатого теплообменника – с входом первого пластинчатого теплообменника через циркуляционный насос и запорную арматуру; контур горячего водоснабжения выполнен в виде системы, состоящей из блока теплогенераторов, расположенных в баке, выход из бака через запорную арматуру, обратный клапан и циркуляционный насос связан трубопроводами с входом второго пластинчатого теплообменника, выход второго пластинчатого теплообменника системой трубопроводов связан с подающей линией системы потребителей ГВС, обратная линия ГВС посредством трубопроводов через запорную арматуру связана с входом в бак; контур системы обогрева потребителей выполнен в виде системы, состоящей из первого пластинчатого теплообменника, выход которого посредством трубопроводов связан с подающей системой теплоснабжения потребителей через запорную арматуру, обратный клапан и циркуляционный насос, где обратный трубопровод системы теплоснабжения потребителей связан с входом во второй пластинчатый теплообменник через запорную арматуру, выход из второго пластинчатого теплообменника связан с входом первого пластинчатого теплообменника посредством системы трубопроводов через циркуляционный насос и запорную арматуру, обратный трубопровод системы теплоснабжения потребителей связан с входом в первый пластинчатый теплообменник посредством системы трубопроводов через запорную арматуру; блок теплогенераторов, установленных в баке, изолирован термоматериалами от внешней среды; блок насосов соединен параллельно; блок контроля и управления всей автономной системой теплоснабжения связан цепями управления с датчиками температуры, установленными на трех системах – на основном замкнутом циркуляционном контуре, контуре ГВС и контуре обогрева потребителей электродвигателями насосов и электромагнитом; блок управления подпиткой ГВС связан цепями управления с запорной арматурой, стоящей на линии холодного водоснабжения и обратном трубопроводе ГВС и с регулируемым водоуказательным устройством, вмонтированным в бак с блоком теплогенераторов.

РИСУНКИ