Способ получения тепла для обогрева зданий и сооружений и нагревательное устройство для его осуществления

Способ получения тепла для обогрева зданий и сооружений и нагревательное устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к способам и устройствам для получения тепла для обогрева зданий и сооружений и может быть использовано в различных отраслях промышленности и быту, везде, где требуется нагрев каких-либо устройств, участков пространства или площадей.

Известней способ получения тепла, включающий пропускание жидкости-теплоносителя через нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов. В качестве генератора тепловой энергии используют гидросопротивление, через которое гидронасосом нагнетают масло, чтобы преобразовать кинетическую энергию в тепло. Прокачка масла производится без перепуска теплоносителя, что не обеспечивает экономию тепловой энергии (заявка Германии 934341209). Такие же особенности имеет и устройство, описанное в заявке Германии DE 19506679 А1.

Известен способ получения тепла, включающий пропускание теплоносителя через нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии (котел), систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре тепловой насос и трубопровод перепуска между подающим и обратным трубопроводами. При этом давление теплоносителя понижают перед трубопроводом 1 ниже давления насыщенных паров воды. Образовавшийся в результате пар подают при сверхкритическом перепаде давления в обратный трубопровод. При этом образование пара и его последующее смешение с жидким теплоносителем осуществляется с образованием неоднородностей среды, в импульсном колебательном режиме, что может приводить к возникновению вибраций, шумов и других нежелательных эффектов, нарушающих экологические характеристики окружающей среды. Срок службы устройства снижается за счет возникновения разрушений деталей (патент СССР № 1663345).

Известен способ получения тепла, включающий пропускание теплоносителя через нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии (котел), систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, и трубопровод перепуска. При этом поток жидкости содержит микроскопические пузырьки газа или пара, что связано с кавитационными явлениями, имеющими место в данном контуре. Эти явления отрицательно сказываются на экологии и технологичности процесса, экологичности окружающей среды. Кавитационные явления значительно снижают срок службы устройства из-за разрушений деталей, вызванных кавитацией (заявка PCT/RU 97/00299).

Известен также способ получения тепла, включающий пропускание теплоносителя через нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре сетевой насос, и установленный между прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции (авторское свидетельство СССР № 1019180, 1983).

Данные способы и устройства для их осуществления не обеспечивают удовлетворительную экономию топлива или иного теплонесущего агента в генераторе тепловой энергии во всех случаях.

Известен способ получения тепла, включающий пропускание теплоносителя через нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре насос, и установленный с прямым и обратным трубопроводами трубопровод рециркуляции и хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором канавку (патент России № 2096695).

Элемент, содержащий конфузор и диффузор, расположен здесь в подающем трубопроводе. Это приводит к легкому проявлению кавитационных эффектов, мешающих работе устройства и уменьшающих срок его службы. Кроме того, следует отметить, что известное устройство содержит прорезные, продольные канавки в элементе, содержащем конфузор и диффузор.

Данное устройство также не обеспечивает удовлетворительную экономию топлива или иного теплонесущего агента в генераторе тепловой энергии во всех случаях.

Наиболее близким к предложенному можно считать способ получения тепла для обогрева зданий и сооружений, включающий перекачку теплоносителя под давлением, исключающим появление кавитации в потоке теплоносителя, в нагревательном устройстве, содержащем генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос, и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку (заявка PCT/RU 94/000265).

Данный способ получения тепла является существенно более эффективным, чем описанные выше, однако его эффективность ограничена.

Была поставлена задача создания такого способа получения тепла для обогрева зданий и сооружений, которое обеспечило бы более высокую экономию топлива или иного теплонесущего агента в генераторе тепловой энергии.

Данная задача была решена настоящим изобретением.

В способе получения тепла для обогрева зданий и сооружений, включающем перекачку теплоносителя под давлением, исключающим появление кавитации в потоке теплоносителя, в нагревательном устройстве, содержащем генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, согласно изобретению, хотя бы на часть подающего трубопровода, расположенную перед генератором тепловой энергии и/или хотя бы часть трубопровода рециркуляции после упомянутого элемента, содержащего конфузор, диффузор и хотя бы одну кольцевую канавку, воздействуют пульсирующим электромагнитным /или акустическим полями.

Данное воздействие предпочтительно производят пульсирующими с частотой 40-60 Гц электромагнитным и/или акустическим полями.

Перекачку теплоносителя предпочтительно осуществляют насосом с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

Поставленная задача может быть решена также с помощью другого изобретения - нагревательного устройства для осуществления заявленного способа.

Известное нагревательное устройство описано в заявке PCT/RU 94/000265. Данное устройство содержит генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку.

В заявленном нагревательном устройстве, содержащем генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос, и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, согласно изобретению, на подающем трубопроводе перед генератором тепловой энергии и/или хотя бы на одном трубопроводе рециркуляции после упомянутого элемента, содержащего конфузор, диффузор и хотя бы одну кольцевую канавку, установлен генератор пульсирующего электромагнитного и/или акустического полей.

В качестве генератора пульсирующего электромагнитного и/или акустического полей устройство может содержать электромагнитную катушку, витки которой намотаны в одну сторону.

Элемент трубопровода рециркуляции предпочтительно содержит 2-300 кольцевых канавок.

Нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия упомянутого элемента для прохождения жидкости.

Нагревательное устройство предпочтительно содержит управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом.

При этом управляющий блок дополнительно связан с датчиком температуры, расположенным в системе передачи тепла потребителю или в отапливаемом помещении, а также с системой управления расходом топлива в генераторе тепловой энергии.

Система передачи тепла может содержать хотя бы две параллельно расположенные линии обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

Нагревательное устройство также может содержать управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом, а также с насосами с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, содержащимися в параллельно расположенных линиях обогрева, с возможностью управления указанными насосами и перепускным клапаном.

При этом управляющий блок дополнительно связан с датчиком температуры, расположенным в системе передачи тепла потребителю или в отапливаемом помещении.

Хотя бы один первый трубопровод рециркуляции предпочтительно содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

Нагревательное устройство предпочтительно выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия упомянутого элемента для прохождения жидкости.

Элемент трубопровода рециркуляции, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, при прохождении через него рециркулируемой жидкости, как было показано при испытаниях, приводит к выделению тепла, например, за счет создания специфических вихревых потоков жидкости, фазовых структурных переходов и других возможных факторов.

В частности, при прохождении жидкости через данный элемент, например, возможно (в случае фазового перехода) выделение скрытой теплоты фазового перехода, которая, например, для воды составляет 1500 кал/моль.

В случае прокачки холодной воды через трубопровод рециркуляции из обратного трубопровода по направлению к подающему трубопроводу выделение «скрытой теплоты» фазового перехода приведет к нагреву перепускаемой жидкости и, следовательно, приближению ее температуры к температуре подающего трубопровода, что делает возможным смешение нагретой жидкости трубопровода рециркуляции с жидкостью, подаваемой по подающему трубопроводу, нагретому в котле, без заметного снижения ее температуры. Таким образом, количество подаваемой в котел жидкости уменьшается и, следовательно, уменьшается количество топлива, расходуемого на ее нагрев до заданной температуры.

В случае перекачки насосом горячей воды от подающего к обратному трубопроводу также происходит выделение дополнительного количества тепла; горячая вода смешивается с холодной водой обратного трубопровода и поступает в котел с более высокой температурой, что также приводит к уменьшению количества тепла, расходуемого для нагревания воды до требуемой температуры.

При этом, как было показано, именно такое выполнение элемента трубопровода рециркуляции является оптимальным с точки зрения наиболее экономичного перераспределения тепловых потоков в контуре. Это в конечном счете приводит к повышению экономии топлива или иного теплонесущего вещества.

Кроме того, за счет уменьшения сопротивления потоку жидкости в генераторе тепловой энергии (например, водогрейном котле, где применяются узкие трубки, создающие большое сопротивление потоку жидкости) за счет протекания части жидкости в обход генератора тепловой энергии уменьшается затрата электроэнергии, потребляемой сетевым насосом для перекачки жидкости или иного теплоносителя в контуре.

В качестве сетевого насоса целесообразно применять насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости, например, обычный центробежный насос. Это связано с тем, что применение насоса с управляемым расходом перекачиваемой жидкости требует относительно дорогих управляющих электронных устройств.

Однако, при наличии возможности, можно использовать и насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

Воздействие пульсирующим электромагнитным и/или акустическим полями на вышеупомянутые части подающего трубопровода и/или трубопровода рециркуляции позволяет увеличить количество центров фазовых структурных преобразований в жидкости, что приводит к усилению вследствие резонанса явлений, происходящих в вышеописанном элементе трубопровода рециркуляции, и как было экспериментально показано, приводит к увеличению количества выделяемого системой тепла.

В качестве генератора пульсирующего электромагнитного и/или акустических полей можно использовать электромагнитную катушку, витки которой намотаны в одну сторону. Такое выполнение катушки приводит к максимальной амплитуде направленных в одну сторону электрического, магнитного и акустического воздействий (аналог катушки Тесла).

Для дальнейшей оптимизации перераспределения тепловых потоков нагревательное устройство выполняют с возможностью регулирования диаметра отверстия для прохождения жидкости, например, отверстия, находящегося в вышеупомянутом элементе трубопровода рециркуляции. Регулирование можно проводить известными средствами, например, с помощью раздвигаемой диафрагмы.

Если в этом варианте выполнения нагревательное устройство содержит в качестве циркуляционного (сетевого) насос с постоянным расходом перекачиваемой жидкости, то система передачи тепла потребителю при этом может содержать хотя бы один насос с управляемым расходом жидкости. Это позволяет регулировать передачу тепла потребителю и, следовательно, приводит к экономии топлива (тепловыделяющего агента).

Нагревательное устройство может содержать управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом, а также с датчиком температуры, расположенным в системе передачи тепла потребителю или в отапливаемом помещении, и с системой управления расходом топлива в генераторе тепловой энергии. Это позволяет обеспечить автоматическую регулировку параметров нагревательного устройства и параметров теплообмена для достижения наибольшей экономии топлива или иного тепловыделяющего агента, в том числе регулировки для компенсации изменений, связанных с суточным изменением температуры.

Возможен вариант осуществления устройства, в котором система передачи тепла содержит хотя бы две параллельно расположенные линии обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

Это позволяет обеспечить оптимальное распределение тепла между двумя и более потребителями. В этом варианте выполнения нагревательное устройство также может содержать управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом или с перепускным клапаном, а также с насосами с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, содержащимися в параллельно расположенных линиях обогрева, с возможностью управления указанными насосами и перепускным клапаном. Это, как и в предыдущем варианте выполнения устройства, позволяет обеспечить автоматическую регулировку параметров нагревательного устройства и параметров теплообмена для достижения наибольшей экономии топлива или иного тепловыделяющего агента, в том числе регулировки для компенсации изменений, связанных с суточным изменением температуры.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На Фиг.1 изображена общая схема нагревательного устройства.

На Фиг.2 показан элемент трубопровода рециркуляции в разрезе.

На Фиг.3 изображено нагревательное устройство в варианте выполнения с двумя трубопроводами рециркуляции.

На Фиг.4 изображен вариант выполнения нагревательного устройства, содержащего пять параллельно расположенных линий обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, а также управляющий блок.

На Фиг.5 изображена общая схема нагревательного устройства, выполненного по варианту с двумя трубопроводами рециркуляции и регулируемым клапаном.

На Фиг.6 показан вариант выполнения нагревательного устройства, содержащего пять параллельно расположенных линий обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, а также управляющий блок.

Нагревательное устройство содержит генератор тепловой энергии - водогрейный котел 1, подающий 2 и обратный 3 трубопроводы, циркуляционный насос 4, радиатор 5 для передачи тепла в нагреваемое помещение. Позицией 6 обозначен трубопровод рециркуляции с элементом 7, содержащим конфузор 8, диффузор 9 и выполненные между конфузором 8 и диффузором 9 кольцевые канавки 10 и 11. Параллельно расположенные линии обогрева 12 (Фиг.4) содержат насосы 13 с управляемым расходом перекачиваемой жидкости. Устройство содержит управляющий блок 14, связанный электрически с водогрейным котлом 1, регулируемым отверстием в элементе трубопровода 7 и каждым из насосов 13. Позициями 16 и 17 соответственно обозначены часть подающего трубопровода, расположенную перед генератором тепловой энергии, и часть трубопровода рециркуляции после элемента 7. На этих частях 16 и 17 расположены электромагнитные катушки 18 и 19, установленные с возможностью подключения к источнику питания.

В примере по другому варианту выполнения нагревательное устройство содержит генератор тепловой энергии - водогрейный котел 1, подающий 2 и обратный 3 трубопроводы, циркуляционный насос 4, радиатор 5 для передачи тепла в нагреваемое помещение. Позицией 6 обозначен первый трубопровод рециркуляции с элементом 7, содержащим конфузор 8, диффузор 9 и выполненные между конфузором 8 и диффузором 9 кольцевые канавки 10 и 11. Позицией 20 обозначен второй трубопровод рециркуляции с регулируемым клапаном 21. Управляющий блок (шкаф управления) 14 связан (электрически) с циркуляционным насосом 4 или клапаном 21 (показано пунктиром), а также с датчиком температуры (на чертеже не показан), расположенном в радиаторе 5. Позицией 22 обозначен нагнетательный насос, расположенный в первом трубопроводе рециркуляции 6. Параллельно расположенные линии обогрева 12 (Фиг.6) содержат насосы 13 с управляемым расходом перекачиваемой жидкости. Позицией 23 обозначено отверстие для прохода жидкости с регулируемым диаметром D элемента 7.

Устройство работает следующим образом. При включении насоса 4 он начинает перекачивать жидкость по замкнутому контуру. Жидкость поступает в водогрейный котел 1 и нагревается до заданной температуры, после чего через подающий трубопровод 2 поступает в радиатор 5, через который отдает тепло потребителю, и затем возвращается по обратному трубопроводу 3 к насосу 4. При этом часть жидкости поступает не в водогрейный котел 1, а через трубопровод рециркуляции 6 и его элемент 7 поступает в подающий трубопровод 2, где смешивается с горячей водой, поступающей из котла 1. При этом при прохождении элемента 7 жидкость частично разогревается, с том числе в результате скорости вихревых потоков и фазовых структурных переходов. При наличии в нагревательном устройстве управляющего блока 14, который получает сигналы от датчиков температуры, расположенных в отапливаемом помещении, при отклонении температуры от заданной вырабатывает соответствующие сигналы, подаваемые на управляемый регулятор подачи топлива в котле 1, регулируемую диафрагму в элементе 7 и на насосы 13 и 4. Одновременно на катушки 18 и 19 подают напряжение частотой 40-60 Гц, которое создают в соответствующих частях трубопроводов 16 и 17 переменное электромагнитное и акустическое поля.

В другом варианте выполнения при включении насоса 4 он начинает перекачивать жидкость по замкнутому контуру. Жидкость поступает в водогрейный котел 1 и нагревается до заданной температуры, после чего через подающий трубопровод 2 поступает в радиатор 5, через который отдает тепло потребителю, и затем возвращается по обратному трубопроводу 3 к насосу 4. При этом часть жидкости поступает не в радиатор 5, а через первый трубопровод рециркуляции 6 и его элемент 7 поступает в обратный трубопровод 3, где смешивается с холодной водой, поступающей из радиатора 5. При этом при прохождении элемента 7 жидкость дополнительно разогревается, в том числе в результате вихревых потоков и фазовых структурных переходов. При наличии в нагревательном устройстве шкафа управления (управляющего блока) 14, который получает сигналы от датчиков температуры, расположенных в радиаторе 5, при отклонении температуры от заданной вырабатывает соответствующие сигналы, подаваемые на управляемый регулятор подачи топлива в котле 1 и на насос 4 или на клапан 21, который в случае необходимости открывается через шкаф управления 14, обеспечивая тем самым «сброс» избыточного тепла. Одновременно на катушки 18 и 19 подают напряжение частотой 40-60 Гц, которое создают в соответствующих частях трубопроводов 16 и 17 переменное электромагнитное и акустическое поля.

Оптимальным является способ эксплуатации данного устройства, включающий перекачку теплоносителя в контуре под давлением, исключающим появление кавитации в потоке теплоносителя. Специалистам в данной области техники известны условия появления кавитации и методы их расчета. Практически появление кавитации можно обнаружить по резкому возрастанию шума работы трубопровода рециркуляции. Поэтому в случае отсутствия кавитации в процессе работы устройства дополнительные шумы в области трубопровода рециркуляции практически отсутствуют.

1. Способ получения тепла для обогрева зданий и сооружений, включающий перекачку теплоносителя под давлением, исключающим появление кавитации в потоке теплоносителя, в нагревательном устройстве, содержащем генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос, и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, отличающийся тем, что хотя бы на часть подающего трубопровода, расположенную перед генератором тепловой энергии и/или хотя бы часть трубопровода рециркуляции после упомянутого элемента, содержащего конфузор, диффузор и хотя бы одну кольцевую канавку, воздействуют пульсирующим электромагнитным / или акустическим полями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие производят пульсирующими с частотой 40-60 Гц электромагнитным и/или акустическим полями.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перекачку теплоносителя осуществляют насосом с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

4. Нагревательное устройство, содержащее генератор тепловой энергии, систему передачи тепла потребителю, связанные между собой в замкнутый контур посредством подающего и обратного трубопроводов, расположенный в данном контуре хотя бы один циркуляционный насос, и установленный с прямым и обратным трубопроводами хотя бы один трубопровод рециркуляции, при этом упомянутый хотя бы один трубопровод рециркуляции содержит хотя бы один элемент, содержащий конфузор, диффузор и выполненную между диффузором и конфузором хотя бы одну кольцевую канавку, отличающееся тем, что на подающем трубопроводе перед генератором тепловой энергии и/или в хотя бы на одном трубопроводе рециркуляции после упомянутого элемента, содержащего конфузор, диффузор и хотя бы одну кольцевую канавку, установлен генератор пульсирующего электромагнитного и/или акустического полей.

5. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве генератора пульсирующего электромагнитного и/или акустического полей оно содержит электромагнитную катушку, витки которой намотаны в одну сторону.

6. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что элемент трубопровода рециркуляции содержит 2-300 кольцевых канавок.

7. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия упомянутого элемента для прохождения жидкости.

8. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что оно содержит управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом.

9. Нагревательное устройство по п.8, отличающееся тем, что управляющий блок дополнительно связан с датчиком температуры, расположенным в системе передачи тепла потребителю или в отапливаемом помещении, а также с системой управления расходом топлива в генераторе тепловой энергии.

10. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что система передачи тепла содержит хотя бы две параллельно расположенные линии обогрева, каждая из которых содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

11. Нагревательное устройство по п.9, отличающееся тем, что оно содержит управляющий блок, связанный с циркуляционным насосом, а также с насосами с управляемым расходом перекачиваемой жидкости, содержащимися в параллельно расположенных линиях обогрева, с возможностью управления указанными насосами и перепускным клапаном.

12. Нагревательное устройство по п.10, отличающееся тем, что управляющий блок дополнительно связан с датчиком температуры, расположенным в системе передачи тепла потребителю или в отапливаемом помещении.

13. Нагревательное устройство по п.4, отличающееся тем, что хотя бы один первый трубопровод рециркуляции содержит насос с управляемым расходом перекачиваемой жидкости.

14. Нагревательное устройство по п.13, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью регулирования диаметра отверстия упомянутого элемента для прохождения жидкости.