способ очистки элементов и систем отопления и горячего водоснабжения от твердых отложений и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ очистки внутренних поверхностей элементов и систем отопления и горячего водоснабжения от твердых отложений, включающий в себя генерацию в предварительно заполненной водой очищаемой системе, посредством импульсов сжатого воздуха ударных волн для разрушения отложений и удаления их из очищаемой системы потоком воды, отличающийся тем, что ударные волны генерируют воздействием на заполняющую систему воду вакуумом и импульсами сжатого воздуха экспоненциальной формы с большой крутизной переднего фронта, при этом давление сжатого воздуха для генерирования ударной волны выбирают не выше расчетного рабочего давления в очищаемой системе, а воду в системе во время воздействия импульса разгоняют порцией воздуха до скоростей, вызывающих кавитационный эффект.

2. Устройство для очистки внутренних поверхностей элементов и систем отопления и горячего водоснабжения от твердых отложений, включающее очищаемую систему, трубопроводы, гидроблок и запорную арматуру, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено ресивером и импульсным клапаном, конструктивно объединенных в одном блоке, с подсоединенным к нему коммутатором, причем коммутатор установлен с возможностью соединения очищаемой системы с импульсным клапаном и со сливной магистралью.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Группа изобретений относится к очистке внутренних поверхностей систем и элементов центрального водяного отопления зданий от твердых, в основном илистых отложений и может быть использована в коммунальном хозяйстве для прочистки забившихся и засорившихся радиаторов центрального отопления, стояков и трубопроводной обвязки, для очистки автономных систем водоснабжения и внутренних поверхностей теплообменного оборудования.

Предшествующий уровень техники

Общеизвестно, что образование накипи из воды при ее нагревании в теплообменном оборудовании снижает его теплотехнические параметры, ухудшая теплообмен из-за низкой теплопроводности накипи и уменьшая проходные сечения теплообменных аппаратов.

В системах отопления накипь не образуется, так как в них идет обратный процесс - передача тепла от теплоносителя к воздуху. Однако, из-за малых скоростей потока теплоносителя, в радиаторах и трубопроводах осаждаются имеющиеся в воде твердые частицы, постепенно уменьшая проходные сечения трубопроводов и радиаторов и затрудняя циркуляцию теплоносителя в системе. Указанные явления ведут к образованию застойных зон, перераспределению потока теплоносителя, снижению скорости циркуляции и, как следствие, к неравномерному нагреву отопительных элементов и общему снижению эффективности работы системы отопления.

Известны способ очистки внутренних поверхностей отопительных радиаторов внутридомовых тепловодосетей и устройство для его осуществления (1). Способ включает отсоединение радиаторов от отопительной системы, заполнение их водой с воздушной подушкой и создание гидроударов. В известном способе создают зоны гидроударов, формируют их сжатым воздухом в каждой секции радиатора в нижней части в двух направлениях в сторону вертикальных полостей и улавливают водовоздушную жидкость с разрушенными отложениями через верхнюю часть радиатора, после чего отделяют от отложений и возвращают жидкость в нижнюю часть радиатора, причем импульсы сжатого воздуха подают после обработки предыдущей секции поочередно в последующую секцию и контролируют зоны гидроударов под вертикальными полостями каждой секции.

Недостатками данного способа являются необходимость отсоединения отопительной батареи от системы отопления для осуществления очистки, сложность и громоздкость оборудования для очистки, невозможность очищать остальные элементы системы отопления (стояки и трубопроводную обвязку). Процесс очистки носит длительный характер, так как очищать каждую секцию батареи необходимо последовательно.

Известен также способ очистки теплообменных элементов (2). Способ заключается в погружении теплообменного элемента в емкость с водой и воздействии на него электрогидравлическими ударами посредством системы электродов. Кроме того, в известном способе заполнение водой теплообменного элемента производят не более чем на 90%, а энергию к средним электродам подают в 1,5-3,0 раза ниже, чем к крайним электродам, при этом высоковольтные электроды размещают с двух противоположных сторон каждого теплообменного элемента, а воздействие электрогидравлических ударов совмещают с погружением элементов в контейнер с водой и извлечением из него.

Недостатки данного способа - большая трудоемкость при отсоединении отопительных батарей от системы отопления и их обратная установка, сложная аппаратура и длительный процесс очистки, невозможность комплексной очистки системы отопления.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются способ очистки внутренних поверхностей трубопроводов от загрязнений и устройство для его осуществления (3). Способ включает генерацию ударных волн в жидкости резкой подачей под большим давлением импульсов сжатого воздуха. При этом ударную волну генерируют в непосредственной близости от входа в трубопровод в гидроблоке, а заполнение трубопровода рабочей жидкостью и слив загрязнений осуществляют также через гидроблок в одном замкнутом цикле.

Устройство для осуществления способа содержит пневмотаран с источником сжатого воздуха и гидроблок в виде креста, сообщающийся одной парой патрубков с пневмотараном и трубопроводом, а другой - с источником рабочей жидкости и емкостью для слива. Гидроблок выполнен с возможностью попеременного попарного соединения «пневмотаран - трубопровод», «рабочая жидкость - трубопровод» и «трубопровод - емкость для слива». Патрубок, сообщающийся с трубопроводом, снабжен фланцевой гайкой с переходником для подсоединения к трубам различного диаметра, а остальные патрубки снабжены шаровыми вентилями.

Недостатком этого способа очистки внутренней поверхности трубопроводов от загрязнений является невозможность их эффективной очистки при соблюдении требований по технике безопасности, поскольку повышение давления в очищаемой системе вследствие воздействия высоким давлением воздуха может привести к повреждению очищаемой системы и появлению опасности травматизма на производстве.

Задача, решаемая изобретением

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение качества и скорости очистки, снижение трудозатрат, простота в работе и повышение безопасности в обслуживании оборудования.

Раскрытие изобретения

Для решения поставленной задачи предлагается способ очистки элементов и систем отопления и горячего водоснабжения от твердых отложений путем создания в предварительно заполненной водой очищаемой системе, посредством импульсов сжатого воздуха, гидроударов и кавитационного эффекта для разрушения отложений и удаления их из очищаемой системы потоком воды. При этом согласно изобретению ударную волну генерируют путем воздействия на воду, заполняющую систему, вакуумом и импульсами сжатого воздуха экспоненциальной формы с большой крутизной переднего фронта, при этом давление сжатого воздуха для генерирования ударной волны выбирают не выше расчетного рабочего давления в очищаемой системе, а для перемешивания разрушенных отложений с водой воду в системе во время воздействия импульса разгоняют подаваемой в систему порцией воздуха до скоростей, вызывающих кавитационный эффект.

Сжатый воздух образует в заполненной водой системе водовоздушную смесь и разгоняет ее до больших скоростей, что приводит к возникновению эффекта кавитации на границах раздела вода - отложения - стенки. Фронт ударной волны и кавитация разрушают скопившиеся на стенках системы отложения, а водовоздушная смесь интенсивно перемешивает их и образует взвесь, которая через коммутатор удаляется из системы потоком воды в сливную магистраль. Таким образом, способ включает в себя создание посредством импульсов сжатого воздуха в предварительно заполненных водой обогревательных элементах и системе отопления одновременно как гидроударов, так и кавитационного эффекта, что способствует более полному разрушению отложений и удалению их из системы потоком воды.

Для реализации способа предлагается устройство (см фиг.1), включающее ресивер 1 в виде герметичного сосуда для аккумуляции сжатого воздуха с установленными на нем штуцером 2 для подвода воздуха и манометром 3. Внутри ресивера, для исключения соединительных магистралей и, как следствие, дополнительного сопротивления, размещен импульсный клапан 4 с подсоединенным к выходному отверстию импульсного клапана коммутатором 5, обеспечивающим соединение ресивера посредством патрубков 6 и 7 и запорных элементов 8 и 9 с очищаемой системой или со сливной магистралью, соответственно.

Импульсный клапан 4 (см. фиг.2) представляет собой корпус 10, внутри которого размещен дифференциальный поршень 11 и пружина 12. Под воздействием пружины дифференциальный поршень своим меньшим диаметром 13 прижат к выходному отверстию клапана 4 и запирает его. Камера 14 дифференциальной ступени поршня сообщается непосредственно с внутренним объемом ресивера 1, а камера 15 под поршнем сообщается с клапаном управления (не показан) и через дроссель 16 малого проходного сечения - с ресивером.

Импульсный клапан работает следующим образом.

Импульсный клапан в исходном состоянии закрыт. В ресивере 1 создают давление сжатого воздуха. Из ресивера сжатый воздух заполняет дифференциальную камеру 14 и через дроссель 16 - камеру 15 под поршнем 11, создавая усилие, равное произведению давления на площадь сечения выходного отверстия клапана 4, по направлению совпадающее с усилием пружины 12. При достижении в ресивере рабочего давления открывают клапан управления и сообщают камеру 15 под поршнем с атмосферой. Так как проходное сечение клапана управления многократно превышает проходное сечение дросселя, давление в камере 15 под поршнем начинает быстро уменьшаться, в то время как давление в камере 14 дифференциальной ступени остается неизменным. Усилие, возникающее от воздействия давления сжатого воздуха на дифференциальную ступень поршня 11, преодолевает усилие пружины 12 и отрывает поршень от выходного отверстия клапана 4. Сжатый воздух начинает воздействовать на малый диаметр поршня 11, усилие воздействия суммируется с усилием на дифференциальной ступени, и поршень с ускорением перемещается от выходного отверстия. Одновременно сжатый воздух воздействует на столб воды, находящийся в выходном отверстии клапана, возбуждает в ней ударную волну и, вытесняя воду, проникает в очищаемую систему. В результате проникновения воздуха в очищаемую систему давление в ресивере и в дифференциальной камере, а равно и усилие воздействия на поршень уменьшаются, поршень под воздействием пружины перемещается к выходному отверстию клапана и запирает его.

Реализация способа

На очищаемой системе в местах подключения устройства устанавливают шаровые краны и систему заполняют водой. К шаровому крану в выбранной точке системы подсоединяют патрубок, второй конец которого соединяют с коммутатором. В исходном состоянии шаровые краны коммутатора и очищаемой системы закрыты. К коммутатору подсоединяют рукав для слива воды из системы, а к ресиверу подключают напорный рукав от источника сжатого воздуха (компрессора). С помощью компрессора в ресивере создают давление воздуха, контролируя величину по показаниям манометра на компрессоре или на ресивере. При достижении рабочего давления в ресивере открывают шаровой кран на входе в очищаемую систему, а также шаровые краны коммутатора для удаления воздуха из патрубка и коммутатора, заполнения патрубка водой и обеспечения контакта воды с импульсным клапаном. Наличие воздуха в коммутаторе и в патрубке негативно сказывается на процессе формирования и распространения ударной волны в очищаемой системе, выполняя роль демпфера. После заполнения патрубка и коммутатора водой закрывают сливной кран коммутатора и посредством клапана управления включают импульсный клапан. Импульс сжатого воздуха, воздействуя на воду, генерирует на границе раздела воздух - вода ударную волну, которая через коммутатор, патрубок и очищаемый элемент распространяется по системе, постепенно затухая из-за потери энергии.

Фронт ударной волны, перемещаясь по очищаемой системе, вызывает разрушение отложений, а проникающий в систему воздух вытесняет воду и, частично перемешиваясь с водой, образует водовоздушную смесь, разгоняет ее до таких скоростей перемещения, которые вызывают появление кавитации в пограничных слоях вода - отложения - стенки. Кавитация способствует дальнейшему разрушению отложений, а водовоздушный поток интенсивно перемешивает их и образует суспензию, которая легко удаляется из заполненной системы потоком воды при открытии сливного крана коммутатора. После того, как сливаемая из системы вода прекратит выносить разрушенные отложения, «осветлится», производят очистку следующих элементов.

Отличительными особенностями предлагаемого способа является то, что очищаемую систему предварительно заполняют водой, а это исключает потери времени на заполнение ее в процессе очистки и позволяет очищать элементы и системы отопления многоэтажных зданий, начиная с верхних этажей. В известном в качестве прототипа способе указанная функция не предусмотрена, так как невозможно заполнить очищаемый элемент через гидроблок, не заполняя находящуюся ниже точки очистки систему.

Для генерации ударной волны необходим импульс с большой крутизной переднего фронта, однако в прототипе для этого предлагается использование шарового крана, который, из-за особенностей конструкции, не может обеспечить требуемую крутизну фронта и генерацию ударной волны. При открывании крана вручную с любой конечной скоростью проходное сечение крана плавно возрастает от нуля до максимального значения, что приводит к формированию волны давления с пологим фронтом.

Теоретически возможна генерация ударной волны выбранным в качестве прототипа способом с применением высоких давлений воздуха, но в этом случае ударная волна генерируется только в начальный момент открытия крана, а энергия импульса недостаточна для разрушения отложений.

В заявляемом способе для генерирования импульсов используют импульсный клапан, в котором запорный элемент, отрываясь от седла повсей плоскости прилегания, обеспечивает одновременное воздействие сжатого воздуха на столб воды по всему сечению выходного отверстия клапана.

В момент отрыва поршня от седла клапана между поршнем и столбом воды также образуется разрыв по всему сечению столба, что приводит к возникновению вакуумной зоны в месте разрыва. Возникновение вакуумной зоны приводит к скачкообразному снижению давления на границе раздела поршень - вода и возбуждению в воде ударной волны разрежения.

Амплитуда импульса ударной волны разрежения равна (4, 5):

А₁=Р₀-(Р _в+Р_а),

где А₁ - амплитуда импульса ударной волны разрежения;

Р₀ - абсолютное давление в вакуумной зоне, близкое к «0».

Р_в - напор столба воды на разделе поршень - вода;

P_a - атмосферное давление.

Далее вакуумную зону начинает заполнять находящийся в ресивере сжатый воздух, оказывая воздействие на поршень и столб воды по всему сечению. Давление в вакуумной зоне нарастает скачкообразно, если не учитывать переходные процессы, до величины давления в ресивере. Воздействие давления сжатого воздуха на столб воды вызывает в нем повышение давления и возбуждает ударную волну сжатия, которая распространяется по системе. Амплитуда импульса в данном случае равна (4, 5):

А₂=Р ₀+Р_р

где А₂ - амплитуда импульса ударной волны сжатия;

Р_р - абсолютное давление в ресивере.

Результирующая амплитуда импульсов будет равна:

А₂-А₁=Р₀+Р_р-[Р ₀-(Р_в+Р_а)]=Р_р+Р_в +Р_а.

Как видно из уравнения, применение импульсного клапана позволило получить ударную волну сжатия с амплитудой, равной сумме давлений в ресивере и очищаемой системе, а не их разности, что имеет место в прототипе, и позволило генерировать ударную волну, достаточную для очистки и такой интенсивности при давлении воздуха в ресивере, которая не превышает расчетное рабочее давление в очищаемой системе. Это полностью исключило опасность повреждения системы большим избыточным давлением, возникающим вследствие применения для очистки сжатого воздуха высокого давления, и обезопасило обслуживающий персонал от травматизма.

Источники информации

1. Способ очистки внутренней поверхности отопительных радиаторов внутридомовых тепловодосетей и устройство для его осуществления. Патент RU №2201572 С2, F 28 G 7/00; (24) 02.02.2001; (46) 27.03.2003, Бюл. №9; (71) Джигурда Олег Петрович; (72) Джигурда Олег Петрович; (73) Джигурда Олег Петрович.

2. Способ очистки теплообменных элементов. Патент RU №2064642 С1, F 28 G 7/00; (46) 27.07.1996, Бюл. №21; (71) Гельфонд Леонид Абрамович; (72) Гельфонд Леонид Абрамович; (73) Гельфонд Леонид Абрамович.

3. Способ очистки внутренних поверхностей трубопроводов от загрязнений и устройство для его осуществления. Патент RU №2179082 С2, В 08 В 9/04, 9/032; (24) 13.05.1999; (46) 10.02.2002, Бюл. №4; (71) ИКС-СТАР (US); (72) Канонир Евгений Юрьевич (LV); (73) ИКС-СТАР (US).

4. Р.Р.Чугаев. Гидравлика. Изд. «Энергия», 1971 г.

5. Е.М.Могендович. Гидравлические импульсные системы. Изд. «Машиностроение», Л - д., 1977 г.