способ регулирования расхода тепла в тепловой сети и устройство (электрический нагреватель) для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регулирования расхода тепла в тепловой сети, использующий воду в качестве основного теплоносителя, путем измерения разности давлений и изменения расхода теплоносителя, отличающийся тем, что вводят нагреваемый нагревательным элементом промежуточный теплоноситель, которым также является вода, и создают разность давлений между полостями с основным и промежуточным теплоносителями, причем основной теплоноситель нагревается промежуточным.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что снижают удельный вес основного теплоносителя в зоне промежуточного теплоносителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зоне промежуточного теплоносителя основной теплоноситель разделяют на потоки, количество которых колеблется от 4 до 16.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя используют раствор соли в воде.

5. Способ по любому из пп.1 и 4, отличающийся тем, что для приготовления промежуточного теплоносителя используют перекипяченную воду.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшают потребляемую нагревательным элементом мощность при достижении давления над промежуточным теплоносителем одного заданного значения и отключают нагревательный элемент при достижении давления над основным теплоносителем другого (большего) заданного значения.

7. Электрический нагреватель воды, содержащий корпус со съемными крышками, размещенный в полости корпуса, заполненного промежуточным теплоносителем, нагревательный элемент, патрубки подвода и отвода нагреваемого основного теплоносителя, подсоединенные к распределителям потока, к которым в объеме промежуточного теплоносителя подсоединены трубы с основным теплоносителем, датчики давления, отличающийся тем, что датчики давления выполнены в виде мембран, с торцов, закрывающих воздушные камеры регулятора, соединенные с полостями, заполненными промежуточным и основным теплоносителями, причем воздушные камеры регулятора разделены создающей разность давлений мембраной.

8. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что одна из воздушных камер регулятора и полость основного теплоносителя разделены мембраной, усилие которой уравновешивает вес столба воды над электрическим нагревателем.

9. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что та из воздушных камер регулятора, которая разделена мембраной с полостью основного теплоносителя, снабжена механизмом изменения объема, содержащим тягу, винт и гайку.

10. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что механизм изменения объема выполнен в виде сильфона.

11. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что механизм изменения объема выполнен в виде мембраны.

12. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что механизм изменения объема выполнен в виде цилиндра с поршнем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области механики, в частности, к отоплению помещений.

Известен с использованием центробежного насоса способ регулирования тепла в тепловой сети, осуществляемый путем изменения разности давлений на приеме и выкидке насоса, температуры в прямом и обратном трубопроводах тепловой сети и изменения расхода теплоносителя, на основании замеров температуры, определения разности температуры, определения разности температур в прямом и обратном трубопроводах, определения активной мощности, потребляемой электродвигателем насоса, вычисления действующей на валу насоса мощности, определения давления, создаваемого насосом, нахождения расчетного коэффициента подачи путем деления давления, создаваемого насосом, на мощность на его валу и вычитания результата из постоянного числа, равного отношению давления к мощности при нулевой подаче. Кроме того, строя характеристику, отражающую зависимость расчетного коэффициента от подачи, и по ней определяя расход теплоносителя, умножают его на разность температур и в прямом и в обратном трубопроводах, сравнивают полученное значение с заданным, а изменение расхода теплоносителя производят по результатам сравнения [1].

Но известный способ имеет следующие недостатки, заключающиеся в следующем:

- во-первых, система регулирования слишком сложна;

- во-вторых, необходимо присутствие человека (или электронно-вычислительной машины) для построения характеристики, отражающей зависимость расчетного коэффициента подачи от самой подачи для определения по характеристике расхода теплоносителя для выполнения математических операций (перемножения расхода с разностью температур прямого и обратного трубопроводов) и сравнения полученного значения после перемножения с заданным;

- в-третьих, система расхода теплоносителя не является адаптивной, способной связать подачу теплоносителя с его температурой (например, насос может работать при холодном теплоносителе, т.к. работа насоса не связана с температурой теплоносителя).

Также известен электрический нагреватель жидкости, содержащий корпус со съемной крышкой, частично, заполненный промежуточным теплоносителем с удельным весом и температурой кипения, превышающими удельный вес и температуру кипения жидкости (теплоносителем является ртуть), подключенный к распределителю патрубков подвода нагреваемой жидкости с установленным на нем датчиком давления, нагревательный элемент, патрубок отвода нагреваемой жидкости, причем, распределитель выполнен в виде труб, снабженных на выходных концах обратными клапанами, имеющими общий привод, взаимодействующий с вышеуказанным, датчик давления [2].

Но известный электрический нагреватель жидкости не лишен существенных недостатков, к которым относятся следующие:

- во-первых, ртуть относится к вредным веществам и применение ее в быту нежелательно;

- во-вторых, существенно усложняется устройство обратных клапанов, имеющих управляемый датчиком давления общий привод, т.к. по определению, обратный клапан - это устройство, служащее для пропускания жидкости в одном (в зависимости давлений) направлении, и, чтобы сделать обратный клапан управляемым, требуется его доработка.

Задачей изобретения является создание адаптивной системы регулирования расхода теплоносителя (в основном, для специальных зданий, большую часть времени в которых отсутствуют люди - это дачи, фрукто- и овощехранилища), взаимосвязывающей температуру теплоносителя (которым является вода) со скоростью его перемещения в тепловой сети.

Поставленная задача может быть решена, если:

- во-первых, использовать связь между давлением над поверхностью воды (как теплоносителя) и ее температурой кипения;

- во-вторых, применить раствор какой-либо соли для увеличения температуры кипения;

- в-третьих, использовать два агрегатных состояния теплоносителя (воду и пар), учитывая, что удельный вес (плотность) теплоносителя в этих агрегатах состояния существенно отличаются.

Для решения поставленной задачи предложен способ регулирования расхода тепла в тепловой сети, использующий воду в качестве основного теплоносителя, включает измерение разности давлений и изменение расхода теплоносителя, посредством введения нагреваемого нагревательным элементом промежуточного теплоносителя, которым также является вода, и создания разности давлений между полостями с основным и промежуточным теплоносителями, причем основной теплоноситель нагревается промежуточным. Кроме этого в предложенном способе снижают удельный вес основного теплоносителя в зоне промежуточного теплоносителя и разделяют его в этой зоне на потоки, количество которых колеблется от 4 до 16. В качестве промежуточного теплоносителя используют раствор соли в воде. Для приготовления промежуточного теплоносителя используют перекипяченную воду. Уменьшают потребляемую нагревательным элементом мощность при достижении давления над промежуточным теплоносителем одного заданного значения и отключают нагревательный элемент при достижении давления над основным теплоносителем другого (большего) заданного значения.

Заявленный способ реализуется в устройстве, включающем электрический нагреватель воды, содержащий корпус со съемными крышками, размещенный в полости корпуса, заполненного промежуточным теплоносителем, нагревательный элемент, патрубки подвода и отвода нагреваемого основного теплоносителя, подсоединенные к распределителям потока, к которым в объеме промежуточного теплоносителя подсоединены трубы с основным теплоносителем, датчики давления, выполненные в виде мембран, с торцов закрывающих воздушные камеры регулятора, соединенные с полостями, заполненными промежуточным и основным теплоносителями, причем, воздушные камеры регулятора разделены создающей разность давлений мембраной. Одна из воздушных камер регулятора и полость основного теплоносителя разделены мембраной, усилие которой уравновешивает вес столба воды над электрическим нагревателем. Та из воздушных камер регулятора, которая разделена мембраной с полостью основного теплоносителя, снабжена механизмом изменения объема, содержащим тягу, винт и гайку. Механизм изменения объема может быть выполнен в виде сильфона, мембраны или в виде цилиндра с поршнем.

Для нагревания основного теплоносителя, циркулирующего по системе отопления помещения, используют промежуточный теплоноситель, находящийся под большим давлением, нежели основной теплоноситель, расположенный в объеме промежуточного теплоносителя в форме узких потоков, для чего могут быть использованы трубки, изготовленные из материала с высокой теплопроводностью. Нагревательный элемент расположен внутри промежуточного теплоносителя, в качестве которого может быть использована перегретая вода (для увеличения температуры кипения). Подбором давлений над поверхностью основного и промежуточного теплоносителей, разделенных мембраной, добиваются, чтобы кипение основного теплоносителя наступало при температуре, не доходящей до 100°С (т.к. давление над его поверхностью ниже атмосферного), тогда как кипение промежуточного теплоносителя было бы возможным только при температуре, превышающей 100°С, до которой промежуточный теплоноситель не доводят в нормальном режиме работы, т.к. давление над поверхностью промежуточного теплоносителя выше атмосферного [3]. По мере увеличения температуры теплоносителей (при включении нагревательного элемента) давление над их поверхностями растет, но разность этих давлений изменяется незначительно, т.к. она задана изгибом мембраны, разделяющей поверхности теплоносителей. В начальной стадии по мере нагревания промежуточного теплоносителя увеличивается и температура основного теплоносителя, но до наступления кипения его движение в тепловой сети будет незначительно, т.к. скорость этого движения зависит от разности удельных весов (плотностей) холодного и нагретого теплоносителей - такая температура и особенно скорость перемещения в тепловой сети основного теплоносителя недостаточна для обогрева помещения [3]. Для увеличения разности температур кипения основного и промежуточного теплоносителей в качестве промежуточного теплоносителя может быть использован раствор соли в воде [4]. Также для увеличения разности температур кипения можно для приготовления промежуточного теплоносителя использовать перегретую воду (с меньшим содержанием растворенного воздуха).

В конечной стадии нагревания при температуре промежуточного теплоносителя, близкой к 100°С, испарение основного теплоносителя вступает в заключительную стадию - кипения. Образующиеся при этом пузырьки пара быстро растут (снижая при этом удельный вес основного теплоносителя), заполняя при этом все поперечные сечения трубок, поднимаются вверх, увлекая за собой основной теплоноситель, создавая его движение в тепловой сети. Таким образом, может быть получена адаптивная система регулирования расхода тепла, при которой движение теплоносителя в тепловой сети возможно только при определенной, как будет показано ниже, заданной температуре теплоносителей. По мере перемещения основного теплоносителя по каналам тепловой сети температура его уменьшается и происходит процесс конденсации, чему способствует и увеличивающееся давление над поверхностью основного теплоносителя. Над поверхностями теплоносителей (в воздушных камерах, с двух сторон закрытых мембранами, и разделенные мембраной) при повышении температуры образуется пар, температура которого (при установившемся режиме) будет равна температуре теплоносителей: основного - в одной камере, промежуточного - в другой воздушной камере. Но из [3] известно, что произведение давления на объем пропорционально абсолютной температуре пара, значит при неизменном объеме давление прямо пропорционально температуре. Значит, давление над поверхностями теплоносителей отражает величины их температур, и измерение температур может быть произведено датчиками давлений (при изохорном процессе). Это более удобно, т.к. закрыв воздушные камеры мембранами, связанными с подвижными электрическими контактами, можно создать довольно простую, удобную в эксплуатации адаптивную систему регулирования температуры в помещении. Если же в качестве коммутирующей аппаратуры будет использована полупроводниковая, то управление температурой в помещении может осуществляться на расстоянии при использовании радиосигналов.

Мощность нагревательного элемента выбирается несколько большей, чем требуется по расчету, что, во-первых, целесообразно для увеличения срока службы нагревательного элемента и, во-вторых, возможности форсирования роста температуры в помещении в начальный период разогрева его. Т.к. нагревательный элемент включают на полное напряжение, то быстро растет температура промежуточного теплоносителя давления над поверхностью и изгибается мембрана, приводящая к переключению электрических контактов, уменьшающему величину подводимого к нагревательному элементу напряжения. Величина перемещения контактов зависит от заданного значения давления (значит, и заданного значения температуры). По мере повышения температуры в помещении уменьшается разность температур основного теплоносителя на его подводе и отводе из зоны нагревателя. Это приведет к повышению температуры основного теплоносителя, повышению давления над его поверхностью и перемещению электрических контактов, приводимых в действие мембраной над поверхностью основного теплоносителя. Расстояние смещения мембраны для обеспечения размыкания электрических контактов определяется заданным значением давления. При определенной, (заданной) температуре основного теплоносителя электрическими контактами нагревательный элемент отключается от сети.

Электрический нагреватель воды имеет корпус с тремя полостями, две из которых заполнены основным и промежуточным теплоносителями, а третья - разряженным воздухом для обеспечения теплоизоляции. В корпусе имеются патрубки подвода основного теплоносителя к тепловой сети помещения и отвода его от нее. Полость основного теплоносителя разделена на две части полостью промежуточного теплоносителя. Эти части соединяются узкими потоками, которые создаются трубками, количество которых колеблется от 4 до 16, проходящими через полость промежуточного теплоносителя. Нагревательный элемент расположен в полости промежуточного теплоносителя, которым может быть перегретая вода или раствор какой-либо соли в воде. Изгибом мембран, с торцов, закрывающих камеры регулятора, соединенные с полостями основного и промежуточного теплоносителей, добиваются обеспечения условия:

Р_п.т>Р _А, Р_о.т.<Р_А

При этом температуры в камерах регулятора будут отражать степени нагревания основного и промежуточного теплоносителей в полостях нагревателя, причем, теплоноситель в камере регулятора нагревается от основного теплоносителя нагревателя через мембрану, усилие которой уравновешивает вес столба воды над электрическим нагревателем воды. Для задания температуры основного теплоносителя воздушная камера регулятора, соединенная с полостью основного теплоносителя, снабжена механизмом изменения объема, т.к. увеличение объема (при изотермическом процессе) приведет к уменьшению давления, а значит, и к уменьшению температуры, и наоборот. Основная составляющая механизма изменения объема может быть выполнена или в виде сильфона, или мембраны, или поршня с цилиндром (что менее предпочтительно) и связана с механизмом перемещения, который может состоять из тяги, винта и гайки.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод, что заявляемый способ регулирования расхода тепла в тепловой сети и электрический нагреватель воды (устройство для осуществления способа) связаны единым изобретательским замыслом.

При изучении в вышеуказанной области техники других известных технических решений признаки (использование промежуточного, ' находящегося под большим давлением теплоносителя, использование давления для регулирования температуры, узлы устройства, определяемые способом), отличающие заявляемое изобретение от прототипов, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию изобретения «новизна».

На чертежах представлены:

фиг.1 - наглядное представление регулятора расхода тепла в тепловой сети;

фиг.2 - устройство электрического нагревателя воды.

Электрический нагреватель воды состоит из двух частей: регулятора, при помощи которого производится регулирование расхода тепла, и устройство нагревания основного теплоносителя и его продвижения.

Непосредственно регулятор состоит из воздушных камер 1 и 2, разделенных мембраной 3, создающей среднедействующее по площади мембраны S усиление F. С торцов воздушные камеры закрыты мембранами 4 и 5, связанными с электрическими контактами, расположенными в изоляционных коробках 6 и 7. Изменение температуры кипения основного теплоносителя осуществляется при помощи механизма изменения объема 8, состоящего: или из сильфона, или из мембраны, или из цилиндра с поршнем, а также тяги, винта и гайки. Устройство нагревания основного теплоносителя и его продвижения состоит из корпуса, включающего четыре герметичные камеры: камеры с промежуточным теплоносителем 9, камер с основным теплоносителем 10, воздушной камеры 11, давление в которой понижено до 0.05-0.2 от атмосферного. Камера 10 разделяется на 2 части системой труб из материала с высокой теплопроводностью 12 (количество которых может колебаться от 4 до 16). Для нагревания промежуточного теплоносителя используется нагревательный элемент 13, а для предварительного подогрева основного теплоносителя в камере 10 расположены стержни 14 из материала с высокой теплопроводностью, закрепленные на нижней стенке полости с промежуточным теплоносителем. Полость 10-2 нагревателя с основным теплоносителем разделяется с теплоносителем, находящимся в воздушной камере 1 регулятора, мембраной 15, предназначенной для уравновешивания столба воды над электрическим нагревателем воды.

Электрический нагреватель воды работает следующим образом. Мембраны 3, 4 и 5 переводятся в такое состояние, при котором создается условие:

P_o.т.=P_А-F/S, P_п.т.=P_A+F/S,

где: Р_о.т, Р_п.т - величины давлений в камерах регулятора, соединенные с полостями 9 и 10-2;

Р_А - величина атмосферного давления;

F - усиление средней мембраны;

S - площадь этой мембраны.

Причем жесткость мембраны 3 значительно превышает жесткость мембран 4 и 5 и может быть заменена стенкой.

При включении нагревательного элемента 13 происходит нагревание промежуточного теплоносителя, кипение которого может наступить только при температуре, превышающей 100°С, т.к. давление над поверхностью промежуточного теплоносителя выше атмосферного. Тепло от промежуточного теплоносителя передается через стенки трубок 12 основному теплоносителю давления, над поверхностью которого ниже атмосферного. При температуре промежуточного теплоносителя, близкой к 100°С, произойдет кипение основного теплоносителя. Образовавшиеся при этом пузырьки пара, поднимаясь по трубам 12, создают движение нагреваемой воды. Увеличение давления над поверхностью промежуточного теплоносителя при нагревании приведет к большему изгибу мембраны 5. Это вызовет перемещение контактов в коробке 7, что (при достижении одного предварительно заданного значения давления) должно вызвать понижение напряжения, подводимого к нагревательному элементу 13, а значит, и к уменьшению потребляемой мощности. Увеличение давления над поверхностью основного теплоносителя при критической температуре приведет к уменьшению изгиба мембраны 4 и ее воздействия на электрические контакты, расположенные в коробке 6, производящие отключение нагревательного элемента от сети при другом заданном значении давления.

Источники информации:

1. Авт.св. №1809252, MKU⁵ F24D 19/10, приор.22.11.90 г. (прототип).

2. Авт.св. №1569516, MKU ⁵ F24Н 1/20, приор. 16.11.87 г. (прототип).

3. «Физика». Учебное пособие для 10 класса под редакцией А.А.Тинского, Москва, «Просвещение», 1993 г.

4. Н.Л.Глинка, «Общая химия», Ленинградское отделение, Издательство «Химия», 1976 г.