устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике горячего водоснабжения, содержащее узел воздействия на теплоноситель, установленный на трубопроводе, содержащий корпус из изоляционного материала с обмоткой соленоида с соосно установленным в нем стержнем из ферромагнитного материала и узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит управляющее устройство, получающее сигналы с датчика температуры, установленного на выходе второй ступени теплообменника, узел воздействия на теплоноситель установлен на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, при этом его корпус с обмоткой соленоида установлен вертикально, а его стержень из ферромагнитного материала выполнен в виде полого штока и установлен с возможностью перемещения до полного открытия или перекрытия отверстия выходного трубопровода, причем обмотка соленоида соединена с управляющим устройством, а узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, работающего прерывисто на собственной резонансной частоте теплообменника и соединенного с управляющим устройством.

2. Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике системы отопления, содержащее узел воздействия на теплоноситель, установленный на трубопроводе и узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит управляющее устройство, получающее сигналы с датчика температуры, установленного на выходе второй ступени теплообменника, узел воздействия на теплоноситель состоит из шарового крана, установленного соосно на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, при этом на ось шара снаружи жестко установлено зубчатое колесо приводной червячной пары, снабженное датчиком остановки двигателя червячной пары, при этом двигатель соединен с управляющим устройством, а узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, работающего прерывисто на собственной резонансной частоте теплообменника и соединенного с управляющим устройством.

Описание изобретения к патенту

Техническое решение относится к теплотехнике и может быть использовано для предупреждения образования отложений на рабочих теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры, а именно теплообменников горячего водоснабжения и систем водяного отопления.

Известно устройство, предупреждающее образование отложений за счет колебательного движения стенок теплообменной аппаратуры, путем введения импульсного устройства, создающего электрогидравлический удар (см. а.с. SU, № 322592, МКИ F28G 7/00).

Известно устройство, предотвращающее образование отложений за счет подачи сжатого воздуха, создающего вибрацию очищаемой поверхности и обеспечивая колебания теплоносителя (см. а.с. SU, № 480898, МКИ F28G 7/00).

Недостатками известных технических решений является низкая эффективность работы, обусловленная тем, что частицы, удаленные с очищаемой поверхности, полностью не выводятся из аппаратуры теплоносителем, проходящим через первую ступень теплообменника плавно меняющимся потоком, и частично оседают внизу конструкции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для предотвращения образования накипи, содержащее узел воздействия на теплоноситель, установленный на подающем трубопроводе, включающий корпус из диамагнитного материала, катушку возбуждения с соосно установленным в корпусе неподвижным стержнем из ферромагнитного материала и узел импульсных механических колебаний, взаимодействующий с металлоконструкцией теплообменного аппарата, при этом обмотки узла воздействия на теплоноситель и узла импульсных механических колебаний подключены последовательно и на выход магнитоимпульсной установки.

(см., патент RU № 2350878, МПК⁸ F28G 7/00).

Недостатком известного устройства является: несколько сниженная эффективность работы, обусловленная тем, что отделенные за счет вибрации металлоконструкции теплообменника частицы отложений не уносятся при плавно меняющемся потоке теплоносителя, а оседают в низу конструкции, а также несколько повышенный расход энергии узлом импульсных механических колебаний.

Техническим результатом заявленного технического решения является повышение эффективности работы устройства, за счет подачи на первую степень теплообменника теплоносителя гидравлическими импульсами с изменением скорости теплоносителя от состояния покоя, до максимально возможной, с синхронно-прерывистой подачей импульсных механических колебаний резонансной частоты, непосредственно на металлоконструкцию теплообменника.

Для эффективной работы заявленного устройства на теплообменниках разного назначения необходимы неодинаковые узлы воздействия на теплоноситель.

Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике горячего водоснабжения, содержащее узел воздействия на теплоноситель, установленный на трубопроводе, содержащий корпус из изоляционного материала с обмоткой соленоида с соосно установленным в нем стержнем из ферромагнитного материала и узел подачи импульсных механических колебаний, воздействующих с корпусом теплообменника, дополнительно содержит управляющее устройство, получающее сигналы с датчика температуры, установленного на выходе второй ступени теплообменника, узел воздействия на теплоноситель установлен на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, при этом его корпус с обмоткой соленоида установлен вертикально, а его стержень из ферромагнитного материала выполнен в виде полого штока и установлен с возможностью перемещения до полного открытия или перекрытия отверстия выходного трубопровода, причем обмотка соленоида соединена с управляющим устройством, а узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, работающего прерывисто на резонансной частоте, который соединен с управляющим устройством.

Технический результат достигается тем, что устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике системы отопления, содержащее узел воздействия на теплоноситель, установленный на трубопроводе, и узел подачи импульсных механических колебаний, воздействующих с корпусом теплообменника, дополнительно содержит управляющее устройство, получающее сигналы с датчика температуры, установленного на выходе второй ступени теплообменника, узел воздействия на теплоноситель состоит из шарового крана, установленного соосно на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, при этом на ось шара снаружи жестко установлено зубчатое колесо приводной червячной пары, снабженное датчиком остановки двигателя червячной пары, при этом двигатель соединен с управляющим устройством, а узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с корпусом теплообменника, выполнен в виде пьезоэлектрического элемента, работающего прерывисто на резонансной частоте, который соединен с управляющим устройством.

Выполнение узла воздействия на теплоноситель трубопровода теплообменника горячего водоснабжения с расположением его корпуса, снабженного обмоткой соленоида, вертикально на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, и выполнение его стержня из ферромагнитного материала в виде полого штока, установленного с возможностью перемещения до полного открывания или перекрывания отверстия выходного трубопровода, дающее возможность по команде управляющего устройства (УУ), взаимодействующего на соленоид, перемещать шток и подавать теплоноситель прерывистыми (дискретными) порциями, гидравлическими импульсами с необходимым фронтом и спадом, с максимальной скоростью потока на вершине импульса, обеспечивая наиболее полное выведение теплоносителем отложений, удаленных с пластин теплообменника вибрацией, создаваемой узлом подачи импульсных механических колебаний, работающим синхронно с узлом воздействия на теплоноситель по команде УУ, повышая эффективность работы устройства.

Выполнение узла воздействия на теплоноситель выходного трубопровода теплообменника систем отопления в виде шарового крана, установленного соосно на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника, с установкой на ось шара, снаружи крана, зубчатого колеса приводной червячной пары, снабженного датчиком остановки двигателя привода червячной пары, дает возможность по команде управляющего устройства (УУ), взаимодействующего с двигателем привода червячной пары, перемещая зубчатое колесо и постепенно открывая шаровый кран, подать теплоноситель с нарастанием скорости потока, гидравлическими импульсами с необходимым фронтом и спадом, с максимальной скоростью потока на вершине импульса, обеспечивая наиболее полное выведение теплоносителем отложений, удаленных с пластин теплообменника вибрацией, создаваемой узлом подачи импульсных механических колебаний, работающим синхронно с узлом воздействия на теплоноситель по команде УУ, повышая эффективность работы устройства.

На фиг.1 изображен общий вид устройства (схематично).

На фиг.2 изображен узел воздействия на теплоноситель теплообменника горячего водоснабжения.

На фиг.3 изображен узел воздействия на теплоноситель теплообменника системы отопления.

Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике включает узел воздействия на теплоноситель 1, установленный на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника 2, и узел подачи импульсных механических колебаний 3, взаимодействующий с корпусом теплообменника. Узел 1 и узел 3 устройства взаимодействуют с управляющим устройством 4, соединенным с датчиком температуры 5, установленным на выходном трубопроводе второй ступени теплообменника 2.

Узел воздействия на теплоноситель 1 для теплообменников горячего водоснабжения с относительно небольшим диаметром труб (например, до 50 мм) содержит корпус 6 из изоляционного материала с крышкой 7, обеспечивающей его герметичность, и обмоткой соленоида 8, получающей команды от УУ 4, с соосно установленным в нем штоком 9 из ферромагнитного материала. Корпус 6 из изоляционного материала с обмоткой соленоида 8 установлен вертикально и перпендикулярно оси выходного трубопровода первой ступени теплообменника через переходник 10, а его шток 9 из ферромагнитного материала установлен с возможностью перемещения до полного открывания или перекрывания отверстия выходного трубопровода. Шток 9 из ферромагнитного материала выполнен, например, полностью полым, с отверстием 11, или с одним калибровочным отверстием (жиклером), установленным в отверстие 11 или с двумя парами жиклеров и клапанов (условно не показаны), предназначенными для изменения скорости его подъема и опускания, под воздействием электромагнитного поля обмотки соленоида 8, либо собственного веса штока соответственно.

Узел воздействия на теплоноситель 1 устройства для предотвращения образования отложений в теплообменнике отопления, установленный на выпускном трубопроводе с относительно большим диаметром трубопровода (например, свыше 80 мм), состоит из шарового крана 12, установленного соосно на выходном трубопроводе первой ступени теплообменника. На ось шара снаружи жестко закреплено зубчатое колесо 13, выполненное, например, из пластмассы, взаимодействующее, например, с металлическим червяком 14 червячной пары. Зубчатое колесо 13 снабжено датчиком остановки двигателя 15 привода червячной пары, содержащим, например, постоянный магнит 16, взаимодействующий, например, с датчиком Холла 17. Задача датчика остановки двигателя заключается в остановке двигателя 15 в момент полного закрытия шарового крана 12, чтобы полностью перекрыть прохождение теплоносителя через выходной трубопровод теплообменника.

Узел подачи импульсных механических колебаний, взаимодействующий с металлоконструкцией теплообменника, выполнен в виде пьезоэлектрического излучателя, работающего прерывисто на резонансной частоте теплообменника, и соединен с управляющим устройством, получая от него команды, синхронизированные с командами узлов 1 для теплообменника горячего водоснабжения и теплообменника отопления.

Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике горячего водоснабжения (относительно небольшой диаметр трубопровода) работает следующим образом.

В определенный момент по команде УУ узел подачи импульсных механических колебаний подает «пачку», определенной длительности, импульсных механических резонансных колебаний прямо на теплообменник и теплопроводящие пластины теплообменника начинают вибрировать, уменьшая количество отложений на них, сохраняя их во взвешенном состоянии, обеспечивая наилучший прогрев во второй ступени теплообменника. Одновременно по команде УУ, для выноса отложений для теплообменника горячего водоснабжения, на обмотку соленоида узла 1 подается электрический ток, возникает электромагнитное поле, которое поднимает шток вверх, открывая отверстие трубопровода. При открывании проходного отверстия трубопровода поток теплоносителя движется с переменной скоростью, создавая гидравлический импульс, вызывающий турбулентность потока теплоносителя, который захватывает и уносит отложения из теплообменника. Подача тока через соленоид прекращается, и шток под действием собственного веса перекрывает проход теплоносителя. Узел импульсных механических колебаний тоже обесточивается. Начинается процесс ожидания команды УУ, связанного с датчиком температуры горячей воды, установленным на выходе из второй ступени теплообменника. Для сглаживания фронта и спада гидравлического импульса (уменьшения скорости подъема и опускания штока) изменяют напряжение, подаваемое на соленоид, или, например, устанавливают в полость штока одно калибровочное отверстие или два калибровочных отверстия с клапанами, одна пара (клапан жиклер) которых определяет скорость подъема, а другая - скорость опускания штока. Это обеспечивает гидравлическим импульсам необходимый фронт и спад, а также позволяет управляющему устройству УУ командовать этими импульсами, придавая им необходимую длительность и период (скважность). Снимая сигнал с датчика температуры 5, и изменяя длительность и период гидравлических импульсов, УУ регулирует температуру на выходе второй ступени теплообменника.

Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике системы отопления (относительно большой диаметр трубопровода) работает следующим образом.

В определенный момент по команде УУ узел подачи импульсных механических колебаний подает «пачку», определенной длительности, импульсных механических резонансных колебаний прямо на теплообменник и теплопроводящие пластины теплообменника начинают вибрировать, уменьшая количество отложений на них, сохраняя их во взвешенном состоянии, обеспечивая наилучший прогрев во второй ступени теплообменника. Одновременно подается команда от УУ на двигатель узла 1, включая его. Двигатель посредством червячной пары начинает открывать и закрывать шаровый кран, разрешая проход теплоносителя пульсирующим турбулентным потоком, выносящим отложения, до тех пор, пока постоянный магнит на зубчатом колесе не поравняется с датчиком Холла, отключающим двигатель червячной пары, и произойдет остановка двигателя, одновременно обесточивается узел импульсных механических колебаний, начнется период ожидания следующей команды от УУ. При отключении двигателя червячной пары шаровый кран полностью закрыт и теплоноситель через него не проходит, это регулируется положением установки датчика Холла. За один оборот шарового крана происходит два открывания и перекрывания трубопровода и два гидравлических импульса с близким к синусоидальной форме фронтом и спадом. Количество гидравлических импульсов регулируется количеством постоянных магнитов, установленных на зубчатом колесе червячной пары. Например, если необходим один импульс, то на зубчатом колесе устанавливают диаметрально первому второй постоянный магнит. Датчик остановки двигателя может быть любым, датчиком Холла, индуктивным, оптронным, магниторезисторным и другим. Фронт и спад гидравлических импульсов регулируется количеством оборотов двигателя, передачей редуктора, изменением диаметра шарового крана относительно диаметра трубопровода. Это обеспечивает гидравлическим импульсам необходимый фронт и спад, а также позволяет управляющему устройству УУ командовать этими импульсами, придавая им необходимую длительность и период (скважность). Снимая сигнал с датчика температуры 5, и изменяя длительность и период гидравлических импульсов, УУ регулирует температуру на выходе второй ступени теплообменника

Узел подачи импульсных механических колебаний 3, взаимодействующий с металлоконструкцией теплообменника устройства, может быть выполнен в виде пьезоэлектрического излучателя, магнитострикционного прибора, акустического устройства, механического вибратора и другого устройства. Это вызвано тем, что теплообменники имеют различное назначение, конструкцию, размеры, массу, изготовлены из различных материалов, поэтому, являясь разными механическими системами, имеют разную собственную резонансную частоту. Для уменьшения энергопотребления узла подачи импульсных механических колебаний, импульсы подаются «пачкой», определенной длительности. Их частота в «пачке» резонансная, то есть соответствует собственной резонансной частоте теплообменника (его пластин). Экономия происходит благодаря уменьшению амплитуды импульсных механических колебаний резонансной частоты, поступаемых от узла 3, необходимых для достаточного размаха вибрации очищения пластин теплообменника, а также благодаря не потреблению энергии между «пачками» импульсных механических колебаний. Для эффективности начало подачи «пачки» механических импульсных резонансных колебаний должно определенным образом синхронизироваться УУ с началом гидравлического импульса теплоносителя. Для облегчения температурного режима работы узла 3 он может быть соединен с металлоконструкцией теплообменником специальной проставкой, плохо проводящей тепло, но хорошо проводящей механические колебания.

Устройство для предотвращения образования отложений в теплообменнике, эффективно работающее в системах горячего водоснабжения и отопления, найдет применение в области теплотехники.