Автономная система отопления и горячего водоснабжения
Полезная модель относится к автономным водяным системам отопления и ГВС, используется для теплоснабжения бытовых и производственных помещений и включает теплогенератор с газовыми горелками, расширительный бак-теплоаккумулятор, имеющий в верхней части патрубок для подвода холодной воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем и контрольный переливный патрубок, главный стояк, которым верхняя точка водяной рубашки теплогенератора соединена с дном указанного бака, подающий трубопровод с датчиком автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на теплоснабжение, которым нижняя часть боковой стенки указанного бака соединена со стояками теплоснабжения, отопительные приборы, соединенные с этими стояками, которые в нижних точках соединены с обратным трубопроводом, а последний через циркуляционный насос - с нижней точкой водяной рубашки теплогенератора, причем указанные элементы образуют контур циркуляции теплоносителя, а также промежуточный бак, служащий емкостным подогревателем воды, с соединительным трубопроводом на входе и трубопроводом ГВС с душевыми сетками и кранами горячей воды на выходе, запорные вентили для отключения отопления и ГВС, газификатор с воздуходувкой и парогенератором, причем верхняя и нижняя точки водяной рубашки газификатора связаны соответственно с соединительным трубопроводом и трубопроводом ГВС промежуточного бака, образуя контур ГВС, верхняя точка топки газификатора сообщена верхним газоходом с газовыми горелками теплогенератора, причем верхний газоход проходит через промежуточный бак, а нижняя точка топки газификатора, снабженной датчиками контроля температуры горения, сообщена нижним газоходом с воздуходувкой и парогенератором. Задача - расширение возможностей системы автономного теплоснабжения и ГВС при сжигании различных видов твердого топлива с удельными выбросами SOx, NOx, смолистых веществ и пыли на порядок ниже действующих нормативов, в повышении надежности и экономической эффективности. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Техническое решение относится к автономным водяным системам отопления и горячего водоснабжения и может использоваться для теплоснабжения бытовых и производственных помещений, вахтовых поселков, складов и гаражей, зданий сельскохозяйственного назначения.
Известен теплогенератор для сжигания дров, торфа, деревянных отходов (заявка на изобретение РФ 
2003137603/03, F24В 7/02, опубл. в БИПМ 16, 2005), имеющий корпус, топку с камерами сгорания-дожигания, поддувало с регулятором подачи воздуха, колосниковую решетку, внутреннюю горизонтальную перегородку, примыкающую к задней стенке, камеру золоулавливания, инжекторы с патрубками подвода вторичного воздуха, патрубок выведения продуктов сгорания. Поддувало имеет регулирующий шибер для отвода воздуха снизу через колосники с горизонтально-щелевой и вертикально-колончатой подачей воздуха.
Недостатком известного устройства является ограниченная область применения и низкая эффективность использования тепла, образуемого при сжигании топлива (например, угля). В условиях ограниченного регулирования естественной тяги воздуха не обеспечивается его полное и экологически безопасное сжигание, значительная часть тепла в виде дымовых газов с твердыми частицами зольных веществ удаляется в атмосферу. Отсутствие теплоаккумулятора, системы отопления, теплообменников и жидкого теплоносителя существенно ограничивает технические возможности теплогенератора и не позволяют использовать его для горячего водоснабжения.
Известен теплогенератор (патент РФ 2253797, F23В 1/00, опубл. в БИПМ 16, 2005) коробчатой металлической конструкции пирамидальной формы, состоящий из камеры сгорания с загрузочным окном и крышкой, расширительной камеры с разделительной вертикальной стенкой и отверстием в нижней части, системы регулируемых шиберов с газоходом и регулируемым вытяжным устройством, камеры смешения и системы рециркуляции, включающей активный шибер камеры сгорания с воздухозаборными каналами и шибер дожигания, расположенный внизу расширительной камеры напротив отверстия разделительной вертикальной стенки. Камера смешения расположена над расширительной камерой, и они совмещены друг с другом по периметру основания пирамид, образуя замкнутый контур системы рециркуляции, включающий газоход рециркуляции потребителю сверху и газоход рециркуляции от потребителя снизу.
Недостатком известного устройства является ограниченная область применения. Отсутствие системы отопления, теплообменников и жидкого теплоносителя существенно ограничивает технические возможности теплогенератора. В связи с тем, что теплоносителем являются газообразные продукты горения, невозможна эффективная утилизация тепла в системе горячего водоснабжения.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является система автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения с естественной циркуляцией теплоносителя (патент РФ на полезную модель 43948, F24D 3/10, опубл. в БИПМ 4, 2005), содержащая теплогенератор, расширительный бак-теплоаккумулятор, который используется также как емкостный подогреватель, и бак-аккумулятор горячей воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем и контрольным переливным патрубком, главный стояк, соединяющий верхнюю точку водяной рубашки теплогенератора с дном расширительного бака-теплоаккумулятора, подающий трубопровод, соединяющий нижнюю часть боковых стенок расширительного бака-теплоаккумулятора со стояками теплоснабжения и стояками горячего водоснабжения, отопительные приборы, соединенные со стояками теплоснабжения, душевые сетки и краны горячей воды, соединенные со стояками горячего водоснабжения. Стояки теплоснабжения и стояки горячего водоснабжения соединены в нижних точках с обратным трубопроводом, который соединен с нижней точкой водяной рубашки теплогенератора и образует единый контур циркуляции теплоносителя. Стояки теплоснабжения и стояки горячего водоснабжения в верхней и нижней точках имеют краны для отключения. Расширительный бак-теплоаккумулятор выполнен в виде вертикально установленного цилиндра и снабжен тангенциальным патрубком подвода холодной воды, установленным в верхней части бака, и тангенциальным патрубком отвода горячей воду, установленным в его нижней части. Подающий и обратный трубопроводы выполнены в виде прямоугольных закольцовок и соединены соответственно с расширительным баком-теплоаккумулятором и с теплогенератором в геометрических центрах прямоугольных закольцовок через Т-образные трубопроводы, каждый стояк горячего водоснабжения соединен с подающим трубопроводом верхней трубной разводки через промежуточный бак-теплоаккумулятор, дно которого расположено выше подающего трубопровода на выходе его из расширительного бака-теплоаккумулятора не менее, чем на 100 мм. Датчик автоматического поддержания заданной температуры горячей воды, подаваемой на нужды теплоснабжения и горячего водоснабжения, установлен на выходе из расширительного бака.
Недостатком известного устройства является использование теплоносителя из системы отопления для обеспечения горячего водоснабжения. Требованием, обеспечивающим надежную эксплуатацию теплогенератора, является качество питательной воды с использованием различных химических реагентов для ее очистки с целью исключения образования накипи на поверхностях нагрева теплогенератора. Использование теплоносителя из системы отопления для обеспечения горячего водоснабжения экономически неэффективно ввиду значительной стоимости химических реагентов для ее очистки и в санитарно-гигиеническом плане не приемлемо. Кроме того, применение автономной системы отопления и горячего водоснабжения, содержащей теплогенератор на газообразном топливе, существенно ограничивает область ее применения, требует привязки к газовым магистралям и теплотрассам. Отопление сжиженным газом в 5÷7 раз дороже угольного.
Техническая задача предлагаемого решения заключается в расширении возможностей системы автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения при сжигании различных видов твердого топлива с удельными выбросами SOx, NOx, смолистых веществ и пыли на порядок ниже действующих нормативов, в повышении надежности и экономической эффективности.
Поставленная задача решается следующим образом. Автономная система отопления и горячего водоснабжения включает теплогенератор, расширительный бак-теплоаккумулятор, имеющий в верхней части патрубок для подвода холодной воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем и контрольный переливный патрубок, главный стояк, которым верхняя точка водяной рубашки теплогенератора соединена с дном расширительного бака-теплоаккумулятора, подающий трубопровод с датчиком автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на нужды теплоснабжения, которым нижняя часть боковой стенки расширительного бака-теплоаккумулятора соединена со стояками теплоснабжения, отопительные приборы, соединенные со стояками теплоснабжения, при этом стояки теплоснабжения соединены в нижних точках с обратным трубопроводом, который через циркуляционный насос соединен с нижней точкой водяной рубашки теплогенератора, а также промежуточный бак, который используется как емкостной подогреватель воды, с соединительным трубопроводом на входе и трубопроводом горячего водоснабжения с душевыми сетками и кранами горячей воды на выходе, запорные вентили для отключения отопления и горячего водоснабжения. Теплогенератор, главный стояк, расширительный бак-теплоаккумулятор, подающий трубопровод, стояки теплоснабжения, обратный трубопровод и циркуляционный насос, соединенные указанным образом, образуют контур циркуляции теплоносителя. Согласно техническому решению она снабжена газификатором, оснащенным воздуходувкой и парогенератором. Верхняя и нижняя точки водяной рубашки газификатора связаны соответственно с соединительным трубопроводом и трубопроводом горячего водоснабжения промежуточного бака, образуя контур горячего водоснабжения. Верхняя точка топки газификатора сообщена верхним газоходом с газовыми горелками теплогенератора. Верхний газоход проходит через промежуточный бак, а нижняя точка топки газификатора сообщена нижним газоходом с воздуходувкой и парогенератором, причем топка газификатора снабжена датчиками контроля температуры горения.
Установка газификатора позволяет снизить, даже без предварительной очистки, удельные выбросы SOx , NOx, смолистых веществ и пыли на порядок ниже действующих нормативов. Все органические соединения расщепляются и газифицируются внутри газификатора. Получаемый в газификаторе топливный газ, может быть использован, как экологически безопасный энергоноситель. Таким образом, используя газификатор при сжигании твердого топлива, достигают повышения экологической эффективности работы системы автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения, расширения ее возможностей за счет сжигания различных видов твердого топлива.
Топливный газ сжигается в теплогенераторе, где нет движущейся колосниковой решетки, системы золоудаления. Этим достигается повышение надежности системы отопления. При традиционном сжигании твердого топлива это наиболее проблемные по надежности узлы.
Целесообразно, чтобы в трубопроводе горячего водоснабжения у нижней точки водяной рубашки газификатора был установлен дополнительный циркуляционный насос. Такое исполнение исключает неустойчивость циркуляции воды и обеспечивает поддержание необходимой температуры горения в топке газификатора путем отбора излишнего тепла посредством водяной рубашки газификатора. Такое исполнение повышает надежность и эффективность работы газификатора.
Целесообразно, чтобы в трубопроводе горячего водоснабжения на выходе промежуточного бака был установлен датчик контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения. Таким образом, обеспечивается контроль над температурой воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения, повышается надежность и эффективность горячего водоснабжения.
Целесообразно, чтобы промежуточный бак в верхней части был снабжен патрубком параллельной подачи холодной воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем. Такое исполнение обеспечивает перемешивание холодной и горячей воды в промежуточном баке и необходимый уровень ее при разборе. Таким образом, обеспечивается экономичность ее расхода.
Целесообразно, чтобы автономная система отопления и горячего водоснабжения была оснащена пультом управления с газоанализатором, блоком контроля температуры и автоматической системой управления, при этом чтобы газоанализатор был соединен с верхним газоходом, а блок контроля температуры соединен с датчиком автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на нужды теплоснабжения, датчиком контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения, и датчиками контроля температуры горения, причем выходы газоанализатора и блока контроля температуры были подключены к входам указанной автоматической системы управления, а ее выходы подключены к входам аппаратуры, регулирующей работу электродвигателей циркуляционного и дополнительного циркуляционного насосов, воздуходувки и парогенератора. Автоматическая система управления, имеющая несколько программ, оптимизированных под различное топливо, практически исключает необходимость контролировать процесс, дает широкие возможности управления процессом горения. Теплогенератор имеет высокий КПД, а мощность газификатора всегда оптимальна, она автоматически регулируется в широких пределах путем изменения скорости сжигания топлива и полного отбора мощности. Совокупность перечисленных признаков позволяет повысить экологическую и экономическую эффективность работы системы автономного теплоснабжения и горячего водоснабжения, оптимизировав ее мощность и исключив пережог топлива.
Целесообразно установить на газовых горелках теплогенератора автоматическую систему зажигания и контроля горения. При этом достигается дополнительное повышение надежности и безопасности за счет повышения устойчивости горения топливных газов.
Сущность технического решения иллюстрируется примером конкретного исполнения и чертежом, где показана принципиальная схема автономной системы отопления и горячего водоснабжения.
Автономная система отопления и горячего водоснабжения (далее - система) включает (см. чертеж) теплогенератор 1, например, в виде водогрейного котла. Теплогенератор 1 оснащен газовыми горелками 2 с автоматической системой зажигания и контроля горения. Верхняя точка водяной рубашки теплогенератора 1 соединена через главный стояк 3 с дном расширительного бака-теплоаккумулятора 4, имеющего в верхней части патрубок 5 для подвода холодной воды с поплавковым клапаном 6 автоматического поддержания уровня воды в нем и контрольный переливной патрубок 7. Нижняя часть боковой стенки расширительного бака-теплоаккумулятора 4 соединена подающим трубопроводом 8 с установленным в нем датчиком 9 автоматического поддержания заданной температуры воды, со стояками 10 теплоснабжения, имеющими отопительные приборы 11. Стояки 10 теплоснабжения соединены в нижних точках с обратным трубопроводом 12, который через циркуляционный насос 13 соединен с нижней точкой водяной рубашки теплогенератора 1. Теплогенератор 1, главный стояк 3, расширительный бак-теплоаккумулятор 4, подающий трубопровод 8, стояки 10 теплоснабжения, обратный трубопровод 12 и циркуляционный насос 13, соединенные указанным образом, образуют контур циркуляции теплоносителя.
Газификатор 14 в виде, например, котла слоевого сжигания твердого топлива с получением топливного газа низкого давления имеет топку 15. Топка 15 газификатора 14 отделена колосниковой решеткой 16 от поддувала 17 и снабжена датчиками 18 контроля температуры горения. Верхняя точка топки 15 газификатора 14 сообщена верхним газоходом 19 с газовыми горелками 2 теплогенератора 1. Верхний газоход 19 проходит через промежуточный бак 20, который используется как емкостной подогреватель воды, и патрубком 21 сообщен с газоанализатором 22 на пульте 23 управления (далее - пульт 23), которым оснащена система. Пульт 23 имеет также блок 24 контроля температуры и автоматическую систему 25 управления.
Нижняя точка топки 15 газификатора 14 сообщена нижним газоходом 26 с воздуходувкой 27 и парогенератором 28. Верхняя и нижняя точки водяной рубашки 29 газификатора 14 связаны соответственно с соединительным трубопроводом 30 и трубопроводом 31 горячего водоснабжения промежуточного бака 20 с дополнительным циркуляционным насосом 32, установленным у нижней точки водяной рубашки 29 газификатора 14, образуя контур горячего водоснабжения.
Промежуточный бак 20 имеет в верхней части патрубок 33 подвода холодной воды с поплавковым клапаном 34 автоматического поддержания уровня воды в нем.
Трубопровод 31 горячего водоснабжения промежуточного бака 20 оснащен душевыми сетками и кранами 35 горячей воды. В трубопроводе 31 горячего водоснабжения на выходе промежуточного бака 20 установлен датчик 36 контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения.
Датчик 9 автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на нужды теплоснабжения, датчики 18 контроля температуры горения, датчик 36 контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения, подключены кабелями 37 к входам блока 24 контроля температуры пульта 23, а выходы газоанализатора 22 и блока 24 контроля температуры подключены кабелями 37 к входам автоматической системы 25 управления в пульте 23. Выходы автоматической системы 25 управления, в свою очередь, подключены кабелями 37 к входам регулирующей аппаратуры 38 работы электродвигателей циркуляционных насосов 13, 32, воздуходувки 27 и парогенератора 28.
Главный стояк 3, стояки 10 теплоснабжения, отопительные приборы 11, соединенные со стояками теплоснабжения 10, обратный трубопровод 12, трубопровод 31 горячего водоснабжения системы оснащены запорными вентилями 39 для отключения отопления и горячего водоснабжения.
Предлагаемая система работает следующим образом. В топку 15 газификатора 14 на колосниковую решетку 16 загружают твердое топливо, например, уголь. Розжиг топлива осуществляют любым из известных способов. В процессе управляемого горения образуется топливный газ (CO, CO2, H2), который по верхнему газоходу 19 поступает к газовым горелкам 2 теплогенератора 1, где сжигается. Так как верхний газоход 19 патрубком 21 сообщен с газоанализатором 22, то на пульт 23 выводится информация о качественном составе топливного газа. Температурными датчиками 9, 18, 36 регистрируются в реальном времени температура теплоносителя в системе отопления, температура в топке 15 газификатора 14 и температура горячей воды в трубопроводе 31 горячего водоснабжения. Результаты измерений передаются по кабелям 37 к входам блока 24 контроля температуры пульта 23, на котором видны визуально в цифровом виде значения температур. От выходов газоанализатора 22 и блока 24 контроля температуры результаты измерений температур передаются по кабелям 37 к входам автоматической системы 25 управления, программное обеспечение которой предварительно настраивают на применяемый вид топлива (например, уголь). В зависимости от качественного состава топливного газа и результатов измерений температур в газификаторе 14 и в соответствии с заданной программой автоматическая система 25 управления передает управляющие импульсы по кабелям 37 на входы регулирующей аппаратуры 38 работы электродвигателей циркуляционного насоса 13, дополнительного циркуляционного насоса 32, воздуходувки 27 и парогенератора 28. Этим обеспечивается увеличение или уменьшение подачи воздуха и пара по нижнему газоходу 26 и колосниковой решетке 16 в зону горения, где обеспечивается полное и эффективное сжигание топлива в заданном режиме с образованием топливных газов.
Нагрев теплоносителя для нужд отопления осуществляется в водяной рубашке теплогенератора 1. Перенос теплоносителя осуществляется по контуру циркуляции теплоносителя с помощью циркуляционного насоса 13 через главный стояк 3, расширительный бак-теплоаккумулятор 4, подающий трубопровод 8, стояки 10 теплоснабжения и через обратный трубопровод 12 к нижней точке водяной рубашки теплогенератора 1. Атоматическое поддержание уровня воды в системе отопления осуществляется поплавковым клапаном 6, запирающим патрубок 5 подвода холодной воды.
Нагрев воды для нужд горячего водоснабжения осуществляется в водяной рубашке 29 газификатора 14 и в промежуточном баке 20. Циркуляция горячей воды осуществляется по контуру горячего водоснабжения с помощью дополнительного циркуляционного насоса 32 через соединительный трубопровод 30 промежуточного бака 20, его трубопровод 31 горячего водоснабжения к нижней точке водяной рубашки газификатора 14. Поддержание уровня воды в системе горячего водоснабжения осуществляется поплавковым клапаном 34 автоматического поддержания уровня воды, запирающим патрубок 33 подвода холодной воды.
По окончании отопительного сезона и в других ситуациях система теплоснабжения может перекрываться запорными вентилями 39, а газификатор 14 и система горячего водоснабжения продолжают работать, топливный газ, получаемый в газификаторе 14, направляется для производства электрической энергии в газо-поршневом электрогенераторе.
Применяемая система управляемой стадийной газификации твердого топлива в газификаторе 14 обеспечивает:
÷ удельные выбросы твердых и газообразных вредных веществ значительно ниже предельно допустимых норм;
÷ суммарные потери генерирующей установки по тепловой энергии не более 20÷25%;
÷ независимое использование теплоносителя системы отопления и горячего водоснабжения;
÷ полностью автоматизированный твердотопливный газификатор 14 не требует при работе никакого контроля;
÷ пульт 23 позволяет задавать нужное значение температуры и контролирует ее, автоматически изменяет температуру теплоносителя и горячего водоснабжения и имеет несколько программ, оптимизированных под твердое топливо различных видов для того, чтобы обеспечить полное сгорание всех компонентов топлива.
Система, реализующая управляемую стадийную газификацию твердого топлива в газификаторе 14, создает возможность надежного, экономически эффективного и экологически безопасного сжигания различных видов твердого топлива с эффективной утилизацией тепла, что актуально для предприятий и населенных пунктов, удаленных от централизованных газовых магистралей и использующих прямое сжигание твердого топлива в топках колосникового типа.
Таким образом, совокупным действием приведенных признаков обеспечивают решение поставленной задачи.
1. Автономная система отопления и горячего водоснабжения, включающая теплогенератор с газовыми горелками, расширительный бак-теплоаккумулятор, имеющий в верхней части патрубок для подвода холодной воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем и контрольный переливный патрубок, главный стояк, которым верхняя точка водяной рубашки теплогенератора соединена с дном расширительного бака-теплоаккумулятора, подающий трубопровод с датчиком автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на нужды теплоснабжения, которым нижняя часть боковой стенки расширительного бака-теплоаккумулятора соединена со стояками теплоснабжения, отопительные приборы, соединенные со стояками теплоснабжения, при этом стояки теплоснабжения соединены в нижних точках с обратным трубопроводом, который через циркуляционный насос соединен с нижней точкой водяной рубашки теплогенератора, причем теплогенератор, главный стояк, расширительный бак-теплоаккумулятор, подающий трубопровод, стояки теплоснабжения, обратный трубопровод и циркуляционный насос, соединенные указанным образом, образуют контур циркуляции теплоносителя, а также промежуточный бак, который используется как емкостной подогреватель воды, с соединительным трубопроводом на входе и трубопроводом горячего водоснабжения с душевыми сетками и кранами горячей воды на выходе, запорные вентили для отключения отопления и горячего водоснабжения, отличающаяся тем, что она снабжена газификатором, оснащенным воздуходувкой и парогенератором, причем верхняя и нижняя точки водяной рубашки газификатора связаны соответственно с соединительным трубопроводом и трубопроводом горячего водоснабжения промежуточного бака, образуя контур горячего водоснабжения, при этом верхняя точка топки газификатора сообщена верхним газоходом с газовыми горелками теплогенератора, причем верхний газоход проходит через промежуточный бак, а нижняя точка топки газификатора сообщена нижним газоходом с воздуходувкой и парогенератором, причем топка газификатора снабжена датчиками контроля температуры горения.
2. Автономная система отопления и горячего водоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что в трубопроводе горячего водоснабжения у нижней точки водяной рубашки газификатора установлен дополнительный циркуляционный насос.
3. Автономная система отопления и горячего водоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что в трубопроводе горячего водоснабжения на выходе промежуточного бака установлен датчик контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения.
4. Автономная система отопления и горячего водоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что промежуточный бак в верхней части снабжен патрубком параллельной подачи холодной воды с поплавковым клапаном автоматического поддержания уровня воды в нем.
5. Автономная система отопления и горячего водоснабжения по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена пультом управления с газоанализатором, блоком контроля температуры и автоматической системой управления, при этом газоанализатор соединен с верхним газоходом, а блок контроля температуры соединен с датчиком автоматического поддержания заданной температуры воды, подаваемой на нужды теплоснабжения, датчиком контроля температуры воды, подаваемой на нужды горячего водоснабжения, и датчиками контроля температуры горения, причем выходы газоанализатора и блока контроля температуры подключены к входам указанной автоматической системы управления, а ее выходы подключены к входам аппаратуры, регулирующей работу электродвигателей циркуляционного и дополнительного циркуляционного насосов, воздуходувки и парогенератора.
6. Автономная система отопления и горячего водоснабжения по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что на газовых горелках теплогенератора установлена автоматическая система зажигания и контроля горения.
