Отопительная система

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации домов жилищного фонда и производственных помещений. Отопительная система включает нагревательные устройства, насосы для обеспечения движения жидкости-теплоносителя, прямой и обратный трубопроводы. Прямой трубопровод, по крайней мере, на части длины, расположен внутри обратного трубопровода. В обратном трубопроводе установлены промежуточные опоры, на которых укреплен прямой трубопровод. Система обеспечивает уменьшение потерь тепловой энергии. 2 з.п. формулы, 4 ил.

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации домов жилищного фонда и также производственных помещений. Нагретый теплоноситель - воду для отопления подают по трубам к отапливаемым зданиям, а потом вновь транспортируют к нагревательным устройствам. При этом очень велики потери энергии при охлаждении нагретой воды при ее движении по подводящим и отводящим трубам.

Известны системы, включающие водогрейные котлы, а также содержащие циркуляционные насосы и трубопроводы, см. авторское свидетельство 1778451 A1, MПKF24, (Бюллетень изобретений 44. 1992 г.); см. также А.К.Андреевский «Отопление. Курс лекций. Теплоснабжение и вентиляция». Минск 1974 г., 432 с.Ближайшим аналогом данного изобретения является устройство «Система тепловодоснабжения» согласно патенту РФ 2319902. C.1, МПК F24Д, 9/02. Бюллетень изобретений 8(4.III). 2008 г. стр.694.

Это устройство содержит струйные насосы, обеспечивающие движение воды, нагревательные устройства, например, котлы, сеть тепловодоснабжения, а также прямой и обратный трубопроводы для подачи нагретой воды к отапливаемым зданиям и ее отвода при более низкой температуре к нагревательным устройствам. Вход прямого трубопровода соединен с выходом обратного трубопровода через регулируемый клапан, с которым соединен датчик температуры. Несмотря на положительные характеристики данной системы, она не решает задачи уменьшения потерь тепловой энергии при теплопередаче через стенки трубопроводов.

Если в ряде европейских стран строят мини-котельные для отопления нескольких зданий (или даже одного дома), и длина прямого и обратного трубопроводов не очень велика, то в РФ используют крупные котельные для нагрева воды для отопления многих зданий, иногда целого района.

Ввиду этого применяют трубопроводы очень большой длины и в зимнее время при контакте с мерзлым грунтом (или воздухом) при температуре до -20°С - -30°С и ниже тепловые потери очень велики. В основном для подачи воды применяют металлические трубы, а тепловодность металлов достаточно высокая.

Конечно, используют способы, связанные с покрытиями труб теплоизоляционными материалами, что уменьшает тепловые потоки, однако в малой степени, т.к. слой изоляции большой величины существенно увеличивает стоимость трубопроводов и всей отопительной системы. Данная Полезная моделью целью обеспечить решение технической задачи - существенно уменьшить теплообмен трубопроводов с окружающей средой и за счет этого снизить потери дорогой энергии, которая сейчас в значительной степени затрачивается на бесполезный нагрев окружающей среды, а часто приводит к неэффективной работе отопительных систем.

Данная техническая задача решается за счет того, что в отопительной системе, включающей нагревательные устройства, насосы для обеспечения движения жидкого теплоносителя, прямой и обратный трубопроводы; прямой трубопровод, по крайней мере на части его длины, расположен внутри обратного трубопровода. Кроме того предусмотрены промежуточные опоры в виде балок, соединяющих прямой и обратный трубопроводы.

Кроме того, предусмотрен вариант, в котором обратный трубопровод выполнен в виде нескольких труб, расположенных по периметру вокруг прямого трубопровода. Имеется прямая причинно-следственная связь между указанными отличительными признаками и решением технической задачи, поскольку именно расположение прямого трубопровода, т.е. трубопровода подачи нагретой жидкости, внутри обратного позволяет существенно уменьшить площадь. поверхности, по которой происходит теплообмен между трубами системы отопления и окружающей средой, например мерзлым грунтом.

Данное техническое решение не вытекает из известных решений, соответствующих современному уровню техники и обладает элементами существенной новизны. Это решение позволяет более чем в два раза уменьшить потери тепловой энергии и существенно улучшить работу отопительных систем. Устройство поясняется чертежами, фиг.1-фиг.4, при этом на фиг.1 показана отопительная система с параллельным расположением трубопроводов, а на фиг.2 с расположением прямого (подводящего) трубопровода внутри обратного трубопровода. На фиг.3 показано поперечное сечение трубопровода, а на фиг.4 - вариант конструкции, в котором отводящий трубопровод выполнен в виде трех отдельных секций.

На чертежах приняты следующие обозначения. Объекты, которые отапливаются подаваемой водой, например, здания: 1 и 2, (их число может быть различным), показаны на фиг.2. Теплоноситель (нагретая вода) подается через прямой (подводящий) трубопровод 3 через краны 4 от нагревателей 5, например, от котлов с нагревом природным газом. Предусмотрены клапаны 6, а движение теплоносителя, например воды, обеспечивают насосы 7. После нагрева отапливаемых зданий теплоноситель по обратному (отводящему) трубопроводу 8 насосами вновь подается к нагревательным устройствам (котлам). Можно предусмотреть опорные металлоконструкции 9, а также выполнить обратный (отводящий) трубопровод в виде нескольких отдельных секций: - 10, 11, и 12.

Устройство работает следующим образом. Нагретая, например, до 95°С, вода поступает к отапливаемым объектам, зданиям 1 и 2 через прямой (подводящий) трубопровод 3. Теплоноситель - вода через краны 4 движется от нагревателей 5, например, котлов, работающих на природном газе (или мазуте, торфе, угле или иных материалах). Через краны 6 насосы 7 подают охлажденную воду, которая поступает к ним из обратного, отводящего трубопровода 8.

Основные потери тепла происходят при движении теплоносителя - воды по трубопроводам. В зимнее время при низких температурах воздуха и грунта теплоотдача высока. В основном, для отопления применяют металлические трубы, а для металлов теплопроводность высокая и бесполезные потери тепла в процессе движения теплоносителя по трубам значительны. Если прямой и обратный (подводящий и отводящий) трубопроводы выполнены параллельно, см. фиг.1, (на фиг.1 показан известный вариант устройства, принятый за прототип, чтобы были четко видны его различия с предлагаемой конструкцией, приведенной на фиг.2), и их радиусы равны R₀, то на длине трубопроводов L площадь поверхности, по которой происходит теплообмен с окружающей средой, равна:

где D₀ - диаметры прямого и обратного трубопроводов, фиг.1.

При размещении прямого трубопровода внутри обратного, см. фиг.2, 3, для равенства площадей эффективных сечений необходимо, чтобы наружный радиус трубопровода 8 фиг.2, 3 был равным R₀2. В этом случае площадь круглого сечения прямого трубопровода 3 равна R₀², а кольцевого слоя в сечении обратного трубопровода 8:

т.е. их площади будут равны.

Но периметр трубы 8 будет больше трубы 3 не в два раза, а только в 2 раз и составит:

При той же длине L площадь поверхности теплообмена с окружающей средой составит (см. фиг.3)

что в раза меньше, чем в известных устройствах. В некоторых случаях необходимо располагать внутреннюю трубу 3 на опорах 9, например, изготовленных сваркой и расположенных с шагом 3-5 метров. Можно выполнить обратный (отводящий) трубопровод в виде нескольких труб, например труб 10, 11, 12, показанных на фиг.4, но это, конечно, усложняет конструкцию. Объединение прямого и обратного (подводящего и отводящего) трубопроводов для теплоносителя и расположение прямого трубопровода внутри обратного позволяет в 2,83 раза уменьшить площадь поверхности, по которой происходит теплообмен с окружающей средой и, следовательно, потери тепловой энергии.

Можно изменить конструкцию таким образом, чтобы расположить не прямой трубопровод внутри обратного (отводящего), а наоборот - установить внутри прямого обратный трубопровод, но этот вариант конструкции хуже.

Известно, что интенсивность теплообмена при охлаждении любого тела возрастает при увеличении температуры поверхности контакта данного тела с окружающей средой.

Поэтому целесообразно более нагретые слои жидкого теплоносителя располагать в его внутренних слоях, а у поверхности следует располагать ту часть объема жидкости, температура, которой минимальна, что и обеспечивается в данной конструкции отопительной системы.

Приближенно удельный тепловой поток определяется по формуле

где q - удельный тепловой поток,

а - коэффициент теплоотдачи,

t - температура поверхности трубы,

t_с - температура окружающей среды,

(см. например Самойлович Ю.А. и др. Тепловые процессы при непрерывном литье

стали. М.: Металлургия. 1982 С.76).

В данной монографии (см. стр.99) указано, что при малых скоростях воздуха, омывающих охлаждаемую поверхность, коэффициент теплообмена за счет конвекции равен 20-23 Вт/м² гр.

При температуре подводящей воды ~95°С, а отводимой по обратному трубопроводу - 40-50°С тепловой удельный поток согласно формуле

Здесь принята температура окружающей среды равная - 10°С, хотя в условиях зимы в РФ она может быть и более низкой.

При диаметре трубы обратного трубопровода 8d=283 мм=0,283 м и длине участка трубопровода L=1000 м тепловой поток

Для сравнения укажем, что в известных отопительных системах с двумя параллельными трубами и диаметрами 200 мм той же длины и температурами 40 С в одной и 95°С в другой трубе

Это - удельный тепловой поток, а полная величина теплового потока составит

Потери энергии в этих условиях могут достигать для системы прототипа (с параллельными трубопроводами) 14ГДЖ/час, а использование предлагаемой конструкции позволяет уменьшить эти потери в 3,68 раз.

Если начальная температура воды t₀, то после прохождения прямого (т.е. подающего) трубопровода она снижается до t₁, а затем в процессе отопления, т.е. нагрева батарей, или иных отопительных приборов, снижается еще на t.

При движении по обратному трубопроводу она уменьшается еще более от (t₁-t до t_к, где t_к - конечная температура.

При движении жидкости по трубопроводу, усреднив температуру, получим

Здесь с - теплоемкость, р - плотность жидкости, т - время. Изменение температуры соответствует циклу t_нt₁t₁tt_к,

причем t_н - начальная температура,

t_с - температура окружающей среды.

При движении по прямому трубопроводу примем t_с=t_к, (окружающей средой является жидкость, находящаяся в обратном трубопроводе), что несколько завышает величину уменьшения температуры. Поэтому получаем

где L - длина трубопровода, - скорость движения воды, t₀ - температура ее начального нагрева.

После прохождения отапливаемых зданий температура воды уменьшится на t и станет равной t₂=t₁-t. Эта величина еще более уменьшится при движении по обратному трубопроводу и станет равной t_k:

где коэффициенты А₁, А ₂ равны:

Следовательно температура воды уменьшится на 90-64,5=25,5°С, а для трубопроводов известной конструкции это уменьшение составило бы в данном случае 33°С.

При этом уменьшение температуры воды при транспортировке (в трубопроводах) составляет 13°С, а в предлагаемой отопительной системе - только 5,5°С, и видно, что обеспечивается значительное уменьшение потерь тепловой энергии.

Чем ниже температура окружающей среды, тем выше потери тепловой энергии и тем больший полезный эффект дает использование данной отопительной системы.

Эта конструкция может быть использована и в других теплообменных агрегатах, в частности, в системах охлаждения. И в этих случаях расположение прямого трубопровода внутри обратного позволяет уменьшить теплообмен с окружающей средой, т.е. уменьшить нагрев низкотемпературных жидкостей или газов.

При необходимости транспортировки нескольких (трех, четырех и более) жидкостей (или газов) целесообразно выполнить их систему движения не в виде параллельных труб, а в виде концентрических труб с параллельными осями симметрии (или с одной общей осью). Одна из жидкостей движется по центральной цилиндрической трубе, а другие по кольцевым полостям, каждая из которых ограничена двумя цилиндрическими поверхностями.

В наружном кольцевом слое целесообразно перемещать ту из жидкостей, температура которой наиболее близка к температуре окружающей среды. Это позволит уменьшить интенсивность теплообмена. Можно легко обеспечить регулирование расхода жидкостей в каждом из кольцевых цилиндрических слоев.

Внедрение устройства не требует больших затрат и может быть легко осуществлено практически в любых условиях.

1. Отопительная система, включающая нагревательные устройства, насосы для обеспечения движения жидкости-теплоносителя, прямой и обратный трубопроводы и теплообменные нагреватели, отличающаяся тем, что прямой трубопровод, по крайней мере на части его длины, расположен внутри обратного трубопровода.

2. Отопительная система по п.1, отличающаяся тем, что в обратном трубопроводе установлены промежуточные опоры, на которых укреплен прямой трубопровод.

3. Отопительная система по п.1, отличающаяся тем, что ее обратный трубопровод выполнен в виде нескольких труб, расположенных по периметру вокруг прямого трубопровода.