Ёмкостной Гидравлический Разделитель

ЗАЩИТНО-СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО МАЛООБЪЕМНОЙ СИСТЕМЫ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ – ЁМКОСТНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬ ПРИ РАБОТЕ С ТВЕРДОТОПЛИВНЫМ КОТЛОМ.

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно, к теплотехническому гидравлическому устройству и предназначена для обеспечения возможности совместной работы твердотопливных котлов до 50 кВт с малообъемными системами отопления с принудительной циркуляцией водяного теплоносителя.

Твердотопливный котел имеет свойства периодически вскипать и различные методы управлением горения не всегда срабатывают вовремя. При этом данные системы отопления на практике изготавливаются с применением пластиковых/металлопластиковых труб, которые чувствительны к высокотемпературным выбросам, поскольку температуры свыше 95 0 С для них противопоказаны. Высокотемпературные выбросы могут образовываться по следующим причинам.

1. Во время рабочего режима из-за неравномерности выделения тепла во время горения, топлива в твердотопливном котле, может происходить временное превышение мощности теплоотдачи, создающее временный тепловой разбаланс при передаче тепла от котла к контуру системы отопления.
2. Во время аварийного режима из-за резкого снижения расхода теплоносителя в контуре системы отопления по причине остановки циркуляционного насоса и инертности управления теплоотдачи твердотопливного котла происходит быстрое снижение мощности теплосъема, которое создает временный тепловой разбаланс.

В малообъемных системах водяного отопления, работающих только в принудительной схеме циркуляции теплоносителя, в случае отключения электроэнергии остановка циркуляционного насоса приводит к мгновенному вскипанию теплоносителя и перегреву системы отопления, что приводит к аварийным повреждениям труб. Всевозможные эксперименты с автоматикой только усложняют систему, но 100% гарантии не дают и приводят к потерям тепла и теплоносителя (аварийным сбросам). Дело в том, что при создании современных малообъемных скоростных систем водяного отопления, собранных из пластиковых/металлопластиковых труб, с установкой твердотопливного котла, существуют несогласования в работе контуров котла и системы отопления, которые проявляются в рабочем и особенно в аварийном режимах.

В рабочем режиме данные несогласования проявляются в виде скачков температур, гидравлических ударов, стуков, шумов и т.д. Из практики установлено, что для коттеджа площадью до 200 м 2 при использовании твердотопливного котла мощностью 20 кВт возможно возникновение такого несогласования до 6 кВт.

В аварийном режиме несогласование может достигать до 19 кВт, что связано с резким уменьшением теплосъема по причине отключения циркуляционного насоса, а также инертностью управления теплоотдачи источника тепла. Это приводит к вскипанию (перегреву) теплоносителя в считанные минуты и перегреву трубопроводов системы теплопотребления.

Причины возникновения несогласованности твердотопливного котла и системы потребления тепла при работе системы отопления, приводящие к потерям тепловой энергии, заключаются в неравномерности теплоотдачи тепла твердым топливом, сложности управления горением твердотопливного котла, инерционности горения даже при ограничении подачи воздуха, инертности автоматики управления горением котла, регулировочных процессах в системе отопления, внешней тепловой эмиссии, уменьшающей теплосъем, загрязнении теплоносителя через частую подпитку сырой водой. Поэтому необходимо применение устройства, способного поглощать временную излищнюю тепловую эмиссию котла.

Таким образом, для обеспечения устойчивой работы малообъемной системы водяного отопления, оборудованной твердотопливным котлом необходимо устройство, которое должно выполнять следующие функции.

1. Функцию гидравлического согласования контуров котла и системы отопления при различных расходах теплоносителя в данных контурах.
2. Функцию поглощения избыточной тепловой мощности аварийного теплового разбаланса, возникающей из-за снижения мощности теплосъема при резком снижении расхода теплоносителя в системы отопления по причине прекращения искусственной циркуляции.
3. Функцию поглощения избыточной тепловой мощности рабочего теплового разбаланса, возникающей по причине временного превышения мощности теплогенерации над мощностью теплосъема при расходе теплоносителя в системы отопления, равного или большего расходу в контуре котла.

Для выполнения первой функции — гидравлического согласования циркуляционных контуров котла и радиаторов с принудительной циркуляцией теплоносителя достаточно устройства, способного выполнять функцию разделения потоков.

Данные устройства хорошо известны и представлены на рынке в огромном количестве. Содержат малообъемный металлический резервуар (до 5-7 литров), снабженный патрубками подключения к контуру котла, патрубками подключения к контуру системы отопления, патрубком для автоматического воздухоотводчика в верхней части, патрубком для крана для отвода шлама и грязи в нижней части (http://pls99.ru/stati/30142-gidrostrelka-chertezh).

Например, известны гидрострелка компании VALTEC VT.VAR00.G (http://valtec.ru/catalog/sistemy_modulnogo_montazha/gidravlicheskaya_strelka_vtvar00g.html), гидравлические стрелки фирмы TERMEN (см. http://ru.termen.eu/of_spd.php) и др.

Однако малообъемные устройства не могут выполнить функцию защиты от перегрева малообъемной системы водяного отопления с твердотопливным котлом, так как не может поглотить достаточное количество избыточного тепла.

Для выполнения и первой, и второй функции –гидравлического согласования и поглощения аварийного теплового разбаланса, возникающего при снижении расхода теплоносителя в контуре системы отопления, необходимо устройство, способное осуществить не только гидравлическое согласования циркуляционных контуров, но и поглощение избыточного тепла от твердотопливного котла, например, на время переходного процесса снижения теплоотдачи автоматикой.

Известен Ёмкостной Гидравлический Разделитель для малообъемной системы водяного отопления с твердотопливным котлом разработанного Белым К и Ю. в 1994 году, содержащий вертикальную металлическую емкость увеличенного объема, через которую свободно циркулирует теплоноситель из котла и теплоноситель из системы теплопотребления. Емкость имеет определенный объем и диаметр и выполнена из герметично сваренных между собой двенадцатигранной обечайки, дна и крышки, усиленной с внутренней стороны вертикальными ребрами, установленные на вертикальных гранях обечайки штуцеры с наружной резьбой, три из которых расположены в нижней части, а два ? в верхней, установленный на крышке штуцер для присоединения группы безопасности и опоры. Объем емкости должен соответствовать мощности котла. Он подобран из расчета 10 литров емкости на 1 кВт мощности котла. При мощности котла 20 кВт объем емкости составляет 230 литров, диаметр 430 мм и высота 2038 мм. В качестве теплоносителя используется вода питьевая по ГОСТ 2874 с карбонатной жёсткостью не более 0,7 мг-экв/кг, прошедшая обработку. Допускается использование бытового незамерзающего теплоносителя, сертифицированного для жилых помещений (например, Nixiegel, DIXIS, DIXIS-TOP), согласно инструкции на его применение. В моменты пиковой мощности котла теплоноситель в емкости способен поглотить лишнее тепло и, наоборот, когда котел остывает, он отдает накопленное тепло в систему отопления. Однако конструктивные особенности емкостного гидравлического разделителя не позволяют полностью исключить перегрев системы отопления. Как показывает опыт его эксплуатации, данное устройство не обеспечивает выполнение третьей функции – не может осуществить полное поглощение избыточной тепловой мощности рабочего теплового разбаланса. Следовательно, не может исключить возможность перегрева системы потребления тепла в рабочем режиме. В связи с этим система отопления имеет увеличенные потери тепловой энергии и работает с задержкой при пуске, пока не прогреется верхний слой теплоносителя в емкости. Все это снижает энергоэффективность, экономичность и надежность работы системы отопления.

Наличие указанных недостатков можно объяснить следующим. В основе принципа работы Ёмкостного Гидравлического Разделителя (ЁГР) лежит возможность поглощения водой тепловой энергии. Объем емкости устройства функционально разделен на гидравлические зоны:

1. зона объема для компенсации аварийных несогласований, составляющая весь объем теплоносителя в емкости, взятый с запасом (при мощности твердотопливного котла 20 кВт объем емкости должен быть не менее 200 л);
2. зона объема для компенсации рабочих несогласований, составляющая объем теплоносителя в емкости между уровнем выходного патрубка контура источника тепла и уровнем входного патрубка контура потребления тепла.

Объем емкости прототипа, равный 230 л, является достаточным для компенсации аварийных несогласований, но на практике позволяет скомпенсировать только около 18 кВт аварийного несогласования.

Патрубок подачи в контур системы отопления смещен от верха емкости вниз на 10 % от высоты устройства, что создает зону объемом 23 литров, которая практически не несет функциональной нагрузки и создается инертность прогрева системы теплопотребления при стартовом нагреве не менее 15 минут. Патрубок подачи теплоносителя из котла смещен вниз относительно патрубка подачи в контур потребления тепла на 13% от высоты устройства, что формирует зону компенсации рабочего теплового рассогласования, составляющую 30 литров, чего недостаточно, для защиты от возможного закипания водяного теплоносителя во время теплового разбаланса по причине временного превышения мощности теплогенерации над мощностью теплосъема при расходе теплоносителя в контуре потребления тепла равным или большем расхода в контуре источника тепла и соответствует компенсации несогласования приблизительно 3 кВт, что недостаточно для устойчивой работы системы отопления, ведь на практике требуется возможность компенсации рабочих несогласований до 6 кВт, т.е. не менее 60 литров.

Следовательно, Ёмкостной Гидравлический Разделитель функционально может быть применим только в качестве управляемого узла смешения.

Таким образом, для принятия оптимальных экономичных проектных решений и эффективного использования тепловой энергии актуально дальнейшее усовершенствование известных устройств. При этом основным правилом работы с твердотопливным котлом является недопущение перегревания системы.

Задачей, решаемой данным предложением, является повышение защитных функций от перегрева малообъемной скоростной системы отопления с твердотопливным котлом, повышение эффективности использования тепловой энергии путем создания высокоэффективного защитно-согласующего устройства с расширенными функциональными возможностями.

Технический результат от использования универсального защитно-согласующего устройства в малообъемной скоростной системе отопления с твердотопливным котлом заключается в исключении перегрева системы отопления. Дополнительно обеспечивается ускорение прогрева системы отопления и снижение потерь тепловой энергии.

Сущность полезной модели заключается в том, что в защитно-согласующем устройстве для малообъемной системы водяного отопления с твердотопливным котлом, мощностью до 50 кВт и принудительной циркуляцией теплоносителя, содержащем вертикальную емкость объемом, подобранным из расчета 10 литров на 1 кВт мощности котла, выполненную из герметично соединенных между собой обечайки, дна и крышки, с верхним и нижним присоединительными патрубками для подключения контура котла, верхним и нижним присоединительными патрубками для подключения контура системы отопления и нижним присоединительным патрубком для сброса из емкости шлама, расположенными на обечайке, присоединительным патрубком для присоединения автоматического воздушного клапана или группы безопасности, установленным на крышке, и опорную конструкцию для емкости, особенность состоит в том, что верхний присоединительный патрубок для подключения контура потребления тепла размещен у верхнего края емкости, а верхний присоединительный патрубок для подключения контура источника тепла смещен от него вниз с перепадом по высоте, достаточным для возможности создания между ними в емкости пространства объемом не менее 60 литров, при этом емкость выполнена объемом не менее 200 литров и диаметром не менее 400 мм. Выполнить емкость целесообразно из стали в форме цилиндра. В любом случае выполнения емкость может быть дополнительно снабжена фланцем, который размещен на обечайке на уровне размещения верхнего присоединительного патрубка контура источника тепла. Кроме этого, присоединительные патрубки предпочтительно выполнены с внутренней резьбой и могут быть, например, вварены в тело емкости. Например, в случае выполнения емкости из стали в форме цилиндра, перепад по высоте между верхним присоединительным патрубком для подключения контура потребления тепла и верхним присоединительным патрубком для подключения контура источника тепла выполнен равным 1/3 высоты емкости, при этом емкость выполнена объемом 240 литров, диаметром 400 мм, высотой с опорной конструкцией 1800 мм, а присоединительные патрубки выполнены с внутренней трубной резьбой диаметром на верхнем и нижнем патрубках для подключения контура источника тепла 32 мм, диаметром на верхнем и нижнем патрубках для подключения контура потребления тепла — 25 мм, диаметром на патрубке для сброса из емкости шлама – 25 мм, диаметром на патрубке крышки — 15 мм. При этом емкость может быть дополнительно снабжена фланцем, который размещен на обечайке на уровне размещения верхнего присоединительного патрубка контура источника тепла.

Совокупность существенных признаков обеспечивает получение указанного технического результата.

Выравнивание температуры обеспечивается возможностью аккумулирования избытка выделенного котлом тепла в большом объеме. Перенос размещения верхнего присоединительного патрубка для подключения контура потребления тепла к верхнему краю обечайки со смещением верхнего присоединительного патрубка для подключения контура источника тепла от него вниз с перепадом по высоте, достаточным для возможности создания между ними пространства для теплоносителя объемом не менее 60 литров, при их размещении на емкости, выполненной объемом не менее 200 литров и диаметром не менее 400 мм, в целом позволяют создать между указанными верхними патрубками в емкости зону с достаточным объемом (превышающим данный объем у прототипа), естественной конвекцией и ускоренным съемом тепла с теплоносителя для возможности полной компенсации температурных выбросов при перегреве, что исключает перегрев системы отопления в рабочем режиме – позволяет сгладить всплески температур, не доводя температуру теплоносителя до критического значения в период работы системы отопления и котла. Защитная функция устройства в этом случае проявляется в подмесе теплоносителя, находящегося в емкости, в теплоноситель, выходящий из котла, выступая своеобразным термостатическим смесителем.

Выполнение емкости диаметром не менее 400 мм дает возможность создать естественную конвекцию теплоносителя — высокая температура заходящего в емкость теплоносителя устремляется вверх и подмешивается к остывшему естественным путем теплоносителю. При диаметре емкости менее 400 мм повышается вертикальная скорость, что может обеспечить работу защитно-согласующего устройства только как смесительного узла. Самая горячая вода подается в это пространство емкости и быстрее забирается системой теплопотребления. Тепло быстрее снимается с теплоносителя, что обеспечено ускоренным (без необходимости прогрева верхнего слоя теплоносителя в емкости, как в прототипе) его поступлением в греющий контур системы отопления.

Поступающий из контура котла в емкость теплоноситель с высокой температурой в достаточном объеме за счет естественной конвекции поднимается вверх, отдавая тепло естественным путем остывшему теплоносителю, и быстрее поступает в греющий контур системы отопления, когда тепло быстрее снимается с теплоносителя, чтобы не допустить перегрева системы отопления, позволяя поглотить избыток тепла без вскипания теплоносителя.

Исключение внутри емкости зоны с непродуктивным объемом, не несущей практически никакой функциональной нагрузки, и увеличение перепада по высоте между верхними патрубками контуров источника и потребления тепла значительно увеличивает зону объема компенсации рабочих несогласований. Тепло быстрее снимается с теплоносителя, что позволяет не только быстро прогреть систему теплопотребления, но и уменьшить температуру теплоносителя, а, значит, не допустить его перегрева и снизить потери тепловой энергии. Объем компенсационной зоны менее 60 литров на практике является недостаточным, чтобы полностью исключить возможность перегрева системы отопления в рабочем режиме.

Динамический характер потери устойчивости системы теплопотребления при перегреве теплоносителя, приводящий к потерям тепловой энергии, вызывается превышением притока тепловой энергии над ее поглощением в емкости. Поэтому очень важно иметь большой объем теплоносителя в емкости, который должен соответствовать мощности котла из расчета 10 литров на 1 кВт мощности, но быть не менее 200 литров, чтобы оставаться эффективным. При этом также важно, чтобы диаметр емкости составлял не менее 400 мм. Также позволяет скомпенсировать от 20 кВт аварийного несогласования.

Возможность предотвращения роста температуры в контуре потребления тепла при перегреве теплоносителя (возможность компенсации избытка тепла) в рабочем режиме эксплуатации исключает перегрев системы отопления, ускоряет ее прогрев и снижает тепловые потери.

Наличие фланца в зоне, где имеется интенсивная тепловая нагрузка, позволяет выполнять очистку внутренней поверхности и этим дополнительно улучшить условия предотвращения роста температуры при перегреве теплоносителя.

Выполнение емкости в виде металлического, желательно стального, цилиндра с обечайкой из цельного листа обеспечивает достаточную прочность, чтобы емкость могла выдерживать повышенные тепловые нагрузки, чтобы сохранить работоспособность системы отопления. Наличие фланца в зоне, где имеется самая интенсивная тепловая нагрузка, дополнительно позволяет выполнять ревизию и очистку внутренней поверхности от накипи, чтобы снизить возможность повышения температуры теплоносителя, что также снижает риск перегрева и потерь тепловой энергии. Выполнение присоединительных патрубков с внутренней резьбой обеспечивает качество соединения для достижения большей непроницаемости стыков, исключающее утечки теплоносителя, а, следовательно, поддерживает возможность стабильности температурного режима, что снижает потери тепловой энергии, обеспечивая возможность ускоренного прогрева системы отопления без ее перегрева, что также способствует достижению технического результата.

На фиг. 1 представлена схема известной гидравлической стрелки фирмы TERMEN; на фиг. 2 – схема известной гидравлической стрелки заводского изготовления; на фиг. 3 – схема известного емкостного гидравлического разделителя (прототипа); на фиг. 4 представлено защитно-согласующее устройство, общий вид; на фиг. 5 – то же, что на фиг. 4, вид сверху; на фиг.6 –представлена таблица 1 — расчет выходной мощности котла и выделенного тепла при переходе из 20 кВт в 5 кВт для оценки количества энергии для поглощения из расчета типового переходного процесса; на фиг. 7 – таблица 2 — расчет максимальной способности поглощения защитно-согласующим устройством при объеме емкости 240 литров, из них 80 литров нагреты до температуры 70 0 С, 160 литров нагреты на 50 0 С, допустимый нагрев до 95 0 С; на фиг. 8 – таблица 3 — расчет рабочего разбаланса; на фиг. 9 – таблица 4 — расчет максимальной способности скомпенсировать энергию рабочего разбаланса 6 кВт, объемом 80 литров при начальной температуре 70 0 С и допустимым нагревом до 95 0 С.

Расчет выходной мощности котла и выделенного тепла при переходе из 20 кВт в 5 кВт.

Длительность периода, мин

Средняя мощность периода, кВт

Средняя мощность теплового отбора, кВт

Средняя мощность аварийного разбаланса, кВт

Выделенное тепло за период, кДж

Итого выделенного тепла, кДж

Фиг. 6

Расчет максимальной способности поглощения. Объем 240 литров, из них 80 литров нагреты до температуры 70 0 С, 160 литров нагреты до 50 0 С.

Допустимый нагрев до 95 0 С.

Теплоемкость, 80 л

При дельте 20°С, кДж

Теплоемкость, 160 л

При дельте 45°С, кДж

Фиг. 7

Расчет рабочего разбаланса

Длительность периода, мин

Средняя мощность теплового разбаланса, кВт

Выделенное тепло за период, кДж

Итого выделенного тепла, кДж

Фиг. 8

Расчет максимальной способности скомпенсировать тепловую энергию рабочего разбаланса 6 кВт, объемом 80 литров при начальной температуре 70°C и допустимом перегреве до 95°C.

Теплоемкость, 80 л

При дельте 25С, кДж

Фиг. 9

Защитно-согласующее устройство содержит вертикальную емкость из обечайки 1, дна 2 снизу и крышки 3 сверху, которые герметично соединены между собой. Объем емкости подобран из расчета 10 литров на 1 кВт мощности котла, но не менее 200 литров при диаметре не менее 400 мм. Расчет диаметра выполнен исходя из максимальной технически возможной величины протока теплоносителя в отопительной системе (м 3 /час) и обеспечения минимума скорости теплоносителя в емкости или подводящих патрубках с учетом того, что для создания свободной циркуляции высота емкости должна превышать высоту котла как минимум на 1000 мм. При этом высота емкости может быть различной, но удобной для размещения в любом помещении. Наиболее предпочтительным является выполнение емкости из стали в форме цилиндра, обечайка 1 которого изготовлена в отличие от прототипа из цельного листа. Также выполнение емкости в виде цилиндра дополнительно обеспечивает экономические преимущества при ее изготовлении, позволяя снизить трудоемкость и стоимость изделия. Для подключения контура источника тепла на обечайке 1 расположены верхний присоединительный патрубок 4 для выхода теплоносителя из циркуляционного контура источника тепла в емкость и нижний присоединительный патрубок 5 для входа теплоносителя в циркуляционный контур источника тепла из емкости. Для подключения контура теплопотребления на обечайке 1 расположены верхний присоединительный патрубок 6 для входа теплоносителя в циркуляционный контур системы отопления из емкости и нижний присоединительный патрубок 7 для выхода теплоносителя из циркуляционного контура системы отопления в емкость. Для сброса из емкости шлама (осадка, ила и др.) она снабжена нижним присоединительным патрубком 8, который расположен на обечайке 1. При необходимости емкость может быть дополнительно снабжена фланцем 9, который расположен на обечайке 1. Для присоединения автоматического воздушного клапана или группы безопасности на крышке 3 установлен присоединительный патрубок 10. Емкость установлена на опорную конструкцию 11, которая придает ей устойчивость и приподнимает над полом для облегчения монтажа и обвязки устройства. Желательно все указанные присоединительные патрубки выполнить с внутренней трубной резьбой и их можно вварить в тело обечайки 1 или крышки 3 соответственно. Верхний патрубок 6 размещен у верхнего края обечайки 1, а размещение верхнего патрубка 4 выполнено с перепадом по высоте между ними (разнесены по высотам), достаточным для возможности создания между ними пространства объемом не менее 60 литров. При этом не требуется точного расстояния между патрубками 4 и 6.

Емкость можно снабдить утеплителем по контуру. Фланец 9 должен быть размещен ниже верхнего края обечайки 1 на уровне размещения верхнего присоединительного патрубка 4 контура источника тепла. Фланец 9 выполнен с возможностью установки в емкости, по меньшей мере, одного нагревательного устройства, в качестве которого предпочтительно использовать ТЭН.

Устройство работает следующим образом.

Котловой контур системы отопления подключается к емкости защитно-согласующего устройства преимущественно с помощью резьбовых соединений, в частности, внутренней трубной резьбы диаметром 32 мм – труба подачи теплоносителя из котла в емкость подключается к верхнему патрубку 4, труба входа теплоносителя из емкости в котловой контур (обратка) подключается к нижнему патрубку 5. Контур теплопотребления системы отопления подключается к емкости защитно-согласующего устройства с помощью резьбовых соединений, в частности, внутренней трубной резьбы диаметром 25 мм – подача теплоносителя из емкости в контур теплопотребления подключается к верхнему патрубку 6, вход теплоносителя из контура теплопотребления в емкость (обратка) подключается к нижнему патрубку 7. На патрубок 10 с помощью резьбового соединения, в частности, внутренней трубной резьбы диаметром 15 мм устанавливается автоматический воздушный клапан или группа безопасности: автоматический воздушный клапан, термометр и манометр. С помощью резьбового соединения, в частности, внутренней трубной резьбы диаметром 25 мм патрубок 8 закрывается запорной арматурой и используется только для сброса шлама (осадка, ила и др.). Посредством фланца 9 проводят ревизию и техническое обслуживание емкости, а также при необходимости устанавливают одно или более одного нагревательное устройство, например, ТЭН.

Описание гидравлических процессов, проходящих в защитно-согласующем устройстве, то есть того, что происходит с потоками жидкости внутри емкости при различных режимах работы устройства.

Работа защитно-согласующего устройства в штатном (рабочем) режиме происходит следующим образом. Теплоноситель, нагретый в котле, заходит через патрубок 4, без остановки проходит в патрубок 6, далее прогревает контур системы отопления, а остывший теплоноситель возвращается через патрубок 7 и далее через патрубок 5 выходит в котел. Перепад по высоте между патрубками 6 и 4, составляющий не менее 1/3 высоты емкости, является достаточным, чтобы сгладить всплески температур, не доводя температуру теплоносителя до критического значения в период работы котла и работы системы теплопотребления.

Работа защитно-согласующего устройства в аварийном режиме, когда котел работает, а система теплопотребления или отключена или не может пропустить нужный объем теплоносителя, или находится в прогретом состоянии, что не может снять выделенное котлом тепло, происходит следующим образом. Теплоноситель при увеличении прогрева системы теплопотребления начинает возвращаться через патрубок 7, повышенной температурой смешивается с холодным теплоносителем в емкости и уходит через патрубок 5, далее — в котел. При остановке циркуляции через систему теплопотребления (аварийная остановка насоса, закрытие запорной арматуры и т.д.) циркуляция теплоносителя начинает идти через емкость защитно-согласующего устройства через патрубки 4 и 5, емкость начинает накапливать тепло, котел работает без резкого перегрева.

Защитно-Согласующеее Устройство (ЗСУ) также может быть использовано в качестве устройства по поддержанию в системе температуры теплоносителя. В одном случае происходит передача накопленного емкостью тепла в периоды интенсивного горения котла. В другом случае возможно использование дополнительного источника тепла – нагревательного устройства, например, ТЭНов, устанавливаемых на фланце 9 емкости, что также дополнительно может защитить систему отопления от замерзания в случае длительной остановки котла.

Пример конкретного выполнения устройства.

Емкость выполнена из стали в форме цилиндра объемом 240 литров, диаметром 400 мм. Методом расчета и практического подбора объема емкости была формула количества теплоносителя в емкости к мощности твердотопливного котла, которая равна не менее 10 литрам на 1 кВт, но не менее 200 литров. Аварийный объем взят с запасом – 240 литров, что позволяет скомпенсировать до 24 кВт аварийного несогласования. Высота емкости с опорной конструкцией 11 составляет 1800 мм. Такая высота устройства по сравнению с прототипом значительно упрощает его монтаж, подходит для установки устройства в помещении практически любых размеров, а также позволяет удобно наблюдать за приборами контроля и безопасности, что очень важно для безопасной эксплуатации. Перепад по высоте между патрубками 6 и 4 выполнен равным 1/3 высоты емкости, что значительно увеличивает зону объема компенсации рабочих несогласований до 80 литров, что позволяет скомпенсировать от 8 кВт рабочих несогласований и создать до 30% дополнительного запаса компенсационной устойчивости по сравнению с прототипом. Фланец 9 размещен на таком же уровне, — 1/3 высоты емкости. Присоединительные патрубки выполнены с внутренней трубной резьбой диаметром: на патрубках 4 и 5 – 32 мм; на патрубках 6, 7, 8 – 25 мм; на патрубке 10 – 15 мм. Фланец выполнен с возможностью дополнительной установки ТЭНа.

Созданный опытный образец защитно-согласующего устройства протестирован в совместной работе с малообъемной скоростной системой отопления из полимерных труб, оборудованной твердотопливным котлом мощностью 20 кВт. Получены устойчивые гидравлические режимы эксплуатации, как твердотопливного котла, так и системы теплопотребления. Правильный расчет параметров устройства, основанный на понимании физических процессов движения жидкости и передачи тепла, позволил избавиться от дополнительных термостабилизирующих элементов по температуре. Задача была решена в нескольких вариантах для получения результата, близкого к оптимальному.

Из условия энергосбережения емкость, аккумулирующая тепловую энергию, должна принимать, как минимум, количество тепла, производимое разовой загрузкой котла. Но, следует отметить, чем больше объем емкости, тем лучше удается добиться максимальной производительности и экономичности системы. Поэтому объем емкости подбирался в зависимости от мощности котла. Определяющим условием было, чтобы емкость защитно-согласующего устройства соответствовала мощности котла из расчета не менее 10 литров на 1 кВт мощности котла, но не менее 200 литров. Применение объемов менее 200 литров не позволяет перемешивать поток перегретого теплоносителя из-за больших скоростей. В большом объеме поток теплоносителя от котла переходит в ламинарное состояние, частично отдавая тепло окружающей среде. Что является хорошим защитным свойством от кратковременного перегрева. Поэтому габаритные размеры защитно-согласующего устройства имеют исключительное значение. Основной принцип работы защитно-согласующего устройства происходит без использования каких либо насосов, за счет гидравлического разделения среды. Поэтому объем не менее 200 литров и диаметр емкости не менее 400 мм обязательны. Диаметр (не менее 400 мм), емкости с большим объемом (не менее 200 литров) и диаметры патрубков определены в процессе расчетов и экспериментальной эксплуатации созданного образца. Расчет диаметра выполнен исходя из максимальной технически возможной величины протока теплоносителя в отопительной системе (м 3 /час) и обеспечения минимума скорости теплоносителя в емкости или подводящих патрубках. Уменьшение размера диаметра менее 400 мм приводит к ухудшению согласующих и защитных функций устройства. Диаметр 400 мм выбран также с целью оптимизации размеров, поскольку устройство должно быть выше котла как минимум на 1000 мм (для создания свободной циркуляции), но должно помещаться в любом помещении и обладать емкостью не менее 200 литров. Исключена непродуктивная зона вверху емкости.

Проведенные испытания малообъемной системы отопления с твердотопливным котлом и защитно-согласующим устройством показали состоятельность системы отопления и выполнение устройством заданных функций. Работа созданного опытного образца предлагаемого защитно-согласующего устройства, полностью подтвердила возможность эффективной защиты от перегрева малообъемной скоростной системы отопления, в том числе из пластиковых или металлопластиковых труб, с инерционным твердотопливным котлом.

Необходимое количество энергии для поглощения оценено из расчета типового переходного процесса (фиг. 6). Для оценки поглощающей способности предлагаемой полезной модели представлен расчет максимальной способности поглощения (фиг. 7). Приведенные расчеты наглядно показывают, что конструкция защитно-согласующего устройства позволяет с запасом перекрыть необходимое поглощение. Такую же функцию может выполнять и прототип. Но конструкция прототипа не может обеспечить достаточную компенсационную способность (исключить перегрев системы отопления) в штатном (рабочем) режиме. Во время работы системы отопления в штатном режиме поток котельного контура через емкость замыкается с греющим контуром. Поэтому для эффективного поглощения избыточной тепловой мощности необходимо, чтобы поток в емкости проходил через достаточный компенсационный объем, способный поглотить избыточное тепло на время переходного процесса снижения мощности теплоотдачи котла. Для сравнения защитно-согласующего устройства с прототипом рассчитано требуемое расстояние между верхними патрубками котельного и греющего контуров (перепад по высоте) – расчет рабочего разбаланса (фиг. 8). На основании данного расчета количества избыточной энергии определено, что минимальный объем для поглощения избыточного тепла при рабочей температуре 70 0 С и допустимом перегреве до 95 0 С составляет 56 литров и более. Конструкция защитно-согласующего устройства с соответствующим объемом емкости (240 литров), диаметром 400 мм и заявленным расположением верхних патрубков котельного и греющего контуров с перепадом между ними по высоте 1/3 высоты емкости обеспечивает 80 литров для осуществления с запасом максимальной компенсирующей способности. Выполнен расчет максимальной способности скомпенсировать энергию рабочего разбаланса, равного 6 кВт, объемом 80 литров при начальной температуре 70 0 С и допустимом перегреве до 95 0 С (фиг. 9).

Оптимальные высота (1800 мм) и диаметр (400 мм) емкости защитно-согласующего устройства были определены в процессе эксплуатации выполненного образца. При этом уменьшение диаметра менее 400 мм приводит к ухудшению согласующих и защитных функций заявленного устройства.

Экспериментально выявлено и подтверждено расчетами, что работа системы отопления без перегрева обеспечивается без осложнений со стороны защитно-согласующего устройства как в период работы котла и системы, что доказывает, что устройство не является буферной емкостью или накопителем и работает по другому принципу, так и в период остановки работы системы отопления и исключения вскипания котла (аварийного режима котла) без дополнительного сброса воды и последующей подпитки контура котла (что присутствует в импортных аналогах).

Устройство обеспечивает оптимальные условия передачи тепла от котла к системе отопления, исключая перегрев, не вызывает затруднений в изготовлении, отличается простотой установки и эксплуатации, безопасное и эффективное в использовании.

Универсальное защитно-согласующее устройство для малообъемной скоростной системы отопления с твердотопливным котлом позволяет:

1. согласовать твердотопливный котел с малообъемной системой отопления;
2. смягчить гидравлические удары, возникающие в котле при вскипании, не передавая его действия контуру системы отопления;
3. сгладить всплески температур, не доводя температуру теплоносителя до критического значения в рабочем режиме;
4. аккумулировать избыточное тепло и использовать его в процессе для сглаживания нижних пиков или в период остановки котла;
5. гидравлически соподчинить различные потребители без установки дорогого балансировочного механизма управления;
6. увеличить долговечность системы и оборудования;
7. довести ценовые показатели до максимальных качественных значений без установки дорогих и сложных в эксплуатации и настройке приборов управления и исполнительных механизмов;
8. обеспечить защиту контура радиаторов при отключении электроэнергии;
9. выполнить при необходимости дополнительную функцию — защиту системы отопления от замерзания.

Использование заявляемого устройства обеспечивает эффективную защиту от перегрева системы теплопотребления, позволяет оптимизировать работу системы отопления по поддержанию необходимой температуры, а, значит, обеспечить эффективную и безопасную эксплуатацию всех ее элементов. Повышается качество поддержания температуры, эффективность системы отопления, в том числе надежность, безопасность и экономичность, улучшаются условия безопасного функционирования системы отопления по температуре.

За счет конструктивных особенностей доступного по цене защитно-согласующего устройства, позволяющего исключить перегрев системы отопления и минимизировать потери тепловой энергии, а также доступности топлива удается достичь наиболее эффективной и экономичной работы малообъемной системы отопления с твердотопливным котлом, гарантировать ее безопасность и функциональность.

Устройство не вызывает затруднений в изготовлении, отличается простотой установки и эксплуатации, безопасное и эффективное в использовании.

Разработка подготовлена: Белым К.В., Белым Ю.В., Белым О.Ю.