Автономный циркуляционный термоэлектронасос для системы отопления

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий.

Известен циркуляционный насос системы отопления и/или кондиционирования, содержащей главный гидравлический контур и дополнительный гидравлический контур (систему отопления), имеющей по меньшей мере один циркуляционный насос для рабочей жидкости, приводимый в действие электродвигателем и управляемый электронным управляющим устройством на основе измерении основных параметров рабочей жидкости в системе отопления [Патент РФ №2377444, МПК F04D 15/00, F24D 19/10, 2009].

Недостатком известного циркуляционного насоса является невозможность его работы без подачи электроэнергии от постороннего источника, что уменьшает экономичесскую эффективность и надежность работы системы отопления в случае прекращения электроснабжения.

Более близким к предлагаемому изобретению является термоэлектрический тепловой насос для бытового отопления, содержащий нагреваемый проточный теплообменник, батарею термоэлектрических модулей (термоэлектрический блок), установленный между вводящими и отводящими теплоноситель трубами к батарее отопления на двухтрубной системе отопления, причем в обоих теплообменниках установлены перегородки, которые разбивают поток теплоносителя и равномерно распределяют его по всему объему теплообменников, при этом регулирование температуры батареи отопления осуществляется при помощи биметаллического реле, устанавливаемого непосредственно на батарее отопления [Патент РФ №2367855, F25B 30/00, F25B 21/02, 2009].

Основными недостатками известного термоэлектрического теплового насоса является сложность и громоздкость его конструкции из-за наличия двух теплообменников с арматурой, невозможность регулирования температуры батарей отопления без подачи электроэнергии от постороннего источника, что уменьшает эффективность и надежность работы системы отопления в случае прекращения электроснабжения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы автономного циркуляционного термоэлектронасоса для системы отопления.

Технический результат достигается циркуляционным термоэлектронасосом для системы отопления, содержащим подающий и циркуляционный трубопроводы, термоэлектрический блок, насаженный на подающий трубопровод, соединенный электропроводкой с инвертором, аккумулятором и электродвигателем насоса, устроенного в циркуляционном трубопроводе, причем термоэлектрический блок состоит из двух полуцилиндрических кожухов с продольными щелями, снабженных торцевыми кольцами, продольными фланцами с крепежными отверстиями, закрывающих участок подающего трубопровода, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров и наружной поверхностью участка трубопровода зазора шириной ∆, при этом в продольные щели полуцилиндрических кожухов вставлены продольные ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер, прижатых в зоне нагрева к поверхности участка и в зоне охлаждения, расположенных в окружающей среде, а именно, воздухе теплового пункта, свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного торца свободные концы зигзагообразных рядов этих же пар в ребрах соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции, вышеупомянутые конденсаторы каждого полуцилиндрического кожуха через свои перемычки последовательно соединены между собой, образуя термоэлектрический блок, крайние конденсаторы которого снабжены токовыводами с одноименными зарядами, соединенными электропроводкой с инвертором.

На фиг. 1 представлены схема компановки циркуляционного термоэлектронасоса для системы отопления (АЦТЭН), на фиг. 2, 3 – общий вид и разрез термоэлектрического блока (ТЭБ), на фиг. 4–6 – разрезы ТЭБ, на фиг. 7, 8 – узлы соединения термоэлектрических секций (ТЭС).

Предлагаемый циркуляционный термоэлектронасос для системы отопления (АЦТЭН) содержит подающий и циркуляционный трубопроводы 1 и 2, соответственно, термоэлектрический блок (ТЭБ) 3, насаженный на подающий трубопровод 1, соединенный электропроводкой с инвертором 4, аккумулятором 5 и электродвигателем (на фиг. 1-8 не показан) насоса 6, устроенного в циркуляционном трубопроводе 2, причем ТЭБ 3 состоит из двух полуцилиндрических кожухов 7 с продольными щелями 8, снабженных торцевыми кольцами 9, продольными фланцами 10 с крепежными отверстиями 11, закрывающих участок 12 подающего трубопровода 1, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров 7 и наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1 зазора 13 шириной ∆, причем в продольные щели 8 полуцилиндрических кожухов 7 вставлены продольные ребра 14, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды 15, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 16. Каждый ТЭП 16 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер 14, прижатых в зоне нагрева к поверхности участка 12 и в зоне охлаждения, расположенных в окружающей среде (воздухе теплового пункта), соответственно, свободные концы зигзагообразных рядов 15 каждой пары ребер 14 с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками 17, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного торца свободные концы зигзагообразных рядов 15 этих же пар в ребрах 14 соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы 18, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции (ТЭС) 19, причем конденсаторы 18 каждого полуцилиндрического кожуха 7 через перемычки 20 последовательно соединены между собой, образуя ТЭБ 3, крайние конденсаторы которого снабжены токовыводами с одноименными зарядами 21 и 22, соединенными электропроводкой с инвертором 4.

Предлагаемый АЦТЭН, представленный на фиг. 1–8, работает следующим образом.

АЦТЭН устанавливается в процессе монтажа или реконструкции системы отопления, для чего два полуцилиндра 7 накладываются на участок 12 подающего трубопровода 1 в помещении теплового пункта и крепятся к нему посредством стяжки через крепежные отверстия 11 таким образом, чтобы между внутренней поверхностью полуцилиндров 7 и наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1 оставался зазор шириной ∆ (ширина зазора ∆ выбирается из условия создания надежного контакта нижних кромок ребер 14 с наружной поверхностью участка 12 и устойчивости ребер 14). После монтажа полуцилиндров 7 в продольные щели 8 вставляются продольные ребра 14 таким образом, чтобы их нижние кромки соприкасались с наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1, а их наружные торцы соединяют перемычками 17, 20 и конденсаторами 18, после чего токовыводы 21, 22 соединяют электропроводкой через инвертор 4 с аккумулятором 5 и электродвигателем (на фиг.1–8 не показан) насоса 6.

При движении горячей воды в подающем трубопроводе 1 с температурой t_Г (например, t_Г=95⁰С) в помещении теплового пункта с температурой воздуха t_С (например, t_С=20⁰С) создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности трубопровода 1 t_П и температурой воздуха (t_П- t_С). В результате разности температур t_П– t_С происходит теплообмен между горячей водой, движущейся по трубопроводу 1 и окружающим воздухом, нагреваются и охлаждаются зоны нагрева и охлаждения продольных ребер 14, расположенные в зазоре между участком 12 и полуцилиндрическими кожухами 7, внутри которых помещены спаянные двухслойные расплющенные концы ТЭП 16, выполненные из металлов М1 и М2, расположенные параллельно поверхности участку 12 трубопровода 1. Конструкция двухслойных концов ТЭП 16 позволяет увеличить количество переходящего тепла за счет повышенной площади их контакта с зонами нагрева и охлаждения и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), Кроме того, процесс теплообмена от материала ребер 14 к спаям металлов М1 и М2 ТЭП 16 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводности, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше, чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И. Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–198]. В результате теплообменных процессов создается разность температур между спаянными двухслойными расплющенными, плотно прижатыми друг к другу, соединенными между собой концами ТЭП 16, выполненными из металлов М1 и М2, расположенными в кромках ребер 14 и противоположными им спаянными концами этих же отрезков металлов М1 и М2, расположенных в зигзагообразных рядах 15. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 16 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах ТЭС 15 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой пары зигзагообразных рядов 15, соединенных попарно между собой перемычками 17, образующих ТЭС 19, направляется в конденсаторы 18, соединенные с холодными свободными концами двух конечных ТЭП 16 каждой ТЭС 19, которые аккумулируют его. При этом все конденсаторы 18 соединены между собой последовательно через перемычки 20, поэтому термоэлектричество предыдущих ТЭС 19 не проходит через последующие ТЭС 19, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 18, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 16. Эффективная работа конденсаторов 18 обеспечивается также тем, что они постоянно охлаждаются в зоне охлаждения окружающим воздухом. Полученное электричество ТЭБ 3 через токовыводы 21, 22 поступает в инвертор 4, где создается требуемое напряжение и сила тока, и подается в аккумулятор 5 и электродвигатель (на фиг. 1–8 не показан) насоса 6.

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 21, 22 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 16 в ТЭС 19 и их числа в ТЭБ 3. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 3. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода горячей воды и величины разности температур (t_П– t_С) регулируют в инверторе 4. Полученное электричество используется для работы насоса 6 и, например, для автоматизации работы теплового пункта (на фиг. 1-8 не показан).

Таким образом, конструкция предлагаемого АЦТЭН обеспечивает возможность автономной работы системы отопления без подключения к электрической сети, а конструкция ТЭБ 3 (источник ЭДС) позволяет заменять вышедшие из строя ТЭП и ТЭС на действующей системе отопления и снизить его электрическое сопротивление, что повышает надежность и эффективность установки.