Результат интеллектуальной деятельности: Универсальный термогидравлический распределитель

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к централизованному теплоснабжению, и может быть использовано в водяных централизованных и децентрализованных системах теплоснабжения для подключения потребителей тепловой энергии к источнику теплоснабжения на котельной, либо в центральном тепловом пункте (ЦТП) или индивидуальном тепловом пункте (ИТП).

Известен гидравлический распределитель для систем отопления (патент DE №4407807, опубл. 14.09.1995, МПК F24D 12/02), содержащий корпус, патрубки для подключения подающего и обратного трубопровода потребителя и источника, подсоединенные к корпусу; трехсторонние направляющие пластины, расположенные в верхней и нижней частях внутри корпуса, при этом направляющие пластины образуют конус с закругленной вершиной; перфорированную пластину, расположенную в центре корпуса между подающей и обратными линиями.

Недостатком данного технического решения является узкая область применения из-за невозможности подключения тепловых потребителей большой тепловой мощности, что обусловлено возникающим значительным гидравлическим сопротивлением при подключении таких потребителей, которое невозможно снизить в рамках данной конструкции без значительного увеличения ее геометрических размеров, что неизбежно повлечет за собой повышение металлоемкости конструкции, техническую сложность изготовления, увеличение тепловых потерь с поверхности, повышение сложности монтажа и эксплуатации, а также невозможность установки в помещениях с ограниченным пространством.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термогидравлический распределитель для системы отопления (патент US №7509927, опубл. 31.03.2009, МПК F24D 3/08), содержащий корпус, патрубки для подключения подающего и обратного трубопроводов источника, подсоединенные к корпусу устройства, расположенные на некотором расстоянии друг от друга (по вертикали) с одной стороны корпуса и образующие контур источника; патрубки для подключения подающего и обратного трубопроводов потребителя, подсоединенные к корпусу, расположенные на некотором расстоянии друг от друга (по вертикали) с противоположной стороны корпуса и образующие контур потребителя; разделительный элемент, расположенный внутри корпуса между контурами источника и потребителя, и образующий верхний и нижний байпасы между контурами источника и потребителя вблизи верхней и нижней частей корпуса устройства.

Недостатком настоящего технического решения является узкая область применения из-за невозможности подключения тепловых потребителей большой тепловой мощности, что обусловлено появлением высокого гидравлического сопротивления по ходу теплоносителей в контурах источника и потребителя при подключении таких потребителей.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является значительное снижение гидравлического сопротивления контура источника термогидравлического распределителя без увеличения геометрических размеров конструкции устройства (диаметра и длины).

Технический результат заключается в расширении области применения термогидравлических распределителей, обусловленном возможностью подключения потребителей тепловой энергии с большими тепловыми нагрузками.

Это достигается тем, что известный термогидравлический распределитель, содержащий цилиндрический корпус с патрубком для подключения подающего трубопровода источника, патрубками для подключения подающих трубопроводов потребителей, патрубком для подключения обратного трубопровода источника, патрубками для подключения обратных трубопроводов потребителей, патрубком для удаления воздуха, патрубком для удаления шлама, снабжен насосом, частотно-регулируемым приводом, электронным контроллером, датчиком перепада давления, первым и вторым соединительными патрубками, при этом корпус выполнен в виде распределяющего коллектора и собирающего коллектора идентичных диаметров D1, распределяющий коллектор содержит патрубок для подключения подающего трубопровода источника и патрубки для подключения подающих трубопроводов потребителей, собирающий коллектор содержит патрубок для подключения обратного трубопровода источника и патрубки для подключения обратных трубопроводов потребителей, патрубок для удаления воздуха расположен на свободном торце распределяющего коллектора, на соединительном торце которого расположен первый соединительный патрубок, второй соединительный патрубок расположен на соединительном торце собирающего коллектора, на свободном торце которого расположен патрубок для удаления шлама, к первому соединительному патрубку подключен насос своей всасывающей стороной, напорная сторона насоса подключена ко второму соединительному патрубку, к насосу подсоединен частотно-регулируемый привод, соединенный с выходом электронного контроллера, вход которого подсоединен к выходу датчика перепада давления, первый вход которого соединен с патрубком для подключения подающего трубопровода источника, а второй вход соединен с патрубком для подключения обратного трубопровода источника, номинальный напор при нулевой подаче Н_n0 насоса и номинальное сопротивление проточной части S_n0 насоса выбраны из условия выполнения равенства и при этом нахождения величины разности пьезометрических отметок между патрубком для подключения подающего трубопровода источника и патрубком для подключения обратного трубопровода источника Δh₀ в диапазоне от 0 до 1,5 м вод.ст., где S_УТГР - номинальное гидравлическое сопротивление контура источника универсального термогидравлического распределителя на номинальном режиме, м⋅с²/кг²; G₀ - расход воды через насос на номинальном режиме, кг/с, при этом контур источника образован патрубком для подключения подающего трубопровода источника, распределяющим коллектором, первым соединительным патрубком, насосом, вторым соединительным патрубком, собирающим коллектором и патрубком для подключения обратного трубопровода источника.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема универсального термогидравлического распределителя, на фиг. 2 показана разность пьезометрических отметок для контура источника трубопровода по прототипу, на фиг. 3 показана разность пьезометрических отметок для контура источника согласно предлагаемому изобретению.

Универсальный термогидравлический распределитель содержит цилиндрический корпус 1, выполненный в виде распределяющего коллектора 2 и собирающего коллектора 3 идентичных диаметров D1. Распределяющий коллектор 2 содержит патрубок для подключения подающего трубопровода источника 4 диаметром D2 и патрубки для подключения подающих трубопроводов потребителей 5, при этом количество патрубков для подключения подающих трубопроводов потребителей 5 выбрано от 1 до n с соответствующими диаметрами d1…dn, где n - число подключаемых потребителей теплоты. Диаметры d1…dn выбраны исходя из значений соответствующей тепловой нагрузки конкретного потребителя. Собирающий коллектор 3 содержит патрубок для подключения обратного трубопровода источника 6 диаметром D2 и патрубки для подключения обратных трубопроводов потребителей 7, при этом диаметры D2 патрубка для подключения подающего трубопровода источника 4 и патрубка для подключения обратного трубопровода источника 6 идентичны, количество патрубков для подключения обратных трубопроводов потребителей 7 выбрано от 1 до n с соответствующими диаметрами d1…dn, где n - число подключаемых потребителей теплоты. Соответствующие диаметры d1…dn патрубков для подключения подающих 5 и обратных 7 трубопроводов потребителей идентичны.

На свободном торце распределяющего коллектора 2 расположен патрубок для удаления воздуха 8, на соединительном торце распределяющего коллектора 2 расположен первый соединительный патрубок 9. На свободном торце собирающего коллектора 3 расположен патрубок для удаления шлама 10. На соединительном торце собирающего коллектора 3 расположен второй соединительный патрубок 11. К первому соединительному патрубку 9 подключен насос 12 своей всасывающей стороной, напорная сторона насоса 12 подключена ко второму соединительному патрубку 11. К насосу 12 подсоединен частотно-регулируемый привод 13, соединенный с выходом электронного контроллера 14, вход которого подсоединен к выходу датчика перепада давления 15, первый вход которого соединен с патрубком для подключения подающего трубопровода источника 4, а второй вход соединен с патрубком для подключения обратного трубопровода источника 6. При этом патрубок для подключения подающего трубопровода источника 4, распределяющий коллектор 2, первый соединительный патрубок 9, насос 12, второй соединительный патрубок 11, собирающий коллектор 3 и патрубок для подключения обратного трубопровода источника 6 образуют контур источника.

Номинальный напор при нулевой подаче Н_n0 насоса 12 и номинальное сопротивление проточной части S_n0 насоса 12 выбраны из условия выполнения равенства (1) и при этом нахождения величины разности пьезометрических отметок между патрубком для подключения подающего трубопровода источника 4 и патрубком для подключения обратного трубопровода источника 6 Δh₀ в диапазоне от 0 до 1,5 м вод.ст.:

где S_УТГР - номинальное гидравлическое сопротивление контура источника универсального термогидравлического распределителя на номинальном режиме, м⋅с²/кг²; G₀ - расход воды через насос на номинальном режиме, кг/с.

Номинальный режим соответствует режиму отключения всех потребителей теплоты, т.е. когда весь расход теплоносителя проходит через контур источника.

Диаметр D1 распределяющего коллектора 2 и собирающего коллектора 3 цилиндрического корпуса 1 не превышает диаметр D2 патрубка для подключения подающего трубопровода источника 4 и патрубка для подключения обратного трубопровода источника 6.

Универсальный термогидравлический распределитель работает следующим образом.

Теплоноситель от источника через патрубок для подключения подающего трубопровода источника 4 поступает в распределяющий коллектор 2 корпуса 1, из которого распределяется между потребителями по патрубкам для подключения подающих трубопроводов потребителей 5. Оставшаяся часть теплоносителя через первый соединительный патрубок 9 забирается насосом 12 и через второй соединительный патрубок 11 подается в собирающий коллектор 3 корпуса 1. Теплоноситель, возвращающийся от потребителей по патрубкам для подключения обратных трубопроводов потребителей 7, также подается в собирающий коллектор 3. Через патрубок для подключения обратного трубопровода источника 6 весь расход теплоносителя, пришедший через патрубок для подключения подающего трубопровода источника 4, возвращается к источнику. Известно, что величина Δh₀, которая фактически является гидравлическим сопротивлением контура источника термогидравлического распределителя, должна лежать в диапазоне от 0 до 1,5 м вод.ст. Электронный контроллер 14 поддерживает данное значение Δh₀ в этом диапазоне при изменении режима работы потребителей теплоты. При этом датчик перепада давления 15 непрерывно измеряет разность давлений между патрубком для подключения подающего трубопровода источника 4 и патрубком для подключения обратного трубопровода источника 6, на основании значения которой электронный контроллер 14 вычисляет разность пьезометрических отметок между этими патрубками.

Известно, что номинальное сопротивление проточной части насоса 12 S_n0 является величиной постоянной при любом режиме работы насоса 12, а также при изменении частоты вращения рабочего колеса насоса 12, т.к. геометрия проточной части насоса 12 является неизменной. Таким образом, регулирование возможно производить только изменением значения Н_n0. Изменение значения Н_n0 при использовании частотно-регулируемого привода 13 происходит согласно уравнению (2):

где n - исходное (соответствующее номинальному режиму работы) число оборотов насоса 12, об/мин;

n₁ - новое число оборотов, об/мин;

Н_n0 - номинальный напор насоса 12 при нулевой подаче, м вод.ст.;

H_n01 - новый напор насоса 12 при его нулевой подаче, м вод.ст.

При изменении режима работы потребителей теплоты, приводящем к увеличению разности пьезометрических отметок относительно заданного значения, контроллер 14 направляет частотно-регулируемому приводу 13 сигнал на увеличение частоты вращения от n до n₁ рабочего колеса насоса 12 и, соответственно, уравнению (2) увеличению значения Н_n0 до величины H_n01 такой, чтобы выполнялось равенство (1).

При изменении режима работы потребителей теплоты, приводящем к снижению разности пьезометрических отметок относительно заданного значения, контроллер 14 направляет частотно-регулируемому приводу 13 сигнал на снижение частоты вращения от n до n₁ рабочего колеса насоса 12 и, соответственно, снижению (2) увеличению значения Н_n0 до величины Н_n01 такой, чтобы выполнялось равенство (1).

Периодический выпуск воздуха, скопившегося в распределяющем коллекторе 2, происходит с помощью патрубка для удаления воздуха 8. Через патрубок для удаления шлама 10 осуществляется периодический слив шлама, скопившегося в корпусе 1.

В устройстве по прототипу, при подключении потребителей большой тепловой мощности, существует достаточно большая разность пьезометрических отметок Δh_прот между патрубком для подключения подающего трубопровода источника и патрубком для подключения обратного трубопровода источника, фактически являющаяся гидравлическим сопротивлением контура источника прототипа (фиг. 2), которую возможно вычислить по уравнению (3):

где Δh_прот - разность пьезометрических отметок между патрубком для подключения подающего трубопровода источника и патрубком для подключения обратного трубопровода источника в прототипе, м вод.ст.;

S_прот - гидравлическое сопротивление контура источника прототипа, м⋅с²/кг²;

G - расход сетевой воды по этому контуру, кг/с.

При этом без значительного увеличения геометрических размеров устройства по прототипу величина Δh_прот значительно превысит 1,5 м вод.ст.

Благодаря наличию насоса 12, частотно-регулируемого привода 13, электронного контроллера 14 и датчика перепада давления 15 в конструкции предлагаемого изобретения компенсируются потери давления в контуре источника универсального термогидравлического распределителя и обеспечивается нахождение Δh₀ в диапазоне от 0 до 1,5 м вод.ст. (фиг. 3).

Из этого видно, что поставленная техническая задача решена в предлагаемом изобретении и достигнуто значительное снижение гидравлического сопротивления контура источника термогидравлического распределителя, при этом сохранены небольшие габаритные размеры устройства.

Использование изобретения позволяет расширить область применения термогидравлических распределителей, что обусловлено возможностью подключения потребителей тепловой энергии с большими тепловыми нагрузками, что практически нереализуемо в существующих конструкциях термогидравлических распределителей. Использование изобретения также позволяет обеспечить небольшие габариты термогидравлического распределителя, достигается значительное снижение гидравлического сопротивления контура источника предлагаемого термогидравлического распределителя, обеспечивается экономия денежных средств при замене дорогостоящих теплообменников на котельных, ЦТП и ИТП на предлагаемое устройство, т.к. предлагаемый термогидравлический распределитель обладает гораздо меньшей металлоемкостью и простотой изготовления.