ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2254520

СПОСОБ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ И СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ,
ЕГО РЕАЛИЗУЮЩАЯ

Имя изобретателя: Прангишвили И.В. (RU); Пащенко Ф.Ф. (RU); Круковский Л.Е. (RU); Пащенко А.Ф. (RU)
Имя патентообладателя: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Адрес для переписки: 117997, Москва, В-342, ГСП-7, ул.Профсоюзная, 65, ИПУ, патентный отдел
Дата начала действия патента: 2003.06.02

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к области отопительных систем, и может быть использовано в индивидуальном строительстве при отсутствии системы центрального отопления. Технический результат: снижение объемов и стоимости агрегатов, необходимых для обеспечения теплом зданий при широком диапазоне изменения температуры обогрева. Способ автономного отопления в замкнутой локальной системе с принудительной циркуляцией и нагревом теплоносителя, по которому нагрев и принудительную циркуляцию производят с помощью поршневой машины, разогревая теплоноситель в ее камерах до состояния пара с давлением, обеспечивающим поворот коленчатого вала, с помощью электрических импульсов, подаваемых по сигналам датчика положения коленчатого вала, с последующей подачей нагретого теплоносителя в смеситель и нагревательные приборы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к области отопительных систем, и может быть использовано в индивидуальном строительстве при отсутствии системы центрального отопления.

Известен способ автономного отопления, в котором теплоноситель нагревают с помощью отдельного нагревательного прибора, а подачу теплоносителя производят насосом, в качестве которого, как правило, используется поршневая машина (см., например, патент РФ №2121627, МПК F 24 D 3/08 "Замкнутая автономная система", опубл. 10.11.1998 г., БИ N 31).

Известный способ содержит два агрегата, а именно нагреватель и насос с приводным электродвигателем. Наличие двух агрегатов усложняет и удорожает систему.

Известен также способ автономного отопления, в котором нагрев производится нагревательным элементом, а подача теплоносителя осуществляется за счет циркуляционного напора. См., например, патент РФ №2066812, МПК F 24 D 3/00 "Система водяного отопления с естественной циркуляцией", опубл. 20.09.1996 г., БИ N 26).

Недостаток известного способа заключается в том, что напор в системе невелик, и поэтому его применение ограничено небольшими помещениями. Кроме того, способ не позволяет регулировать температуру нагрева в широком диапазоне.

Более близким и принятым за прототип является способ автономного отопления, в котором нагрев и подача теплоносителя производится с помощью электрического нагревателя, а принудительная циркуляция обеспечивается по законам конвекции, причем процесс регулируется в зависимости от температуры теплоносителя. См., например, патент РФ №2133918, МПК F 24 D 3/08, 13/04 "Устройство для отопления помещений", опубл. 27.09.1999 г., БИ N 21.)

Недостаток известного способа состоит в том, что в нем напор теплоносителя невелик и, следовательно, этот способ, также как и предыдущий, может быть применен лишь для небольших помещений.

Целью данного изобретения является совмещение в одной поршневой машине двух операций - нагревания теплоносителя и нагнетания его в систему отопления при снабжении теплом зданий различных размеров и этажностей. При этом достигается снижение объемов и стоимости агрегатов, необходимых для обеспечения теплом, при широком диапазоне изменения температуры обогрева.

Для достижения указанного результата в известном способе автономного отопления в замкнутой локальной системе с принудительной циркуляцией и нагревом теплоносителя согласно изобретению нагрев и принудительную циркуляцию производят с помощью поршневой машины путем воздействия электрическими импульсами на теплоноситель, поступающий в ее камеры.

В варианте технического решения температура теплоносителя регулируется путем циклического смешивания охлажденного и горячего теплоносителей по сигналам датчика температуры.

В известной системе автономного отопления, содержащей обратную магистраль холодного и магистраль нагретого теплоносителя, нагреватель, насос и устройство управления с датчиком температуры, согласно изобретению в качестве нагревателя и насоса использована поршневая машина, содержащая камеры, впускные и выпускные клапаны, коленчатый вал, камеры которой снабжены нагревательными элементами, подключенными к системе подачи электрических импульсов.

В варианте технического решения в системе автономного отопления в качестве нагревательных элементов применены электроды.

В варианте технического решения в системе автономного отопления впускной и выпускной клапаны поршневой машины электрически подключены к системе управления, на вход которой подключены датчик температуры теплоносителя и датчик положения коленвала.

Процесс автономного отопления в замкнутой локальной системе с принудительной циркуляцией и нагревом теплоносителя, в котором нагрев и принудительную циркуляцию производят с помощью поршневой машины, путем воздействия электрическими импульсами на теплоноситель, поступающий в ее камеры, позволяет с помощью одного агрегата обеспечить нагрев и подачу теплоносителя с высоким напором и, тем самым, осуществить нагрев зданий повышенной этажности.

Регулирование температуры теплоносителя за счет циклического смешивания охлажденного и горячего теплоносителей по сигналам датчика температуры позволяет регулировать нагрев в широком диапазоне температур.

Система автономного отопления, содержащая обратную магистраль холодного и магистраль нагретого теплоносителя, нагреватель, насос и устройство управления с датчиком температуры, в которой в качестве нагревателя и насоса использована поршневая машина, содержащая камеры, впускные и выпускные клапаны, коленчатый вал, камеры которой снабжены нагревательными элементами, подключенными к системе подачи электрических импульсов, позволяет использовать один агрегат и для нагрева, и для подачи теплоносителя и, тем самым, снизить стоимость и габаритные размеры системы.

СПОСОБ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ И СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩАЯ

Использование в качестве нагревательных элементов электродов расширяет диапазон возможных применений данного изобретения.

Электрическое подключение впускных и выпускных клапанов поршневой машины к системе управления, на вход которой подключены датчик температуры теплоносителя и датчик положения коленвала, упрощает процесс регулирования температуры теплоносителя. Заявленное изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2. На фиг.1 представлена структурная схема автономного отопления. На фиг.2 дана принципиальная схема управления режимом нагрева.

Система автономного отопления содержит поршневую машину, состоящую из цилиндров 1, 2, 3 и 4 (фиг.1). В цилиндрах расположены поршни, соответственно 5, 6, 7, 8. Поршни, в свою очередь, с помощью шатунов 9, 10, 11 и 12 шарнирно сочленены с общим коленвалом 13, Коленвал снабжен распределителем с датчиком положения вала 14. Каждый цилиндр 1-4 разделен поршнем на две камеры соответственно 1', 1"; 2', 2", 3', 3", 4', 4". Верхние цилиндры 1', 2', 3', 4' снабжены парами электроуправляемых клапанов соответственно 15 и 16 для 4':17, 18 для 3':19, 20 для 2' и 21, 22 для 1'. Клапаны 15, 17, 19 и 21 соединяют камеры со смесителем 23. Клапаны 16, 18, 20 и 22 соединяют камеры через нагнетательный трубопровод 24 с приемным баком 25. В свою очередь, смеситель 23 соединен через магистраль нагретого теплоносителя 26 с нагревательными приборами 27. Последние соединены с расширителем 28. Расширитель через обратную магистраль холодного теплоносителя 29 связан с приемным баком 25. Смеситель 23 имеет датчик температуры 30. Каждая из камер 4', 3', 2', 1' имеет пары электродов, соответственно 31, 32, 33 и 34. Между электродами установлены нагревательные нити (на фиг. не показаны).

В варианте технического решения между электродами имеется промежуток, омываемый теплоносителем.

Система управления содержит блок электропитания и управления 35 (фиг.2), на вход которого включены датчик положения коленвала 14, датчик температуры 30, задатчик режима работы 36 и регулятор температуры 37. Блок электропитания и управления 35 содержит микропроцессорную систему и силовой блок (на фиг. не показаны). От блока управления отходят выводы на питание клапанов 15-22 и выводы для питания пар электродов 31-34.

 

Система автономного отопления может работать в четырехтактном и двухтактном режимах. В четырехтактном режиме, когда требуется относительно высокая температура нагрева теплоносителя, задатчик режима работы 36 устанавливается в соответствующее положение. Предполагается, все камеры цилиндров 1'-4' заполнены теплоносителем. По сигналам от датчика положения вала 14 от блока электропитания и управления 35 подается импульс напряжения на электроды той камеры, в которой поршень находится в верхнем положении. Допустим, что это цилиндр 4, камера 4', пара электродов 31. По сигналам того же датчика подается питание на клапаны 17, 18, 19, 20, 21 и 22, что означает, что эти клапаны открыты. Клапаны 15 и 16 питание не получают, и, следовательно, они закрыты. При этом за счет нагрева нагревательной нити, имеющейся между электродами, происходит быстрый нагрев теплоносителя с образованием пара. Давление в камере 4' возрастает, поршень 8 начинает двигаться влево (активное движение), заставляя через шатун 12 вращаться вал 13. Так осуществляется рабочий цикл машины. Через соответствующие шатуны поршни остальных цилиндров будут перемещаться. Поршень 7 будет двигаться влево, выталкивая из камеры 3' излишки теплоносителя в нагнетательный трубопровод 24. Поршень 6 будет двигаться вправо, затягивая теплоноситель в камеру 2'. Поршень 5 цилиндра 1 будет выталкивать теплоноситель из камеры 1' в трубопровод 24. Когда поршень 8, двигаясь вправо, достигнет некоторого положения, от датчика положения вала 14 поступит сигнал на открытие клапана 15 и закрытие клапанов 17 и 18. Импульс напряжения поступит на пару электродов 32. В этот момент поршень 7 цилиндра 3 будет находиться в левом положении. Повторится процесс, аналогичный описанному ранее для цилиндра 3. При этом за счет полученной энергии и вращения коленвала 13 поршень 8 цилиндра 4 будет перемещаться влево, выталкивая нагретый теплоноситель в смеситель 23. Затем после достижения поршнем 7 правого положения откроется клапан 17. Процесс повторится. При каждом активном ходе одного из поршней (подан импульс напряжения) будет происходить выталкивание нагретого теплоносителя в смеситель 23 из одного из смежных цилиндров. В смесителе поступивший пар будет конденсироваться в горячую жидкость. При этом поршневая машина выполняет функции и нагревателя, и насоса. Горячий теплоноситель из смесителя 23 поступает в нагревательные приборы 27 через магистраль нагретого теплоносителя 26 и далее по обратной магистрали холодного теплоносителя 29 поступает в приемный бак 25.

Если температура в смесителе превысила установленный уровень, регистрируемый датчиком температуры 30, то режим работы клапанов изменяется. Например, после того, как активная часть хода поршня 8 в цилиндре 4 завершилась и началась активная фаза работы цилиндра 3, при движении поршня 8 вправо будет открываться клапан 16, а при движении поршня влево будет открываться клапан 15, перекачивая часть холодной воды из приемного бака 25 в смеситель 23. Аналогично будут действовать и остальные клапаны. Таким образом, в смеситель 23, помимо горячего теплоносителя из отработавшей камеры, будет поступать и холодный теплоноситель из приемного бака 25. Суммарная температура теплоносителя будет меньше, чем в предыдущем режиме.

Температура в нагревательных элементах устанавливается задатчиком температуры 36 и контролируется регулятором температуры 37. Регулятор температуры обеспечивает частоту следования импульсов и скорость вращения вала 13.

В системе автономного отопления предусмотрен и двухтактный режим работы, когда включаются в активный цикл два цилиндра, поршни которых достигли верхнего положения. Работа клапанов будет изменена в соответствии с этим режимом. При этом задача клапанов обеспечить забор холодного теплоносителя из приемного бака 25 и подачу нагретого теплоносителя в смеситель 23. В каждом цикле будет происходить забор холодного теплоносителя при движении поршня из левой мертвой точки вправо, затем на определенном положении поршня подают импульсы на соответствующие электроды и происходит активное движение поршня. После достижения нижней мертвой точки откроется клапан, соединяющий камеру со смесителем и выталкивание горячей пароводяной смеси в смеситель с преобразованием смеси в горячую жидкость. Далее процесс повторяется. Температура теплоносителя в этом случае будет максимальной. Этот режим также устанавливается задатчиком режима работы 36 и контролируется регулятором 37.

Система электропитания может быть выполнен по принципу схем подачи импульсов зажигания двигателя внутреннего сгорания.

В варианте технического решения нагревательные нити могут отсутствовать, а нагревание теплоносителя и движение поршней в цилиндрах будет происходить за счет высоковольтных разрядов.

На всех режимах температура в нагревательных элементах 27 устанавливается задатчиком температуры 37 и поддерживается в результате сравнения положения задатчика и показаний датчика температуры 30. Если расхождение между датчиком и задатчиком не совпадает, то микропроцессорная система в блоке электропитания и управления 35 изменяет время работы нагревателей между электродами 31-34 или число импульсов между ними. Изменяется также, по определенному алгоритму, и время подачи напряжения на электроды.

При этом увеличивается или уменьшается приток энергии к теплоносителю и частота вращения вала, т.е. производительность системы.

Достоинство предложенного технического решения заключается в том, что одна и та же хорошо известная поршневая машина является и нагнетателем, и нагревателем теплоносителя, что существенно упростит систему и позволит снизить стоимость и издержки на эксплуатацию. Предложенная автономная система отопления может быть использована в зданиях повышенной этажности. Силовой блок занимает небольшое помещение и не требует специальной наладки оборудования.

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАБОТЕ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ОТОПЛЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ

Согласно нормативным документам Мосэнерго средний расход энергии при поддержании нормальной температуры в помещении составляет 7 Вт·час/м3 .

Расход энергии для обогрева помещения объемом 10000 м 3 (площадь 4000 м2 при высоте потолков 2,5 м) будет составлять 70000 Вт·час.

Предположим, что машина работает со скоростью вращения 100 об/мин. Тогда на один оборот вала необходимая энергия должна составлять 70000/60·100=11,7 Вт/об.

Пусть используется цилиндрическая поршневая машина с 4 цилиндрами, диаметр поршней в которой равен 70 мм. При нахождении поршня в верхней мертвой точке расстояние между поверхностью цилиндра и головкой блока цилиндров внутри цилиндра равен 3 мм. Объем воды в этом пространстве будет равен 11 см3.

Для нагрева 11 см3 воды, преобразования ее в пар и создания толкающей силы потребуется работа в 20000 Дж.

Как показывают экспериментальные исследования, проводимые в ИПУ, в действительности из-за того, что энергия в данный объем поступает импульсно, вскипание воды с образованием пара и созданием силы, необходимой для движения поршня и, соответственно, вала машины, происходит непосредственно в области электродов или нити накаливания и охватывает не более 1/4 объема. Поэтому следует принять потребную величину работы, равной 5000 Дж.

Время работы импульса составляет 1/8 оборота вала машины.

Угловая частота вращения при 100 об/мин равна 1,7 об/сек.

Время прохождения импульса равно 0,2 сек.

Энергия, потребляемая машиной, составит 5000/0,2=25000 Вт.

При напряжении 380 В ток будет равняться 66 А.

Удельное сопротивление вольфрамовой нити накаливания при 1000°С:

=0,0508(1+0,00148·1000)=0,126 мкмОм·м.

Длина закрученной в спираль проволоки будет равна 5·007=0,35 м.

Сопротивление нити равно R=380/66=5,75 Ом.

Сечение нити S=·1/R=0,35=0,008 мм.

Диаметр нити 0,1 мм.

Площадь поверхности нити равна 0,035 м2.

В действительности энергия импульса будет выше, поскольку в момент подачи импульса температура нити будет равна температуре воды, а ее сопротивление будет соответственно в 2,4 раза меньше. Время импульса можно сократить.

Как рассчитывалось выше, энергия, необходимая для нагрева помещения общим объемом 10000 м3, равняется 11,6 Вт/об.

Последующий расчет показал, что за один оборот машина выделяет 25000 Вт.

Следовательно, либо машина будет работать в повторно-кратковременном режиме, обеспечивая быстрым разогревом нагревательные элементы тепловой системы, что, кстати, и является одним из преимуществ предлагаемого способа, либо машина имеет большой запас по мощности, в 215500 раз (скорость вращения 1000 об/мин) превышающий расчетный, и может быть использована для обогрева помещений.

Если в качестве нагревательных элементов применены электроды, а напряжения на них в импульсе будут составлять 100000 В, то ток при этом будет равняться 0,25 А или менее.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ автономного отопления в замкнутой локальной системе с принудительной циркуляцией и нагревом теплоносителя, отличающийся тем, что нагрев и принудительную циркуляцию производят с помощью поршневой машины, разогревая теплоноситель в ее камерах до состояния пара с давлением, обеспечивающим поворот коленчатого вала, с помощью электрических импульсов, подаваемых по сигналам датчика положения коленчатого вала, с последующей подачей нагретого теплоносителя в смеситель и нагревательные приборы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру теплоносителя регулируют путем циклического смешивания охлажденного и горячего теплоносителей в смесителе по сигналам датчика температуры.

3. Система автономного отопления, содержащая обратную магистраль холодного и магистраль нагретого теплоносителя, нагреватель, насос и устройство управления с датчиком температуры, отличающаяся тем, что в качестве нагревателя и насоса использована поршневая машина, содержащая камеры, коленчатый вал, впускные и выпускные клапаны, камеры которой снабжены нагревательными элементами, подключенными к системе подачи электрических импульсов.

4. Система автономного отопления по п.3, отличающаяся тем, что в качестве нагревательных элементов применены электроды, разделенные промежутком.

5. Система автономного отопления по п.3 или 4, отличающаяся тем, что впускной и выпускной клапаны поршневой машины электрически соединены системой управления, на вход которой подключены датчик температуры теплоносителя и датчик положения коленвала.

Версия для печати
Дата публикации 01.01.2007гг


вверх