CN106958847B - 真空蒸汽供暖系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空蒸汽供暖系统，属于热力工程领域，尤其是节能技术。用于住宅建筑物、公共建筑物和工业建筑物、温室和畜牧场等的自主供暖。为从热源高效率传递热流，真空蒸汽传热法采用了基于蒸汽热能摩尔高速传递的封闭蒸发‑冷凝循环，其中包括独立的凝结水回水子系统和真空处理与系统负压调节子系统，从而确保供热点既能布置在地下室方案中，又能布置在地面和屋顶方案中。通过(消除泄漏前的)良好密封程度和安全连续运行，可确保系统的可靠性。系统的有效系数为89％，载能体节约率为38％。

Description

真空蒸汽供暖系统
技术领域
本发明属于热力工程领域，尤其是节能技术。
背景技术
本发明的真空蒸汽供暖系统设有凝结水回水和系统负压调节并联子系统，适用于将热源的热流传递至用户，供住宅建筑物、公共建筑物和工业建筑物、温室和畜牧场等的自主供暖使用。
为高效率传递热流，所述真空蒸汽传热法采用了基于蒸汽热能摩尔高速传递的封闭蒸发-冷凝循环。
所述真空蒸汽传热法由包含蒸汽锅炉的系统实现；所述蒸汽锅炉设有载能体供给自动控制和联锁装置、锅炉水位与集汽箱蒸汽压力目视检查仪表和确保锅炉安全工作用安全阀。所述系统水平设置上配汽管道、设有通往凝结水收集箱和锅炉的机械泵送凝结水排放器的凝结水管道、向加热器分配管供汽的垂直分汽管道以及用于建立初始负压和通过泵工作自动控制改变系统真空度而确保载热体温度质量调节的真空水环泵。凭借热流从热源传递至用户时的最小能量消耗以及蒸汽消耗量的集中质量和数量调节，可实现本系统的高有效系数，并借助载能体供给自动控制和联锁装置及负压调节子系统可确保这个高有效系数。与类似的真空蒸汽供暖系统和低于大气压供暖系统相比，本供暖系统的特征在于具有凝结水至蒸汽锅炉回水子系统和提供不同负压(真空)度的基于所需温度的可控载热体(质量调节)，并借助炉膛燃烧装置载能体供给自动调节实现载热体消耗量的数量调节。本系统具有89％的有效高传热系数和高达38％的显著载能体节约率。本系统还通过以下方式来确保其能量效率：凝结水至蒸汽锅炉回水装置不消耗电能，而真空水环泵处于周期性工作状态。
通过设有机械泵送凝结水排放器(冷凝泵)的凝结水至锅炉回水独立子系统来确保本真空蒸汽供暖系统在运行期间的连续性和稳定性，而系统负压的维持与调节则通过采用了真空水环泵工作自动控制系统的真空处理子系统来实现。
已知的真空蒸汽系统包括设有集汽箱的锅炉、通过阀门与蒸汽管道连接的加热器、与凝结水管道连接的凝结水排放器以及抽真空装置(俄罗斯联邦专利No.2195608，F24D1/00，2002年12月27日)。该系统具有高金属耗用量和高密封性损失概率的特点。系统中没有考虑载能体消耗量调节和锅炉防爆安全性。
众所周知的装置还有真空蒸汽加热装置(原出版物参见如下网页：ngpedia.ru/id427980p1.html，“石油天然气大百科全书—真空蒸汽系统”)。该装置包括蒸汽锅炉、分配管线、供汽竖管、加热器、凝结水排出竖管、过滤器、真空泵和空气分离器。该系统的缺点是连续工作并消耗大量电能的真空泵通过空气分离器与蒸汽锅炉串联，气蚀发生概率高。因为该系统中泵在抽出空气的同时还要抽出蒸汽和热凝结水，空气分离器在向大气排气时，如果其内部有余压则不能有效将凝结水返回至蒸汽锅炉，而锅炉内绝对压力低于大气压时，则外界空气被吸入锅炉的概率较大。锅炉没有设置防爆安全系统。
最接近的类似装置是已知的真空蒸汽系统(原著作者П.Н.加米涅夫、А.Н.斯卡纳维、В.Н.博戈斯拉夫斯基，“采暖通风，第1部分”，莫斯科Стройиздат建筑出版社，1975年)，该装置构造图中包括蒸汽锅炉、带加热器的凝水管、凝结水排放器、凝结水箱、系统参数调节装置以及抽真空与凝结水抽送用水环泵。该系统的缺点是真空水环泵密封装置密封性损失概率高，不能利用膜式调压器对不同真空值进行调节，因为应用该调压器时，泵的开关只能针对一个规定真空度确定值，而对于其他真空度值则需要重新调整调压器。不定时停止真空水环泵时，锅炉凝结水的供给将会停止，因为泵和锅炉是串联的。泵在长期工作过程中会消耗大量电能。带有蒸汽锅炉的供热点只能被限制设在地下室，因为只有在相对于真空泵排出管线压头，蒸汽形成背压时凝结水才能返回锅炉。
发明内容
本发明目的在于提供一种有效使用载能体(天然气和电力等)的供暖系统，通过可靠和安全的廉价材料以及方便的安装条件，提供方便的维护与运行功能，从而确保蒸汽锅炉既能布置在地下室方案中，也能布置在地面和屋顶方案中。
本发明技术方案的实现在于借助真空蒸汽法进行热流传递，该方法的基础是热源到用户之间沿管道(蒸汽管道和凝结水管道)密封循环系统的具有高热流传递系数的热能超导性。采用真空蒸汽传热法能够通过降低室内供暖系统的热能传递消耗来降低能耗，例如在具有大静水压力的热水供暖系统中，可取消载热体供给提升泵。载热体(真空蒸汽)输送装置可使用廉价材料(低碳钢管、金属塑料管、普通管件和截止蒸汽阀等)。这都得益于在系统中引入了定期工作真空水环泵。所述真空水环泵设有基于系统状态和给定负压参数的自动控制系统，在系统启动时可最大程度排除温度不超过96℃的中间载热体(水和防冻剂)中的溶解空气。所述蒸汽锅炉中引入载能体供给自动调节装置可允许进行载热体(蒸汽)消耗量的集中数量调节，而载能体供给联锁系统和向锅炉充注严格计算定量的中间载热体又可以确保锅炉的防爆安全性。少量充注中间载热体还可以降低锅炉内中间载热体快速加热用载能体的消耗，从而在极大程度上节约水资源。在蒸汽锅炉中应用凝结水回水子系统既能将供热点布置地下室方案中，又能布置地面和屋顶方案中，因为机械泵送凝结水排放器可以根据锅炉所产生的工作蒸汽输出压力，产生16兆帕以下的回水压力。
请注意，压缩机储气罐中的压缩空气可以用作凝结水抽送的工作介质。泵送凝结水排放器将凝结水输送至较大高度的能力既能让供热点布置在地下室方案中，又能布置在地面和屋顶方案中。
附图说明
图1为设有凝结水至锅炉回水和系统真空处理并联子系统的真空蒸汽供暖系统示意图。
具体实施方式
所述真空蒸汽供暖系统由(见图1)如下子系统构成：蒸汽、凝结水至锅炉回水、蒸汽真空处理和质量调节、以及室内供暖子系统。
蒸汽子系统包括：蒸汽锅炉1，集汽箱2，炉膛3，旋塞阀4，锅炉补水阀5，软化水给水管阀6，蒸汽子系统排水阀7，锅炉水位指示器8，安全阀9，载能体供给中断时用燃料供给自动调节与联锁装置，以及目视检查子系统真空压力用真空压力表。
凝结水至锅炉回水子系统包括：机械泵送凝结水排放器(冷凝泵)10，设有构成浮子装置13的锅炉12内蒸汽供汽浮子阀的凝结水收集箱11，针型阀14和箱内凝结水水位指示器15，凝结水至锅炉供给管道16，止回阀17，放水阀18，锅炉内蒸汽供给管道19(用于凝结水至锅炉供给管道内背压平衡)，凝结水供给管道20，止回阀21，工作蒸汽至凝结水排放器供给管道22，放水阀23，废工作蒸汽排放管道24，中央凝结水管道25，集污器26，网式过滤器27和工作蒸汽供给阀28。
真空处理和质量调节子系统包括：真空水环泵29，设有止回阀31的空气分离器30，泵内水环形成用供水管道32，阀门33，系统内空气吸入管道34，止回阀35，随凝结水管道25内空气一起吸入的蒸汽凝结水混合液冷却器36，抽出空气和冷却凝结水供给管道37，阀门38，溢流水返回凝结水管道用供给管道39，止回阀40，电磁阀(常开)41，真空水环泵和电磁阀工作自动控制装置，电接触压力表，阀门42，泵启动用预充水阀门43以及系统负压减压阀门51。
室内供暖子系统包括：配汽管道44，“阀后”调压器45，蒸汽阀46，垂直分汽阀47，垂直凝结水管道48，耗汽量阀49以及加热器50。
请特别注意，为实现整个系统的合格密封水平，安装后应在99％空气、1％氦气和6千克/平方厘米注入压力的实验环境中，对每个子系统进行强制性泄漏试验。利用氦检漏器进行泄漏检查。
所述真空蒸汽供暖系统运行方式如下：将旋塞阀4置于“关闭”位置，将阀门6、7、18、23、33和51置于“关闭”位置，将阀门5、28、38、46和49置于“□开”位置。将装有软化水的校准罐软管与阀门43连接，并将阀门置于“□开”位置，预充水使水位达到空气分离器溢流管套管位置水平，然后将阀门置于“关闭”位置并断开软管。打开阀门6、5，向蒸汽锅炉充水，观察水位指示器8，使水位达到锅炉容水空间上水位，充水后将阀门置于“关闭”位置。
将校准罐软管与阀门18连接，将阀门18置于“打开”位置，预充水并观察水位指示器15，使水位达到浮子底部表面，充水后断开软管，并将阀门置于“关闭”位置。凝结水收集箱相对于锅炉的适当高度设置，以确保箱内充水位对应于蒸汽锅炉内的水位。
打开真空水环泵29和电磁阀41工作自动控制装置，将电接触压力表真空度指示器设置在压力值为Рв＝-0.7千克/平方厘米的压力状态，与绝对压力Р绝对＝0.3千克/平方厘米相对应。
以如下方式启动真空水环泵：将阀门33置于“□开”位置，向泵工作空间充水，然后再启动泵。启动泵时，电磁阀41将自动置于“关闭”位置，然后从系统中抽出的空气将通过止回阀31排向大气。当系统内达到预定真空度时，泵自动关闭，同时，阀门41置于“□开”位置，将溢流到空气分离器的凝结水回注至凝结水管道。
按如下顺序启动蒸汽锅炉：将旋塞阀4设在“□开”位置，装置自动使锅炉炉膛内的燃烧装置3进入工作状态，沸腾时形成的蒸汽在集汽箱内分离，干燥度达到х＝0.85，然后通过在试验台上调准的绝对压力设为Р绝对＝0.9千克/平方厘米的“阀后”调压器，沿配汽管道44进入室内供暖子系统，即进入加热器50，冷凝并将大部分蒸发潜热传递至加热器，然后再以高传热系数传递到室内。凝结水沿垂直凝结水管道流向中央凝结水排放器，再自流进入机械泵送凝结水排放器，排放器借助沿管道22进入的工作蒸汽将凝结水沿管道20输送至凝结水收集箱。随着箱内凝结水的充注，箱供汽装置内的浮子上升，使针型阀向箱内注入蒸汽，同时，箱内形成与管道16中相同的压力，止回阀17开启，凝结水在自身重力作用下流向锅炉。此时，浮子装置影响针型阀，使其隔断蒸汽通路，从而允许向箱内注入下一批凝结水。
请特别注意，在真空水环泵未工作时，泵工作时进入空气分离器30的冷却凝结水将通过止回阀40和常开电磁阀，沿管道39返回中央凝结水管道25，从而保证系统具有稳定的水量平衡，即确保蒸汽锅炉中的额定水位不变，不需要在系统工作时额外补水(不需要水除氧装置)。在系统绝对压力为Р绝对＝0.9千克/平方厘米时，蒸汽温度将为96℃，从而允许将蒸汽导入金属塑料管和聚乙烯管系统中，而不会对管道造成腐蚀。
不消耗电能的机械泵送凝结水排放器(冷凝泵)、不参与凝结水泵送的周期性工作的真空水环泵以及凝结水回水与真空处理子系统之间是分开的，从而提高了系统效率。
取决于工作气体(蒸汽或压缩空气)压力的冷凝泵将凝结水输送至较大高度的能力使锅炉既能设置在地下室方案中，也能设置在地面和屋顶方案中。同时，泵送凝结水排放器自身应设置在中央凝结水管道下方至少200毫米处。
所述供暖系统的特点在于，系统被分成彼此独立工作的凝结水回水子系统，其中采用了机械泵送凝结水排放器以及设有向凝结水收集箱供应平衡蒸汽用浮子阀的凝结水收集箱，并且，凝结水收集箱向锅炉少量循环供应热凝结水，这种供应方式不会破坏水沸腾过程的稳定性。泵送凝结水排放器强制将凝结水抬升至较大高度的能力允许将供热点布置在不同方案中。不同真空值使自动控制真空处理子系统可以在Рв＝0.1千克/平方厘米到Рв＝0.7千克/平方厘米足够宽的真空度范围内对系统温度实施质量调节，在该负压值范围内载热体温度差为96℃-68℃，符合卫生保健要求正常值。
在室内供暖子系统中采用了上部分配蒸汽及蒸汽与凝结水伴随运行的方案，可降低蒸汽高速运行所产生的噪音，同时，与传统热水供暖系统和大气蒸汽供暖系统相比，系统传热系数也大大提高。工业样品的热工分析显示，所述真空蒸汽供暖系统的有效系数为89％，而载能体节约率为38％。
所述供暖系统维护简单、运行安全可靠，可确保安全、不间断地供暖。

Claims (9)

1.一种以真空蒸汽法进行热流传递的真空蒸汽供暖系统,所述系统包括蒸汽锅炉(1)、上配汽管道（44）、垂直分汽管道(47)、垂直凝结水管道(48)、中央凝结水管道(25)、蒸汽子系统、凝结水至锅炉回水子系统、真空处理子系统、室内供暖子系统；其中，所述凝结水至锅炉回水子系统包括机械泵送凝结水排放器（10）、凝结水收集箱（11）；所述真空处理子系统包括真空水环泵（29）和系统负压减压阀门（51）；并且所述室内供暖子系统包括调压器（45）、加热器（50）和耗汽量阀（49）；其特征在于，所述系统的整个内腔为真空状态，且真空度可调，并且在应用真空水环泵和电磁阀工作自动控制装置时，所述真空水环泵可以在Рв＝0.1千克/平方厘米到Рв＝0.7千克/平方厘米的宽范围内连续调节真空度；在蒸汽锅炉中引入的燃料供给自动调节装置，以进行载热体消耗量的集中数量调节；所述蒸汽子系统包括：锅炉水位指示器（8）、安全阀（9）、载能体供给中断时用燃料供给自动调节与联锁装置、以及目视检查子系统真空压力用真空压力表，从而确保蒸汽锅炉的防爆安全；所述机械泵送凝结水排放器（10）用于将冷凝水供应到凝结水收集箱（11）；并且所述系统负压减压阀门（51）用于减少加热系统中的真空，
所述凝结水至锅炉回水子系统还包括：设有构成浮子装置（13）的锅炉（12）内蒸汽供汽浮子阀的凝结水收集箱（11）、针型阀（14）和箱内凝结水水位指示器（15）、凝结水至锅炉供给管道（16）、止回阀（17）、放水阀（18）、用于凝结水至锅炉供给管道内背压平衡的锅炉内蒸汽供给管道（19）、凝结水供给管道（20）、止回阀（21）、工作蒸汽至凝结水排放器供给管道（22）、放水阀（23）、废工作蒸汽排放管道（24）、中央凝结水管道（25）、集污器（26）、网式过滤器（27）和工作蒸汽供给阀（28）；
所述机械泵凝结水排放器（10）借助沿所述工作蒸汽至凝结水排放器供给 管道（22）进入的工作蒸汽将凝结水沿所述凝结水供给管道（20）输送至所述凝结水收集箱（11）。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电接触压力表真空度指示（PGS）,真空水环泵和电磁阀工作自动控制装置（AU）和系统负压减压阀门（51）安装在中央凝结水管道（25）的末端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空处理子系统还包括蒸汽凝结水混合液冷却器（36）。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凝结水收集箱（11）包括浮子装置（13）和针型阀（14）。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，带有止回阀（17）的凝结水至锅炉供给管道（16）和蒸汽供给管道（19）连接到所述凝结水收集箱（11）以及机械泵送凝结水排放器（10）通过带有止回阀（21）的凝结水供给管道（20）连接到凝结水收集箱（11）。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空水环泵（29）的空气吸入管道（34）在所述机械泵送凝结水排放器（10）之前连接到中央凝结水管道（25）。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凝结水收集箱（11）位于所述机械泵送凝结水排放器（10）的后面，且位于所述蒸汽锅炉（1）上方。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凝结水收集箱（11）设置在相对于锅炉的适当高度，以确保箱内充水位对应于蒸汽锅炉内的水位。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述蒸汽子系统包括：集汽箱（2）、炉膛（3）、旋塞阀（4）、锅炉补水阀（5）、软化水给水管阀（6）、蒸汽子系统排水阀（7）、锅炉水位指示器（8）、安全阀（9）、载能体供给中断时用燃料供给自动调节与联锁装置、以及目视检查子系统真空压力用真空压力表；
所述真空处理子系统包括：真空水环泵（29）、设有止回阀（31）的空气分离器（30）、泵内水环形成用供水管道（32）、阀门（33）、系统内空气吸入管道（34）、止回阀（35）、随凝结水管道（25）内空气一起吸入的蒸汽凝结水混合液冷却器（36）、抽出空气和冷却凝结水供给管道（37）、阀门（38）、溢流水返回凝结水管道用供给管道（39）、止回阀（40）、电磁阀（41）、真空水环泵和电磁阀工作自动控制装置、电接触压力表、阀门（42）、泵启动用预充水阀门（43）以及系统负压减压阀门（51）；和
所述室内供暖子系统包括：配汽管道（44）、“阀后”调压器（45）、蒸汽阀（46）、垂直分汽管道（47）、垂直凝结水管道（48）、耗汽量阀（49）以及加热器（50）。
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