CN1079814A - 闭路常压自然循环介质供热方法及其设备 - Google Patents

Abstract

闭路常压自然循环介质供热的方法及其设备属 生活采暖技术，是在公知供热介质吸热终了时使之呈 饱和汽化状态，在位于循环最高位置的散热器介质主 供给管道(1)终端，介质被全部冷凝为高温液态，辅以 常压开启的单向控制阀(36)。本供热系统由液汽相 重力差作为循环动力，介质循环速度显著加快，供热 强度和效率极大提高，可实现高层和家庭四季供热， 介质循环呈有限封闭状态，减少介质散溢蒸发。设备 结构巧妙合理，制造运行皆很简便、节省能耗。

Description

本发明属生活采暖技术，主要涉及自然循环锅炉供热系统。

循环速度是影响介质供热的主要因素，机械强制循环可以提高循环速度，但同时需增加设备与能耗，提高出口压力亦可提高循环速度，但对锅炉系统的设计制造和运行则会提出较高要求;靠介质水密度差实现的自然循环，简易可行，但其供热强度又难于满足需要。

本发明的目的是提出适宜小区自然循环、高供热强度、介质受热出口端压力不超出大气压力的供热方法和所用设备。

本发明目的中的方法部分是这样实现的：本发明方法包括由热源加热传热介质、携带热量的介质在循环系统中向待受热部位传送热量、以循环内不同部位介质密度的差异作介质循环的动力，辅以相应运行，监测方法。其中，介质循环热量输入端与热源间的热传递过程，应以全部介质饱和汽化为终点;在位于介质循环系统最高位置、散热端的介质主供给管路终端，控制管内压力不超出大气压，并在此条件下充分液化主供给管在该处所提供的汽化介质。这样，主供给管的汽体液化可保证循环散热端介质由液态实现热量输出，介质受热端出口为气相，入口为液相，介质密度差异悬殊，提供了较强的循环动力;由于受热端出口至主供给管终端介质主要为汽化状态，仅有部分在输送过程中被液化，故在循环最高位置上限的压力控制，可以保证受热端出口处于不大于常压的状态。如此方案可以实现本发明目的的方法部分。

本发明目的中的设备部分是由下述内容实现的，该设备包括热源，容纳传热介质，接受热源热量的受热端，位于介质循环中最高位置、与受热端出口和散热支供给管相联的主供给管，向散热器提供传热介质的支供给管与支供给管相联的散热器，联接散热器和受热端入口的回流管路，控制、监测、指示介质循环工作状态的部件，及各部联接紧固附件。其中，热源的供热量、受热端的热传递能力及介质流量，应保证热传递过程终了时介质全部以饱和汽化状态输出;在主供给管路终端，设有汽液分离、汽体介质冷凝器和管路上限压力为大气压的压力控制部件;分离器和冷凝器的参数按全部液化主供给管路在该处所提供饱和汽化介质的充分需要决定。这样，本设备可以保证：介质受热后全部形成饱和蒸汽，受热端出口饱和汽化介质的压力可以控制在不高于大气压的状态，散热器中的介质全部为液相，其与受热端出口处介质的密度差形成本循环较强的循环动力。从而成为本发明方法得以实现的设备方案。

本发明介质受热端分为三个部分，其予热端位于下部、加热段位于上部、在中部内侧为汽化发生段，三部分依次联通。本发明汽液分离器下部与主供给管路终端相联，底部与支供给管路相通，上端经导孔与冷凝器底部相联;冷凝器带有散热片，器体分为上下两个部分，由隔板和在板上安设带有浮子的单向阀相互隔离，冷凝器上部设有阻尼罩，并经与器体内腔相联的导管与大气相通;在冷凝器与分离器间还有回流管相联，该管上端略高出冷凝器底部，该管下端位于分离器的下部。这样上下布置三段相联的受热端，除中部接受热源高温区的加热外，位于其上下的加热段与予热段，则可有效地利用热源其余部分的热量。分离器的不同出口可使包括输送中部分液化介质在内的液汽两态介质分别输出。冷凝器则可使汽态介质经散热而液化，其中的隔板单向出汽阀可维持冷凝室内汽体的单向流动，并允许上半部的液态介质浮起浮子后回流到下半部;当循环介质的压力升高时，单向阀可允许超过常压的汽体逸出，从而维持循环中不大于大气压的状态。当循环内压力降低时，则冷凝器隔板上的单向阀将循环系统与大气隔离，这时循环系统封闭。当温度继续下降时，循环系统内压力将进一步降低至大气压以下，单向阀则在大气压力下可靠地维持这一状态。这时在受热端的介质将因循环系统内的负压而降低沸点，弥补因热传递减弱使汽化量下降的影响，从而有利于维持循环内汽液两相的密度差，维持循环的速度，即通过单向阀维持循环的负压循环状态，提高在此条件下循环介质的热传递能力。只要冷凝器的能力有足够保证，其输出全部为液态介质，上述过程便可以维持。上述有限条件封闭的工作过程中，可以控制介质的蒸发散逸损失，使绝大部分介质能长期循环使用，所需补充甚微。

本发明为增强受热端的热交换能力，在其加热段部分还包括制成锥顶相对的锥环通道，通道内侧设有沿环锥母线、凸出该通道内腔表面，增强热交换能力的翼片，同时在该通道上还制有横穿通道的热源排气通道。这样，本发明加热段将有更强的热交换能力。

本发明利用液汽分离、冷凝液化、和单向阀结构，与受热端出口介质的饱和汽化状态相结合，基本维持了循环系统内不大于大气压的工作状态，降低了对主供给管路的布置要求;循环输出端的液态介质在完成热量输出的同时，又提供了较大的介质循环动力和速度，在不附加高层供给介质能耗的条件下，可明显增加系统的供热强度，实现高层自然循环供暖，这是本发明区别现有常压供热系统最突出特点;有限（≤常压）条件的闭路循环，既最大限度防止了介质运行中的散失，又减少了因添加新介质而带来的问题，又使系统能维持较高传热效率。这在本发明的样机试用中均已得到验证，其设备制作运行维护均很简便。

附图给出本发明实施例图示。

图1为四季连续供热系统结构示图;

图2为可兼作炊灶的加热炉结构示图;

图3为分离器，变换器和浮子阀组件结构图。

图4为带有强化加热器的锅炉结构图示;

其中：1蒸汽管    2、散热片    3、热水管    4、空气阻断管    5、溢流管    6、变换器    7、分相器    8、回水管    9、蒸汽式换热锅炉    10、给水管    11、开水器    12、烟道    13、蒸汽发生器上环管    14、火口    15、导热翼片    16、加热器环室    17、炉体    18、操作杆    19、燃烧室    20、煤气助燃管    21、炉膛    22、灰渣池    23、活动炉箅    24、予热环管    25、予热器管    26、蒸汽发生器下环管    27、蒸汽发生管    28、加热器管    29、阻尼罩30、隔板    31、导向架    32、散热翼片    33、变换室    34、上流管    35、回流管    36、自控浮球阀    37、冷凝回收室    38、阻尼孔    39、通气管    40、烟道    41、热水器    42、锥环强化加热器43、导热翼板    44、吹灰通道    45、加煤口    46、烟道    47、烟气环形加热腔    48、进出水三通阀    49、温控阀    50、手动泵    51、循环水管    52、热水箱    53、循环水管

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

第一实施例为适于家庭供热的四季供热系统。除维持冬季居室采暖、日常开水、洗浴用水外，还可兼作炊用热源，锅炉与待供热端高度差基本不受限制。样机装于山西晋城地区，该处冬季室外最低温度为零下10-20℃。样机生火后可使无特殊密封设施的普通民宅冬季室温达18-22℃，除连续供暖外，每日还可提供30kg开水、500kg洗浴用温水，并兼作家用炊灶，日耗煤不超过20-26kg，采暖面积为70m²居室。

本例锅炉炉膛21的炉壁内侧下部装有进水予热环管24，环管24向上与在炉壁内侧均布的予热器管25相联，管25向上经燃烧室壁内侧，与位于燃烧室19上方的加热器环室16相通，自环室出口沿炉壁向下经加热器管28，与位于燃烧室19下部的环状蒸汽发生器下环管26相联，管26出口向上沿炉壁经蒸汽发生管27、与位于燃烧室上方的蒸汽发生器上环管13相联，上环管13的出口与蒸气管1相联。在蒸汽发生器上下环管腔内表面，皆制有增加传热交换面的翼片15。此外该炉还设有煤气助燃通道20，自炉壁内将炉底灰池22与燃烧室19的上部联通，并设有通道流量调节阀。在炉下部设有活动炉箅23，及与之相联的操作杆18。在炉的烟道12出口处周围设有开水器11。其余还有锅炉的给水管10给水泵50及控制阀等，在加热器环室16上方设有火口14。以上为本例锅炉的主要结构。

蒸汽管1向上升至采暖居室最高层，依居室布置以各分支热水管3与各散热器2相联，底层散热器出口以回水管8与炉膛下部的予热环管24进口相联，形成循环通路。在蒸汽管1最高段终端，设有筒状汽液分相器7，蒸汽管1与分相器下部相联，分相器7底部设有出口与一路热水管3相联。分相器7顶部经上流管34向上与上方的变换器6底部相联;在变换器与分相器之间还联有回流管35，管35上端略高出变换器6的底部，管35的下端设在分相器7的下部。

变换器6为外侧带有散热翼片32的筒体，腔内中部设有密封隔板30，将筒腔分成回收冷凝室37和变换室33上下两个部分。在隔板30中部设上部带有浮子的单向阀36，及下部阀杆的导向架31。在回收室37上部设有漏斗状阻尼罩29，罩壁上制有阻尼孔38。回收室37顶部设一三通管，经上下两个通道4、5与大气相通。

在锅炉9烟道12处还设有开水器11。

蒸汽管1还设有旁通的支路，经阀控制与热水箱52内的散热片相联，箱内在串联的散热片之间，接有略高于散热片的分相器7，亦经其上流管34由上部伸出箱体52，接于控制阀后的蒸汽管1，经上述采暖系统的分相器与其变换器6相联。热水箱52底部有循环管51分别与开水器11的上下部相联，在下部管路中设有温控制阀49。在热水箱上部亦接有进出水管路53，其进水管上同样接有温控阀49。至此为本例的主要结构。

工作时，循环系统充水循环用水，随炉温上升循环水开始对流，并逐渐加速，受热膨胀多余的循环水和气体可经分相器7、变换器6，分别由溢流管5和空气阻断管4排出。管4的作用是防止管5的虹吸现象。待蒸汽发生器上环管13出口输出蒸汽后，蒸汽管1内的汽体逐渐增多、液体因无补充而渐渐随循环排走，这时，循环中的密度差便随之显著加大，循环速度逐渐增加。当蒸汽管1中原有水全部排走后，循环速度达到工作值。此后蒸汽管1中的蒸汽在输送中会因散热而有部分被液化，进入各相联的热水管3内，供各散热片2工作。在分相器7内由蒸汽管1输送来的水汽混合流体被分离。水由所联热水管3和蒸汽管1及其所联热水管3分送各散热片2。汽体向上经上流管进入变换器6的变换室33，被筒体及散热翼片32冷却成水，由回流管35复回到分相室下部，再到各热水管3;未及冷却的汽体聚集到足以克服大气压和浮子阀36自重及摩擦阻力后，便可开启该阀，进入冷凝回收室37，在该室内汽体经进一步冷却，及阻尼罩29的作用，即可全部液化，经已开启的阀间通道复回变换室。若仍有未及冷却液化的汽体，可经阻尼罩29的各孔38，由管4逸出。当变换室32内压力降低至大气压力时，浮子阀36则靠自重立即截断其与隔板30间所形成的通道。此时两室内的汽体皆会因进一步冷却而被液化，回收室内聚积的冷凝水增至足以浮起浮子阀36时，便可由浮起后的通道复回变换室33，排完后阀自动下落关闭。如此反复工作。并保证蒸汽管1中的压力不超过大气压（附浮子阀36自重与开启摩擦阻力），亦使本例锅炉工作压力在此限内。

当锅炉9的热量减小，蒸汽管1内的压力下降、循环水温亦随之降低，循环内水汽的总容积相应减小，但此时变换器中的浮子阀36因有大气压力和循环内的负压而增加了密封的压力，循环系统成负压封闭回路;同样由于循环内的负压，蒸汽发生器中的汽化现象将会易于发生。而分相器7由于设计保证有足够的冷却强度，亦足以使全部汽体液化。即系统便在此特定条件下，仍能产生如正常工作的循环动力，循环便能如正常工作状态那样进行，散热片2处的供热仍可维持。本例的供热主要过程即如上述，由系统自动调节，有限封闭，动态进行。且有限封闭可以基本避免开放系统的介质散失及其影响。

所设蒸汽管1的支路，是为提供本例的又一用途，所接散热片2、分相器7工作过程同前。只是为利用蒸汽管提供的蒸汽热量，亦为增强对所接分相器前蒸汽的冷却能力，在该分相器前接有部分散热片2。该分相器经其上流管34、前述蒸汽管1、分相器7及其上流管34，与前述变换器6相联的通道，完成了该分相器以后的工作过程。所设热水箱52中的蓄水，吸收置于箱内散热片2、分相器7所提供的热量，并经两个热控阀49，在规定条件下改变箱内循环热水对流的范围，以更充分积蓄循环的热量，提供充足的生活用热水。设在蒸汽管1上的控制阀可按需要接通不同散热端2工作。置于烟道出口的开水器11可利用烟道的余热，提供开水。手动泵50可将新的循环用水充入锅炉的循环或开水、热水的循环之内。以上是本例主要工作过程的描述。此外锅炉火口处还可提供炊用热量。

本例可以长年运转，不用熄火，作为民用生活供热的系统，由活动炉箅23、操作杆18控制锅炉出灰量，从而按负荷情况调节加煤燃烧量和强度，使系统正常运转。

由上述情况可知，只要锅炉内的蒸汽发生器13、26、27保证完全汽化，本例方案自发生器出口至待供热点的高度可以不受限制，辅以各部分的配合，提供高效，高供热能力的自然循环供热系统。

第二实施例为使用更强汽化能力锅炉的供热系统，可用于小区的集中采暖与供热。

本例结构与第一例基本相同，仅将循环受热端的热器段制成顶角相对的两个锥环通道42，通道内腔表面制有沿锥面母线的突出翼片43，并在通道上制有横穿通道的烟气排出通道46。由于增加经加热段的热交换能力，本例可用于小区楼房的采暖供热。本例锅炉上还设有开水器41，并配以控制其进出水的阀门48和通气管39。工作过程与第一例基本一致。

Claims (4)

1、闭路常压自然循环介质供热方法属生活采暖技术，它包括由热源加热传热介质、携带热量的介质在循环系统中向受热部位传输热量，以循环中不同部位介质密度的差异作介质循环的动力，辅以相应运行、监测方法，其特征在于：所述介质循环热量输入端介质吸热过程终了时，应使全部介质饱和汽化，在位于介质循环系统最高位置、散热端介质的主供给管路(1)终端，控制管内压力不超出大气压，并在此条件下充分液化主供给管在该处所提供的汽化介质。

2、实现如权利要求1所述方法的设备，包括热源，容纳传热介质、接受热源热量的受热端，位于介质循环最高位置、与受热端出口及散热支管入口相联的主供给管路，与散热支管相联的散热器，联接散热器和受热端的介质回流管路，控制、监测、指示介质循环工作状态的部件，及各部联接固定附件，其特征在于：热源供热量、受热端（24、25、16、28、26、27、13）受能力、及受热端中的介质流量应保证：该处热传递过程终了时，受热介质全部形成饱和汽化介质，在主供给管路终端，还有按液化该处全部饱合汽化介质需要设置的汽液分相器（7）、汽体介质冷凝器（6）和防止管路内介质压力超出大气压的压力控制部件（36）。

3、如权利要求2所述设置，其特征在于：介质受热端包括位于下部的予热段（24、25）、位于上部的加热段（16、28）和在中部内侧的汽化发生段（26、27、13），三个部分依次相通;汽液分相器（7）下部与主供给管（1）终端相联，底部与散热支管（3）相通，上端经导孔（34）与冷凝器（6）底部相联，冷凝器（6）带有散热翼片（32），器体分为上下两个部分（37、33），由隔板（30）和带有浮子的单向阀（36）相互隔离，冷凝器上部经阻尼罩（29）由导管（4、5）与大气相通;在冷凝器（6）与分相器（7）之间还有回流管（35）将冷凝器下部内腔（33）与分相器内腔相联，该管上端略高于冷凝器底部，该管下端位于分相器的下部。

4、如权利要求3所述设备，其特征在于：受热端加热段包括制成两锥顶相对的锥环通道（42），通道内设有沿环锥母线、凸出通道内腔表面、增强热交换能力的翼片（43），在通道上制有横穿通道的热源排气通道（46）。

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