Баки-аккумуляторы тепла – варианты исполнения

Для накопления тепла с целью его рационального использования и, соответственно, экономии энергоносителей и финансовых средств потребителя, наиболее широкое применение получили сегодня баки-аккумуляторы. От того, какие источники тепла используются для подогрева воды, их количества, а также целей, на которое это тепло расходуется, зависит выбор конструкции бака-аккумулятора.

Принципиальная конструкция бака-аккумулятора достаточно проста. Он представляет собой теплоизолированную емкость, которая изготавливается в большинстве случаев из нержавеющей стали, с патрубками для подачи и отвода теплоносителя (обычно воды). Конструкция его подразумевает: герметичный корпус, слой утеплителя, наружный кожух, патрубок в верхней части бака, для подачи подогретой источником тепла воды, и патрубок в нижней части для обратки.

Важным условием успешной аккумуляции тепла является организация правильной циркуляции воды внутри бака. Поток от подачи подогретой воды должен опускаться к потоку охлажденной обратки, поток которой не должен подниматься. Иначе аккумуляции тепла не будет, то есть не будет нагреваться слой воды между этими двумя потоками. Правильная циркуляция этих потоков, обеспечивающая эффективную аккумуляцию тепла, осуществляется подбором и регулированием мощности циркуляционных насосов, устанавливаемых до и после бака-аккумулятора.

Рис. 1. Бак-аккумулятор тепла в системе отопления с твердотопливным котлом

Баки указанной конструкции успешно применяются для экономии и распределения тепла, полученного от сжигания твердого топлива (рис. 1), а также экономии электроэнергии при использовании в схемах теплоснабжения электрических котлов и наличия двойного тарифа на электроснабжение. Об этом более подробно рассказывают специалисты в материале круглого стола этого номера.

Отопление и ГВС

Если накопленное тепло используется не только для нужд отопления, но и для ГВС, конструкция бака предусматривает также теплообменник (чаще всего змеевик), в котором циркулирует вода для бытового горячего водоснабжения. Соответственно предусматриваются еще два патрубка – для подачи и забора этой воды (рис. 2).

Рис. 2. Использование бака аккумулятора тепла для получения ГВС

Применяются также схемы с гидрострелкой и пластинчатым теплообменником для подогрева воды ГВС, устанавливающимся за баком-аккумулятором (рис. 3).

Рис. 3. Бак аккумулятор тепла в системе автономного теплоснабжения с гидрострелкой и пластинчатым теплообменником

Аккумуляция от двух и более источников тепла

Баки-аккумуляторы применяются также для аккумуляции тепла, получаемого от солнечного излучения с помощью гелиоколлекторов. Часто в таких случаях используются баки косвенного нагрева с одним или двумя змеевиками-теплообменниками.

Такие баки в вертикальном исполнении могут устанавливаться как в системах с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя.

В системах с принудительной циркуляцией и одним спиральным теплообменником нагретый теплоноситель из коллектора, благодаря работе насоса,  поступает в теплообменник, встроенный в бак-аккумулятор. Насос включается по команде от контроллера, который также является обязательным компонентом таких систем и подает команды в зависимости от температур, фиксируемых термодатчиками. Один датчик находится на коллекторе, второй — около теплообменника в баке. Частота включения насоса зависит от установленной разности температуры между термодатчиками. В отличие от системы с естественной циркуляцией, использование насоса позволяет усилить циркуляцию теплоносителя. В баке нагретая вода накапливается вверху, а более холодная вода в нижней части бака. В течение светового дня вода в баке прогревается, отбор воды для использования производится из верхних, наиболее горячих, слоев. Холодная вода под давлением водопровода подается в бак снизу и вытесняет нагретую воду из бака.

Баки с двумя теплообменниками находят применение в гелиосистемах с дублирующим теплогенератором. В таком случае на одном змеевике осуществляется теплообмен между теплоносителем контура солнечного коллектора и теплоносителем заполняющим бак и циркулирующим в системе отопления или ГВС, а второй спиральный теплообменник отдает тепло, вырабатываемое дублирующим теплогенератором – котлом, работающим на углеродном топливе или от электричества (рис. 4).

Рис. 4. Использование бака-аккумулятора тепла в системе солнечного теплоснабжения с дублирующим источником тепла

Баки с двумя теплообменниками могут также применяться в системах солнечного теплоснабжения, где вода из емкости бака-аккумулятора поступает в контур ГВС, а на втором теплообменнике тепло, аккумулированное в теплоносителе баком от солнечного коллектора, отдается в систему отопления.

Баки аналогичной конструкции успешно применяются и в том случае, когда в единой гибридной системе теплоснабжения объединяется работа котла и теплового насоса; или теплового насоса и солнечного коллектора; или котла, теплового насоса и солнечного коллектора.

Выпускаются также баки-косвенного нагрева, где в качестве резервного источника тепла может устанавливаться ТЭН.

Кроме того, в системах с естественной циркуляцией находят применение баки-аккумуляторы в горизонтальном исполнении. Обычно к этому варианту обращаются в том случае, когда нет возможности установить бак в вертикальном исполнении. Например, когда бак размещается под коньком крыши.

Варианты конструкций

Достоинства змеевиковых водонагревателей – простота конструкции, среди главных недостатков – относительно малая поверхность теплообмена. Большей площадью теплообмена характеризуются баки-аккумуляторы тепла с двойными стенками, где теплоноситель циркулирует в полости между двойными стенками цилиндрической части бака. Здесь площадь теплообмена значительно больше, однако при медленном ламинарном движении теплоносителя создаются условия для отложения накипи на теплообменных поверхностях.

Рис. 5. Конструкция «бак в баке»: 1 – патрубок подвода холодной воды; 2 –  патрубок подвода теплоносителя; 3 – слой теплоизоляции; 4 – внутренний бак из нержавеющей стали; 5 – бак из углеродистой стали с теплоносителем;  6 – теплоноситель; 7 – патрубок забора горячей воды; 8 – патрубок возврата теплоносителя к котлу

Таких недостатков лишена конструкция «бак в баке», которая представляет собой теплоаккумулятор, состоящий из двух емкостей, одна из которых вставлена в другую (рис. 5). Емкость с санитарной водой размещена во внешнем баке цилиндрической формы, заполненном первичным теплоносителем. Поверхность теплообмена дополнительно увеличена за счет гофрирования стенок. Внутренний бак изготавливается из нержавеющей стали. Конструкция аппарата обладает эффектом самоочистки: внутренний бак крепится к наружному только в верхней части и в местах подсоединения патрубков подачи холодной и забора горячей воды. Повышение температуры вызывает увеличение линейных размеров стального бака (снижение – наоборот); при этом волнообразный профиль стенки играет роль сильфона. Так как нержавеющая сталь и минеральные отложения имеют разные коэффициенты температурного расширения, последние растрескиваются и отслаиваются.

Материалы изготовления

Внутренняя емкость баков-аккумуляторов обычно изготавливается из нержавеющей стали марки AISI 304. Однако следует учитывать, что даже нержавеющая сталь при неправильной обработке при изготовлении бака может в таких условиях эксплуатации подвергаться межкристаллитной коррозии. Такое наиболее вероятно, когда баки изготавливаются с помощью сварки без последующей обработки (пассивации) сварного шва изнутри. Такая обработка технологически сложна, потому что отсутствует доступ внутрь бака после сварки его в единое целое.  Процесс сварки нержавеющей стали сопровождается нарушением структуры металла и повреждением оксидной защитной пленки, что делает готовое изделие не защищенным не только от межкристаллитной, но и от питтинговой коррозии в местах сварки. Это приводит со временем, в процессе эксплуатации к течи бака.

Для теплоизоляции бака в большинстве случаев используется пенополиуретан с толщиной слоя 5 см и более.

Рис. 6. Медный спиралевидный змеевик в конструкции бака аккумулятора

Используемые в баках спиральные теплообменники чаще всего изготавливаются из меди (рис. 6).

Статья из журнала "Аква-Терм" №6/2017

вернуться назад

Читайте также:

Насосы HPK-L для перегретой воды и масляного теплоносителя в системах промышленного и централизованного теплоснабжения

Скважинные оголовки: конструкции и возможности

АБХМ – новое уникальное химическое холодильное оборудование «СТМ-Оскол»

Как в России осваивается производство арматуры самого массового потребления