терморегулятор радиаторный

Формула изобретения

1. Терморегулятор радиаторный, содержащий корпус с входным и выходным патрубками и регулирующим клапаном, механически связанным через теплоизолирующую втулку со штоком жидкостного термомеханического преобразователя, размещенного в стакане из теплоизолирующего материала со сквозными прорезями, кожух и пружину перегрузки, отличающийся тем, что жидкостный термомеханический преобразователь состоит из цилиндрического корпуса, заполненного термочувствительной жидкостью, в один из торцов которого вмонтирован сальник, через который с возможностью продольного перемещения проходит шток, имеющий меньший диаметр, чем внутренний диаметр корпуса, с тем, чтобы обеспечивать необходимую чувствительность жидкостного термомеханического преобразователя, а погруженный в жидкость конец штока имеет головку, в которую упирается возвратная пружина.

2. Терморегулятор радиаторный по п.1, отличающийся тем, что корпус жидкостного термомеханического преобразователя имеет хвостовик с крупношаговой резьбой, на которую навинчивается регулирующая гайка, опирающаяся на торец стакана и подпружиненная с обратной стороны пружиной перегрузки, причем вращение регулирующей гайки осуществляется путем поворота кожуха терморегулятора, закрепляемого на стакане с помощью трех симметрично расположенных винтов, скользящих по кольцевой канавке в стакане.

3. Терморегулятор по п.1, отличающийся тем, что уплотнение между полостью корпуса терморегулятора и полостью закрепленного на нем стакана осуществляется с помощью эластичного уплотнительного кольца, зажимаемого между двух втулок, надеваемых на толкатель клапана, с помощью теплоизолирующей втулки, ввинчиваемой в толкатель клапана и соединенной со штоком жидкостного термомеханического преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам контроля и автоматического регулирования температуры и предназначено для регулирования температуры в помещениях, отапливаемых с помощью центрального водяного отопления.

Известны разнообразные конструкции терморегуляторов прямого действия и термостатов, служащих для регулирования температуры различных жидких и газообразных сред в технологических установках, а также в системах отопления и охлаждения [1-8]. Все они состоят из регулирующего органа (клапана, регулирующего поступление жидкого теплоносителя) и термочувствительного элемента, представляющего собой термомеханический преобразователь, принцип действия которого основан на температурном расширении вещества, заполняющего герметичную термосистему. В качестве термочувствительного вещества могут использоваться твердые легкоплавкие вещества [1-5], легкоиспаряющиеся жидкости [6] и жидкости с постоянным температурным коэффициентом объемного расширения в области регулируемых температур [7-9].

Основными недостатками термочувствительных элементов с твердым заполнителем являются узкий диапазон регулируемых температур (5-10)С при широкой (до 30% от диапазона регулируемых температур) зоне нечувствительности, что определяется шириной температурного диапазона плавления термочувствительного вещества (в качестве которого используются сложные органические вещества типа воска, парафинов, церезина и т.п., к которым подмешивается металлический порошок для повышения теплопроводности), нелинейность характеристики преобразования и ее плохая воспроизводимость (что объясняется неоднородностью состава вещества и его вариациями). Основным достоинством таких элементов является более высокая по сравнению с жидкостными термомеханическими преобразователями чувствительность, позволяющая строить на их базе недистанционные (без термобаллона) терморегуляторы прямого действия [1-5].

Более широким температурным диапазоном регулирования и хорошей линейностью характеристики при удовлетворительной чувствительности обладают газоконденсационные термомеханические преобразователи [6], у которых термочувствительным веществом являются легкокипящие жидкости. Они используют прямопропорциональную зависимость давления паров жидкости в замкнутом объеме при повышении ее температуры. Исполнительным элементом такой термосистемы является сильфон, манометрическая пружина или упругая мембрана, воспринимающие давление паров испаряющейся жидкости. Такие термомеханические преобразователи применяются в основном в различных системах охлаждения, регулируя поступление охлаждающей жидкости в испаритель системы.

Основными недостатками таких термопреобразователей являются принципиальная необходимость упругих элементов, уравновешивающих давление паров испаряющейся жидкости (сильфон, мембрана или манометрическая пружина), и ограниченность хода исполнительного элемента (без нарушения герметизации термосистемы). Это усложняет конструкцию терморегуляторов прямого действия, использующих такие термопреобразователи, и приводит к нарушениям их нормальной работы при изменениях противодействующих усилий регулируемых элементов. Кроме того, имеются ограничения по диапазону регулируемых температур, которые определяется температурой кипения используемых жидкостей. По этой причине такие термопреобразователи находят применение преимущественно в холодильной технике.

Наиболее широким температурным диапазоном регулирования, высокими линейностью и стабильностью характеристики, не зависящими от изменений противодействующих усилий со стороны регулируемого элемента (в силу практической несжимаемости жидкостей), обладают жидкостные термомеханические преобразователи. Единственным их серьезным недостатком является малая чувствительность, определяемая малым температурным коэффициентом объемного расширения жидкостей (около 0,0011/град для органических жидкостей и еще примерно в пять раз меньше для ртути). Это заставляет для получения достаточной величины хода исполнительного элемента использовать термопреобразователи большого объема [8] или дистанционные конструкции с выносным термобаллоном [7], соединяемым гибким капилляром с исполнительным элементом. Причем объем термобаллона, помещаемого в среду с контролируемой температурой, должен многократно превышать объем исполнительного элемента. Терморегуляторы, использующие жидкостные термомеханические преобразователи, отличаются высокой стабильностью и надежностью работы, но в силу недостаточной чувствительности термопреобразователя имеют сложную конструкцию и большие габариты.

Радиаторные терморегуляторы для систем отопления помещений используют термочувствительные преобразователи первого и третьего типов: с твердым наполнителем [1-6] и жидкостные [8, 9].

По конструкции всего терморегулятора наиболее близким к предлагаемому изобретению является регулятор температуры [6] с термомеханическим преобразователем с твердым легкоплавким наполнителем. Однако по решаемым задачам и по принципу действия используемого термомеханического преобразователя наиболее близким является регулятор температуры [9] с жидкостным термомеханическим преобразователем. Поэтому целесообразно в качестве прототипа использовать именно его. В нем для увеличения хода исполнительного элемента используется дополнительный подогрев термоэлемента теплоносителем (горячей водой, циркулирующей в регулируемой отопительной системе, которая имеет температуру от 70 до 120С, что существенно превышает диапазон регулируемой температуры в помещении +(18-25)С). Но при этом осуществляется не пропорциональное, а релейное регулирование. Однако главный недостаток прототипа состоит не в этом, а в сложности настройки регулятора и ее зависимости от давления воды в регулируемой магистрали, а также в низкой надежности его работы. В самом деле, правильная работа данного регулятора возможна лишь при тщательном подборе жесткостей пружин 7 и 9, которые, к тому же, должны быть согласованы с давлением воды в магистрали. Естественно, что в реальных условиях давление воды в магистрали может варьироваться в достаточно широких пределах, что будет приводить к нарушениям в работе регулятора. Кроме того, правильная работа регулятора возможна лишь при весьма малом кольцевом зазоре 12 между стенками стакана 3 и теплоизолирующей втулкой 11, чтобы горячая вода могла поступать в полость стакана 3 (и дополнительно обогревать термоэлемент) только при движении клапана вниз, пока он еще не закрыт полностью. А когда он закроется, поступление новых порций горячей воды должно прекращаться, хотя эта полость через этот же зазор всегда сообщается с магистралью с горячей водой. Естественно, что при остывании воды в полости стакана возникнет конвекционный теплообмен, который будет тем существенней, чем шире кольцевой зазор. При значительном теплообмене вода в полости стакана 3, а значит и термоэлемент не будут охлаждаться до окружающей температуры, а следовательно, клапан не откроется и регулятор перестанет работать. Чтобы этого не происходило, рабочий зазор должен быть очень малым. Но в этом случае он будет быстро засоряться выпадающими из воды отложениями (тем более, что вода в зазоре то неподвижна, то обновляется). Поэтому через некоторое время регулятор перестанет работать.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение надежности регулятора температуры при сохранении большого хода регулируемого элемента, замена релейного закона регулирования на пропорциональное регулирование, упрощение конструкции и настройки регулятора.

Данные задачи решаются за счет использования высокочувствительного жидкостного термомеханического преобразователя (ЖТМП), состоящего из герметичного цилиндрического корпуса, заполненного термочувствительной жидкостью, в которую погружен шток меньшего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндра, причем второй конец штока через герметизирующий сальник с возможностью продольного перемещения проходит через торцевую стенку цилиндра и механически связан с регулирующим клапаном. Для предотвращения засасывания наружного воздуха через сальник при понижении температуры термочувствительной жидкости конец штока, погруженный в жидкость, снабжен головкой, в которую упирается возвратная пружина, создающая избыточное давление жидкости в цилиндре и преодолевающая силу трения в сальнике при обратном ходе штока. Как будет показано ниже, такая конструкция термомеханического преобразователя имеет чувствительность в (D_в/d)² раз выше, чем традиционная для жидкостных преобразователей сильфонная конструкция (здесь d_в - внутренний диаметр цилиндра, d - диаметр штока). Поэтому подбором этих диаметров можно получить любую желаемую чувствительность. А большой ход штока позволяет улучшить эффективность регулирования температуры при небольших размерах терморегулятора, повысить надежность его работы и упростить его конструкцию и настройку.

Устройство терморегулятора радиаторного показано на фиг.1 и 2. Терморегулятор радиаторный состоит из корпуса 1 клапана, втулки 2, толкателя 3 клапана, на котором с помощью гайки 21 закрепляется эластичная шайба 20 клапана, теплоизолирующей втулки 4, соединяемой резьбовым соединением с толкателем 3 клапана, двух уплотнительных втулок 5 с находящимся между ними эластичным уплотнительным кольцом 18, стакана 6, навинчиваемого на втулку 2, ЖТМП, состоящего из корпуса 7, пробки 9 с уплотнительным кольцом 12, штока 8 с головкой, в которую упирается возвратная пружина 11, и сальника 10 со стопорным разрезным кольцом 13, причем вся полость корпуса ЖТМП заполнена термочувствительной жидкостью; кожуха 14 терморегулятора, регулирующей гайки 15, подпружиненной пружиной 16 перегрузки. Регулирующая гайка 15 навинчивается на хвостовик корпуса 7 ЖТМП до упора в торец стакана 6. Резьба на хвостовике и гайке должна быть с укрупненным шагом, чтобы весь диапазон начальной установки температуры стабилизации перекрывался менее, чем за один оборот гайки. На фиг.2 показано сечение терморегулятора радиаторного по А-А. Вращение гайки 15 осуществляется с помощью кожуха 14, который закрепляется с помощью трех симметрично расположенных винтов 17, скользящих по кольцевой канавке в стакане 6. При вращении регулировочной гайки 15 корпус ЖТМП 7, а с ним и толкатель клапана 3 перемещается вертикально, изменяя начальный зазор между клапаном и седлом. Ниже кольцевой канавки по всей окружности стакана 6 нанесена шкала, а в кожухе 14 на соответствующем уровне сделано окно, через которое виден участок шкалы, соответствующий температуре настройки.

При сборке ЖТМП шток должен располагаться таким образом, чтобы при нормальной температуре термочувствительной жидкости (примерно +20С) головка штока находилась примерно посередине полости корпуса ЖТМП. Это позволит, с одной стороны, предотвратить засасывание окружающего воздуха через сальник при сильном снижении окружающей температуры (например, при транспортировке и хранении терморегуляторов в неотапливаемом помещении зимой), а с другой стороны, обеспечит сохранение герметичности термосистемы при выходе окружающей температуры за верхнюю границу регулирования (например, в летнее время). Другими словами должен обеспечиваться достаточный запас хода штока как в одну, так и в другую сторону, чтобы при любых возможных изменениях окружающей температура не нарушалась бы герметизация термосистемы. С этой же целью шток подпружинен противодействующей пружиной, которая, во-первых, помогает преодолевать силу трения в сальнике при обратном ходе штока, а во-вторых, создает в полости преобразователя избыточное давление жидкости, препятствующее возможности засасывания наружного воздуха при обратном ходе штока.

В качестве термочувствительной жидкости удобно использовать кремнийорганические жидкости (псушметилсилоксановые, марки ПМС), имеющие примерно одинаковый температурный коэффициент объемного расширения (около 0,0011/град) в температурном диапазоне от минус 60С до +300С.

Терморегулятор радиаторный работает следующим образом. Пусть начальная установка регулировочной гайки 15 соответствует середине шкалы. При этом клапан 3 будет в каком-то промежуточном положении. Если температура в помещении по каким-либо причинам (повышение наружной температуры или повышение температуры теплоносителя в магистрали) повысится, то термочувствительная жидкость в ЖТМП нагреется выше начальной температуры и увеличит свой объем, что приведет к соответствующему выдвижению штока 8 и уменьшению просвета между клапаном и седлом. А, значит поступление теплоносителя (горячей воды) в радиатор уменьшится, что приведет к снижению температуры в помещении до прежнего уровня. При снижении температуры в помещении относительно начальной будет происходить обратный процесс, т.е. поднятие клапана 3 и увеличение поступления теплоносителя в радиатор. (Правда, в данном случае предел регулирования ограничен полным открытием клапана). Жесткость пружины перегрузки выбирается таким образом, чтобы развиваемое ей усилие превосходило усилие, развиваемое давлением воды в магистрали на клапан. Поэтому регулировочная гайка всегда будет находиться в крайнем нижнем положении (до упора в торец стакана 6). Лишь в случае, когда температура в помещении будет выше предельной температуры регулирования, при которой клапан окажется полностью закрытым (что может происходить летом, когда отопление полностью отключено), при дальнейшем выдвижении штока ЖТМП вместе с регулировочной гайкой 15 будет перемещаться вверх, сжимая пружину 16 перегрузки. Это предохранит терморегулятор от повреждения. Для предотвращения попадания горячей воды в полость стакана 6 уплотнигельное эластичное кольцо 18 зажимается при сборке терморегулятора между втулками 5 с помощью теплоизолирующей втулки 4, ввинчиваемой в толкатель 3 клапана, так, чтобы уплотнигельное кольцо 18, деформируясь, плотно прилегало к стенкам втулки 2 и толкателя клапана 3.

Чувствительность применяемого в данном терморегуляторе ЖТМП, являющегося чувствительным элементом, будет определяться следующим образом.

Пусть при какой-то начальной температуре Т_Н шток окажется вдвинутым в цилиндр на величину l₀<L, где L - длина всей полости корпуса ЖТМП. Тогда при нагревании жидкости на величину T=Т_к-Т_н ее объем увеличится на величину

где V_н - начальный объем жидкости при температуре Т_н;

_ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости;

- температурный коэффициент линейного расширения материала корпуса (температурным изменением диаметра штока будем пренебрегать ввиду малости диаметра штока d по сравнению с диаметром корпуса D_в).

Очевидно, при этом шток будет выдвинут из цилиндра на такую величину, чтобы освободить объем, равный V_m

Начальный объем жидкости легко подсчитать как

Подставляя (3) в (2), получим

Принимая во всем температурном интервале Т величины _ж и постоянными, окончательно получим чувствительность такого преобразователя, равной

Учитывая, что не менее чем в 50 раз меньше _ж, увеличением объема корпуса за счет его теплового расширения можно пренебречь (или внести поправку в значение ^*_ж=_ж-3a). Тогда выражение (11) упростится

Для традиционной сильфонной конструкции жидкостного преобразователя чувствительность определяется выражением:

S_T=^*_ж·l₀,

где l₀ - начальная длина сильфона при Т=Т_н.

Сравнивая эти выражения, можно видеть, что в предлагаемой конструкции преобразователя чувствительность возросла примерно в раз. А поскольку на величину диаметра штока d никаких ограничений (кроме механической прочности) не накладывается, то легко получить увеличение чувствительности хоть в 100 раз. Этого в большинстве практических случаев более чем достаточно. Действительно, приняв ^*_ж=10^-31/град, D_в=30 мм, d=3 мм, L=40 мм и l₀=20 мм, получим

Чаще всего для обеспечения точности регулирования температуры в 1С вполне достаточно иметь чувствительность S_t=0,1...0,5 мм/град, т.е. практически на порядок меньше. Поэтому можно существенно уменьшить габаритные размеры корпуса преобразователя.

Литература

1. Регулятор температуры. SU 1536360, СССР / В.В.Николаев, В.И.Черноштан, А.П.Майоров, С.П.Петров, Н.В.Ткаченко. Опубл. Бюл. №2, 1990.

2. Регулятор температуры типа РТЦГВ. Приборы и средства автоматизации. Каталог. 1.1. Приборы для измерения и регулирования температуры. Часть 2. М.: Информприбор, 2001. С.25.

3. Клапан терморегулирующий типа ТРК. Приборы и средства автоматизации. Каталог. 1.1. Приборы для измерения и регулирования температуры. Часть 2. М.: Информприбор, 2001. С.26.

4. Регулятор температуры типа РТП-М. Приборы и средства автоматизации. Каталог. 1.1. Приборы для измерения и регулирования температуры. Часть 2. М.: Информприбор, 2001. С.26-27.

5. Термометр манометрический конденсационный показывающий типа ТКП-60С. Приборы и средства автоматизации. Каталог. 1.1. Приборы для измерения и регулирования температуры. Часть 2. М.: Информприбор, 2001. С.109-110.

6. Регулятор температуры. SU 1140102 / Л.Ф.Куклик, В.Д.Курбан, С.П.Петров. Опубл. Бюл. №6, 1985.

7. Датчик температуры. SU 1352241, СССР / В.А.Лобачев. Опубл. Бюл. №42, 1987.

8. Регулятор температуры радиаторный типа РТР. Приборы и средства автоматизации. Каталог. 1.1. Приборы для измерения и регулирования температуры. Часть 2. М.: Информприбор, 2001. С.25-26.

9. Регулятор температуры. SU 1332281 / А.Г.Гащенко, Т.А.Ткачук. Опубл. Бюл. №31, 1987.