регулятор температуры системы отопления зданий

Формула изобретения

1. Регулятор температуры системы отопления зданий, содержащий смесительную камеру с двумя патрубками для подключения к отопительной системе и к соединительной трубе, соединяющей смесительную камеру с камерой термостатирования, промежуточную камеру с соплом и входным патрубком для подсоединения к прямой трубе теплосети, камеру термостатирования с входным патрубком для подсоединения к обратной трубе отопительной системы и выходным патрубком для подсоединения к соединительной трубе и регулировочным винтом, задающим температуру термостатирования, с размещенным внутри этой камеры жидкостным термомеханическим преобразователем (ЖТМП), шток которого соединен с дроссельной иглой, отличающийся тем, что в качестве ЖТМП используется преобразователь с жестким корпусом, состоящий из цилиндрического полого корпуса с заглушкой и размещенным в ней сальником, через который проходит шток ЖТМП, внутренний конец которого имеет дисковую головку, которая служит упором для пружины ЖТМП, а к наружному концу жестко крепится наконечник штока, на который с возможностью продольного перемещения насажена дроссельная игла, подпружиненная предохранительной пружиной, причем диаметр штока существенно меньше внутреннего диаметра корпуса ЖТМП, и вся полость ЖТМП заполнена термочувствительной жидкостью, а между заглушкой ЖТМП и теплоизолирующей втулкой установлена возвратная пружина, прижимающая дно ЖТМП к регулировочному винту, установленному в торцевой стенке камеры термостатирования.

2. Регулятор температуры системы отопления зданий по п.1, отличающийся тем, что в качестве термометрической жидкости, заполняющей полость ЖТМП, используется полиметилсилоксановая жидкость, обладающая высоким постоянством коэффициента объемного температурного расширения в широком диапазоне температур (от -60 до +300°С).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам контроля и автоматического регулирования температуры и предназначено для использования в системах регулирования температуры в зданиях, отапливаемых с помощью центрального водяного отопления с самоциркуляцией теплоносителя.

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 [1-3]. Все они состоят из регулирующего органа (клапана, регулирующего поступление жидкого теплоносителя) и термочувствительного элемента, представляющего собой термомеханический преобразователь, обеспечивающий перемещение регулирующего органа при изменении температуры, принцип действия которого основан на температурном расширении вещества, заполняющего герметичную термосистему. В качестве термочувствительного вещества могут использоваться твердые легкоплавкие вещества, легкоиспаряющиеся жидкости и жидкости с постоянным температурным коэффициентом объемного расширения в области регулируемых температур.

Известны и построенные на основе терморегуляторов прямого действия регуляторы температуры для системы отопления зданий [4-6].

В [4] представлена система, использующая горячую воду из теплосети непосредственно для отопления здания, и поэтому регулирование температуры в отапливаемом здании осуществляется путем регулирования расхода горячей воды, забираемой из теплосети. Такие системы содержат несколько термосистем, служащих для учета колебаний температуры внутри отапливаемого помещения и наружного воздуха, термобаллоны которых размещены соответственно внутри и снаружи помещения и соединены капиллярами с сильфонами, служащими термомеханическими преобразователями, и исполнительным органом, размещенным в теплопункте отапливаемого здания. Такие системы неэкономичны (характеризуются повышенным расходом горячей воды из теплосети), сложны в монтаже и эксплуатации и малонадежны из-за большого количества исполнительных и задающих термосильфонов и соединяющих их с термобаллонами длинных капилляров. Поэтому реального применения они не получили. В [5 и 6] описаны системы, которые работают на основе полузамкнутой циркуляции воды в отопительной системе, температура которой поддерживается постоянной за счет подмешивания к ней горячей воды из тепломагистрали. Такие системы более экономичны (расход горячей воды, забираемой из тепломагистрали, в них существенно меньше), просты по устройству и более надежны в эксплуатации. В [6] описана наиболее простая система, содержащая три конструктивно объединенные камеры (смесительную, камеру, регулирующую поступление горячей воды из теплосети, и камеру термостатирования, в которую поступает обратная вода из отопительной системы) и один термомеханический преобразователь (герметичный, заполненный термометрической жидкостью сильфон), размещенный в камере термостатирования. Эта система поддерживает постоянство температуры обратной воды в отопительной системе. В [5] описана подобная система, поддерживающая постоянство температуры поступающей в отопительную систему воды. Конструктивно она отличается от предыдущей тем, что вместо трех камер используется две, а термометрический сильфон расположен в камере смешения (т.е. камера смешения и камера термостатирования совмещены), а также наличием дополнительного манометрического сильфонного преобразователя, реагирующего на перепад давлений в теплосети и обратной магистрали. Оба сильфона (термометрический и манометрический) жестко соединены штоками с одним и тем же исполнительным органом (дроссельной иглой, регулирующей поступление горячей воды из теплосети). Манометрический преобразователь предназначен для учета колебаний давлений в магистрали теплосети и обратной магистрали. Однако при жестком соединении обоих сильфонов они будут нарушать нормальную работу друг друга. Поскольку полость термометрического сильфона герметизирована, а жидкость, заполняющая ее, практически несжимаема, то под действием значительных противоположных сил со стороны манометрического сильфона вместо соответствующих смещений регулирующего органа получим деформацию боковой поверхности термометрического сильфона и при значительных усилиях со стороны манометрического сильфона и его разрушение. Кроме того, если целевой функцией регулирования является поддержание постоянства температуры поступающей в отопительную систему воды, то вполне достаточно одного термометрического преобразователя, который будет отрабатывать ее изменения (с определенной статической ошибкой), вызванные любыми возмущающими факторами, включая не только изменения теплоотдачи в отопительной системе, вызываемые изменениями температуры и ветровой нагрузки наружного воздуха, но и колебания температуры горячей воды в теплосети и колебания давления в ней. Кроме того, стабилизация температуры воды, поступающей в отопительную систему, менее эффективна с точки зрения поддержания комфортной температуры в отапливаемом помещении, чем стабилизация температуры обратной воды (при стабилизации температуры поступающей в отопительную систему воды при повышении теплоотдачи в отопительной системе вследствие холодной погоды будет уменьшаться температура обратной воды, и эти дополнительные потери тепла не будут компенсироваться увеличением температуры воды, поступающей в отопительную систему, т.е. температура воздуха в отапливаемом помещении будет неизбежно понижаться, а при стабилизации температуры обратной воды дополнительная теплоотдача будет обеспечиваться за счет повышения начальной температуры воды, что позволит поддерживать постоянство температуры воздуха в отапливаемых помещениях). Поэтому в качестве прототипа выберем систему, описанную в [6].

Однако и описанная в [6] система имеет ряд существенных недостатков. Главные из них связаны с низкой чувствительностью и недостаточной надежностью термосильфона как термомеханического преобразователя. В самом деле, относительная чувствительность термосильфонного преобразователя при отсутствии в термосистеме соединенного с ним капилляром термобаллона равна по величине температурному коэффициенту объемного расширения заполняющей его термометрической жидкости, которая практически для всех используемых на практике термометрических жидкостей близка к 0,001/°C (0,1%/°C). Это означает, что для получения абсолютной чувствительности хотя бы в 1 мм/°C начальная длина термосильфона должна составлять один метр. Термосильфон такой длины практически невозможно изготовить, поскольку для обеспечения устойчивости к продольному изгибу его начальная длина не должна превышать его диаметр более чем в два раза. Кроме того, сильфоны не могут развивать больших усилий, т.к. это чревато необратимой деформацией гофров, а также обладают низкой надежностью из-за потери герметичности, которая может произойти, во-первых, из-за силовой перегрузки (при превышении противодействующего усилия против расчетного), во-вторых, из-за появления усталостных трещин в гофрах при циклической работе сильфона.

Вторым недостатком прототипа (косвенно связанным с первым) является узкий диапазон и недостаточная эффективность регулирования. При приемлемых размерах термосильфона (изготовить сильфон с начальной длиной свыше 200-250 мм при обеспечении высокой надежности его работы весьма сложно) его абсолютная чувствительность не превысит 0,2-0,25 мм/°C. В этом случае для обеспечения максимального перемещения регулирующего органа (дроссельной иглы) хотя бы на 5 мм (при меньшем перемещении диапазон регулирования будет еще уже) понадобится перепад температур в термостатируемой камере (статическая ошибка регулирования) 20-25°C. Это составляет почти половину всего допустимого диапазона температуры воды в отопительной системе (который составляет 70-120°C). Следовательно, эффективность регулирования будет весьма низкой. Кроме того, диапазон перемещения регулирующего органа (а значит, и дна термосильфона) с одной стороны жестко ограничен полным запиранием клапана. Если при этом температура обратной воды окажется слишком высокой (в силу малой теплоотдачи при теплой погоде), то жидкость в термосильфоне будет продолжать расширяться и может разрушить термосильфон). Чтобы этого не произошло, ручным винтовым регулятором, задающим начальное положение термосильфона (а значит, и дроссельной иглы), необходимо устанавливать его с некоторым запасом, чтобы дроссельная игла даже при максимальной температуре в камере термостатирования не могла дойти до упора в сопло, что еще более сужает эффективность регулирования.

Все эти недостатки приводят к низкой эффективности регулирования температуры воды в отопительной системе. Кроме того, как уже было сказано выше, термосильфон характеризуется весьма низкой надежностью (при увеличении противодействующего усилия против расчетного, что может быть вызвано различными причинами, например увеличением трения в сальнике или уже рассмотренным выше полным запиранием сопла дроссельной иглой, герметичность сильфона будет нарушена или его боковые стенки будут необратимо деформированы и регулятор перестанет работать). Но даже при нормальном функционировании гофры термосильфона подвергаются интенсивным усталостным нагрузкам, что резко сокращает срок службы сильфонов из-за потери герметичности.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение эффективности и расширение диапазона регулирования регулятора температуры воды в отопительной системе при повышении надежности регулятора и упрощении его конструкции.

Данные задачи решаются за счет использования в качестве термочувствительного элемента высокочувствительного жидкостного термомеханического преобразователя (ЖТМП) жесткой конструкции. ЖТМП жесткой конструкции состоит из герметичного цилиндрического корпуса, заполненного термочувствительной жидкостью, в которую погружен шток существенно меньшего диаметра, чем внутренний диаметр цилиндрического корпуса, чем определяется чувствительность ЖТМП, пропорциональная отношению квадратов внутреннего диаметра цилиндрического корпуса и диаметра штока. Причем шток проходит сквозь торцевую стенку цилиндра через герметизирующий сальник и механически связан с регулирующим органом. Для преодоления силы трения в сальнике при обратном ходе штока при понижении температуры термочувствительной жидкости - конец штока, остающийся в полости ЖТМП, снабжен головкой в виде диска, в которую упирается возвратная пружина, создающая избыточное давление жидкости в цилиндре (усилие этой пружины добавляется к возвратной силе давления окружающей среды, действующего на шток). 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 повысить эффективность регулирования температуры при небольших размерах терморегулятора, улучшить надежность его работы и упростить его конструкцию и настройку.

Устройство регулятора температуры системы отопления зданий показано на фиг.1. Регулятор состоит из цилиндрического корпуса 1, смесительной камеры 2 с выходным патрубком 3 для подсоединения к отопительной системе здания, размещенным в торцевой части камеры, и входным патрубком 4 для подсоединения через соединительную трубу 5 к камере термостатирования 15, заполняемой обратной водой из отопительной системы. Смесительная камера 2 отделяется от промежуточной камеры 7, куда через патрубок 8 поступает горячая вода из теплосети, соплом 6, вдоль оси которого с возможностью продольного перемещения размещен регулирующий орган в виде дроссельной иглы 9. Дроссельная игла 9 с возможностью продольного перемещения насажена на наконечник 10 штока 11 жидкостного термомеханического преобразователя (ЖТМП), размещенного в камере термостатирования 15. Дроссельная игла 9 подпружинена предохранительной пружиной 13, упирающейся в наконечник 10 штока 11, и закрепляется с помощью фиксирующей конической насадки 14 с загибаемыми ушками, надеваемой на дроссельную иглу 9.

Промежуточная камера 7 отделяется от камеры термостатирования 15 перегородкой 16 с укрепленной на ней термоизолирующей втулкой 17. Перегородка 16 с термоизолирующей втулкой 17 имеют сквозное отверстие с сальником 18 перегородки, через который с возможностью продольного перемещения проходит шток 11 ЖТМП. ЖТМП состоит из цилиндрического полого корпуса 19 с заглушкой ЖТМП 20 и размещенным в ней сальником 21 ЖТМП, через который с возможностью продольного перемещения проходит шток 11 ЖТМП. Корпус 19 ЖТМП с заглушкой ЖТМП 20 образуют герметичную полость, полностью заполненную термометрической жидкостью 25. Конец штока 11 ЖТМП, находящийся в его полости, снабжен дисковой головкой 23, в которую упирается пружина 24 ЖТМП, служащая для создания начального избыточного давления термометрической жидкости в полости ЖТМП и облегчения обратного хода штока 11 ЖТМП при понижении температуры термометрической жидкости, если наружного давления окружающей среды на шток окажется недостаточно для преодоления силы трения в сальниках при обратном движении штока. Герметичность соединения заглушки 20 с корпусом 19 ЖТМП обеспечивается уплотнительным кольцом 22. Камера термостатирования 15 имеет один входной патрубок 26 для подключения к обратной магистрали отопительной системы и выходной патрубок 28 для подсоединения через соединительную трубу 5 к смесительной камере 2. Зазор между наружной боковой поверхностью корпуса 19 ЖТМП и внутренней боковой поверхностью корпуса 29 камеры термостатирования 7 должен быть достаточным для интенсивного обтекания корпуса 19 ЖТМП обратной водой, поступающей из входного патрубка 26 и выходящей через выходной патрубок 28. С этой же целью эти патрубки расположены со смещением по длине камеры термостатирования 15 на противоположных сторонах ее боковой поверхности. Начальное положение ЖТМП в камере термостатирования 15 фиксируется регулировочным винтом 30, упирающимся в дно корпуса 19 ЖТМП, и возвратной пружиной 27, упирающейся с противоположной стороны в заглушку ЖТМП 20. Для предотвращения просачивания воды из камеры термостатирования 15 через резьбу регулировочного винта его гладкая часть проходит через сальник 31 регулировочного винта. Для удобства регулирования начального положения ЖТМП в камере термостатирования 15 (от чего зависит температура термостатирования) регулировочный винт снабжен барашком 32 с указателем и отсчетной шкалой (на фиг.1 не показаны), проградуированной в температуре термостатирования (или в относительных единицах).

В качестве термометрической жидкости для заполнения полости ЖТМП целесообразно использовать кремнийорганические жидкости (полиметилсилоксановые, марки ПМС), имеющие примерно одинаковый температурный коэффициент объемного расширения (около 0,001/°C) в температурном диапазоне от минус 60°C до +300°C.

Регулятор температуры системы отопления зданий работает следующим образом.

До пуска отопительной системы и она сама, и регулятор температуры не заполнены водой и имеют температуру окружающего воздуха. При этом термометрическая жидкость в полости ЖТМП занимает минимальный объем, что соответствует минимальному выдвижению штока. При этом дроссельная игла 9 находится в крайнем правом положении, что соответствует полностью открытому отверстию сопла 6, соединяющего смесительную камеру 2 с промежуточной камерой 7, заполненной горячей водой из теплосети. При пуске отопительной системы она полностью заполняется водой из теплосети. В холодной отопительной системе она интенсивно охлаждается и поступает в камеру 15 термостатирования. Тем не менее, ее температура гораздо выше первоначальной температуры окружающего воздуха, и ЖТМП начинает нагреваться. Заполняющая его термометрическая жидкость 25 расширяется, что приводит к выдвижению штока 11 ЖТМП и соответствующему перемещению дроссельной иглы 9. При этом поступление горячей воды из промежуточной камеры 7 в смесительную камеру 2 уменьшается, но скорость струи, проходящей через сопло, растет, и за соплом и с его наружной стороны образуется разрежение (падение давления), благодаря чему начинает подсасываться обратная вода из входного патрубка 4 смесительной камеры 2. Чем уже становится зазор между дроссельной иглой 9 и соплом 6, тем больше подсасывается обратной воды в смесительную камеру и тем меньше будет поступать прямой воды через сопло 6. Тем самым регулируется температура воды, поступающей через выходной патрубок 3 смесительной камеры 2 в отопительную систему здания. Этот процесс продолжается пока температура обратной воды не достигнет равновесного состояния, при котором количество тепла, забираемое из теплосети, сравняется с количеством тепла, отдаваемым отопительной системой здания. При понижении температуры наружного воздуха или усилении ветровой нагрузки температура воздуха в отапливаемых помещениях начнет снижаться, теплоотдача в отопительной системе увеличится, и, соответственно, начнет снижаться температура обратной воды, что приведет к соответствующему уменьшению температуры термометрической жидкости в ЖТМП, ее объем уменьшится, и шток 11 ЖТМП начнет втягиваться, перемещая дроссельную иглу 9 вправо. При этом зазор между ней и соплом увеличится, и поступление горячей воды из теплосети в смесительную камеру 2 также увеличится, что приведет к повышению температуры воды, поступающей в отопительную систему, и, тем самым, увеличение теплоотдачи в отопительной системе будет компенсироваться повышением температуры воды, поступающей в отопительную систему. Таким образом, температура обратной воды стабилизируется со статической ошибкой, зависящей от чувствительности ЖТМП. Можно обеспечить практически любое желаемое значение чувствительности ЖТМП путем подбора соответствующего отношения внутреннего диаметра D _в корпуса 19 ЖТМП и диаметра d штока 11 ЖТМП. В самом деле, пусть при какой-то начальной температуре T_н шток окажется вдвинутым в корпус ЖТМП на величину l₀<L, где L - длина всей полости корпуса ЖТМП (фиг.2). Тогда при нагревании жидкости на величину T=T_к-T_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 x, чтобы освободить объем, равный V

Начальный объем жидкости легко подсчитать как

Подставляя (3) в (2), получим

Принимая во всем температурном интервале T 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-3 ). Тогда выражение (11) упростится

Для традиционной сильфонной конструкции жидкостного преобразователя чувствительность определяется выражением:

где l₀ - начальная длина сильфона при T=T_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 любое желаемое значение чувствительности и любые желаемые перемещения штока. Пусть, например, полный диапазон перемещения дроссельной иглы 9, а значит, и штока 11, составляет 20 мм. Зададимся максимальной статической ошибкой термостатирования обратной воды в 5°C. Это означает, что шток должен выдвинуться на 20 мм при увеличении температуры обратной воды всего на 5°C. Следовательно, чувствительность ЖТМП должна составлять 4 мм/°C. В то же время максимальный допустимый диапазон температуры обратной воды в теплосети равен 50°C (от +70 до +120°C). В этом диапазоне необходимо обеспечить свободный ход штока (без упора в дно или заглушку ЖТМП). При температуре окружающей среды меньше +70°C внутренний конец штока упрется в дно ЖТМП, и при дальнейшем охлаждении термометрической жидкости в полости ЖТМП будут образовываться вакуумные пузырьки, что не нарушит нормальную работу регулятора. Но при сборке ЖТМП термометрическую жидкость необходимо будет нагревать до +70°C, чтобы обеспечить полное заполнение полости ЖТМП именно при +70°C. Следовательно, весь ход штока ЖТМП L должен составлять не менее 4×50=200 мм. Соответственно длина полости ЖТМП должна быть несколько больше (с учетом толщин дисковой головки на внутреннем конце штока и длины возвратной пружины в сжатом состоянии). Примем ее равной 250 мм. Тогда общая длина штока должна составлять около 350 мм. При такой длине для обеспечения изгибной устойчивости примем его диаметр d=8 мм. Начальное положение штока в полости ЖТМП в рабочем состоянии l₀ примем равным 200 мм. Подставляя эти значения в формулу (6), получим внутренний диаметр корпуса ЖТМП, обеспечивающий заданную чувствительность D_в=32,79 мм. Округлим его до 33 мм. Наружный диаметр его составит примерно 38 мм. Технологически изготовить ЖТМП с такими параметрами не представляет никаких затруднений. Длина камеры термостатирования будет ненамного превосходить длину ЖТМП (для данного примера вполне достаточна длина этой камеры в 350 мм), и примерно такой же будет суммарная длина промежуточной и смесительной камер. Таким образом, общую длину регулятора температуры можно оценить 700-800 мм, а его диаметр будет определяться диаметром магистральных труб отопительной системы, которому должны соответствовать диаметры входного 8 и выходного 3 патрубков регулятора температуры. Он должен, по крайней мере, в 1,5 раза превосходить диаметр патрубков и не менее чем в 1,5 раза наружный диаметр ЖТМП. Если принять диаметр труб отопительной системы равным 100 мм, то диаметр корпуса регулятора температуры можно оценить в 200 мм. В любом случае его размеры получаются вполне приемлемыми, а его изготовление, монтаж и эксплуатация не представляют никаких затруднений.

Чтобы исключить возможность разрушения ЖТМП или повреждения сопла при превышении температурой обратной воды максимально допустимого значения +120°C (максимальная температура прямой воды в теплосети может достигать +150°C), дроссельная игла 9 подпружинена предохранительной пружиной 13, жесткость которой должна превышать жесткость возвратной пружины 27 и пружины ЖТМП 24.

Здесь, как и в прототипе, не показано соединение с обратной трубой теплосети для сброса в нее избыточной обратной воды из отопительной системы (сбрасываться должно ровно столько воды, сколько потребляется из прямой трубы теплосети), поскольку эти устройства не входят в регулятор температуры.

В данном регуляторе температуры отсутствуют такие ненадежные узлы, как сильфоны, мембраны, узкие каналы, которые могли бы забиваться содержащимися в отопительной воде взвесями и отложениями растворенных в ней солей. Поэтому надежность его будет существенно выше, чем у прототипа и аналогов (и во много раз выше, чем у дорогих и сложных в эксплуатации электронных регуляторов температуры).

Таким образом, все поставленные технические задачи решены.

Литература

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

2. 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.

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

4. Устройство для регулирования температуры. SU 1509843 / В.Д.Курбан. Опубл. Бюл. № 35, 1989.

5. Регулятор температуры системы теплоснабжения зданий. SU 1446610 / В.Ф.Лысенко. Опубл. Бюл. № 47, 1988.

6. Регулятор температуры системы теплоснабжения зданий. SU 1441366 / Е.И.Тарасов. Опубл. Бюл. № 44, 1988.