СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID DISTRIBUTION CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системе регулирования распределения текучей среды, имеющей по меньшей мере два контура регулирования температуры, в которой в каждом контуре установлен блок регулирования давления, обеспечивающий постоянный перепад давления в контурах.
Как правило, системы регулирования распределения текучей среды используют в качестве систем обогрева полов. По вышеуказанным контурам подают горячую текучую среду, например, нагретую воду. Контуры обычно образованы из труб, установленных в полу, потолке или стене здания. Как правило, контуры содержат трубопровод для теплоносителя, включающий в себя подводящий трубопровод и обратный трубопровод. Для обеспечения циркуляции в контурах установлен насос.
Патентный документ WO 2010/095093 A2 относится к системам нагревания или охлаждения, содержащим группу контуров. Производится распределение текучей среды распределительным коллектором по контурам с возвратом в обратный коллектор. Распределительный коллектор соединен с обратным коллектором через магистральный трубопровод, содержащий насос. По меньшей мере в одном из коллекторов установлены исполнительные механизмы. Исполнительные механизмы регулируют расход в контурах. Чтобы защитить насос от чрезмерного давления, по меньшей мере один из исполнительных механизмов оставлен в открытом положении.
Систему регулирования распределения текучей среды возможно использовать в качестве системы регулирования температуры пола. Системы регулирования температуры пола имеют широкое распространение. Распределение тепла или холода от пола в помещении происходит очень однородно. Также предусмотрены такие системы для стен или потолка, но описание в целях упрощения приведено только для систем, установленных в полу. В целом, изобретение предложено для регулирования температуры в помещениях посредством контуров, предусматривающих использование текучей среды с регулируемой температурой. Ниже в описании термин "теплопроизводительность" является синонимом термина "холодопроизводительность".
Согласование контуров в здании часто ведет к проблемам. Маленькому помещению, требующему небольшого количеств тепла, необходим короткий контур. Для равномерного распределения температуры в больших помещениях необходимы длинные контуры. Таким образом, гидравлическое сопротивление в небольших помещениях меньше, чем в больших. Количество текучей среды в контурах находится в соответствии с гидравлическим сопротивлением. Поэтому количество текучей среды в небольших помещениях значительно больше, чем в больших помещениях. Это входит в противоречие с целью обеспечения равномерности расхода и распределения тепла по всем помещениям. Равномерное распределение тепла предоставляет высокую степень комфорта. В свою очередь, неудовлетворительное распределение ведет к энергопотерям.
Известно, как воздействуют на гидравлическое сопротивление установленные в каждом контуре клапаны регулирования расхода или регуляторы потока. В процессе установки системы регулирования температуры пола производится регулировка этих клапанов, обеспечивающая в контурах требуемое распределение расхода. Однако процесс регулировки регуляторов потока сложен и может сопровождаться ошибками.
В патентном документе DE 102006052124 A1 описана система выравнивания для устройства регулирования температуры пола, имеющего по меньшей мере два контура регулирования температуры. Упрощение распределения теплопроизводительности по отдельным контурам обеспечено за счет установки в каждом контуре терморегулируемого исполнительного механизма. Эти исполнительные механизмы обеспечивают одинаковую температуру на выходе всех контуров и, следовательно, автоматическое регулирование расхода.
В документе EP 0677708 А2 раскрыта система обогрева, содержащая множество нагревателей. На входе каждого нагревателя имеется один из множества блоков регулировки давления. Обогреватели установлены в контурах с трубами.
В документе US 2010/0147394 A1 раскрыта обогревающая сеть, содержащая множество блоков регулирования давления. Каждый блок регулирования давления регулирует расход в контуре, содержащем множество обогревателей.
В документе EP 0911714 A1 (Д3) раскрыт клапан управления потоком, содержащий блок регулирования давления. Клапан управления потоком может быть использован в системе обогрева для регулировки перепада давлений.
Одним из недостатков этой конструкции является то, что регулирование всей системы производится по значению температуры в обратном трубопроводе. При необходимости повышения температуры пола имеется возможность увеличения температуры на входе. Но приходится ожидать, пока не понизится заданное значение температуры в обратном трубопроводе. Это приводит к дисбалансу температуры пола и снижает комфорт.
Целью изобретения является предложение легко регулируемой системы регулирования распределения текучей среды.
Указанная цель обеспечена благодаря системе регулирования распределения текучей среды с признаками пункта 1 формулы изобретения.
Блоки регулирования давления поддерживают перепад давления в контурах на постоянном уровне независимо от длины контура. Термином "контур" обозначены как трубопроводы, так и клапан. Другими словами, каждый блок регулирования давления обеспечивает автоматическую балансировку. Это регулирование не зависит от температуры текучей среды. Следовательно, оно не влияет на отдельное регулирование температуры. Так как перепады давления в контурах выровнены, скорости текучей среды в контурах практически одинаковые. Следовательно, обеспечены равномерное распределение текучей среды и тепла, а также эффективная величина расхода.
Предпочтительно контуры соединены по меньшей мере с одним общим распределительным коллектором и по меньшей мере с одним общим обратным коллектором. Использование общего распределительного коллектора и общего обратного коллектора упрощает распределение и слияние текучей среды в контурах.
Предпочтительно блоки регулирования давления установлены по меньшей мере в одном из этих коллекторов, в частности в обратном коллекторе. Пространства, имеющегося в коллекторе, достаточно для установки блоков регулирования давления. Доступ к коллекторам обычно возможен без проблем, поскольку они расположены не в полу и не в потолке. Следовательно, обеспечен простой доступ к установленным в коллекторе блокам с возможностью обычного техобслуживания блоков. Еще одним преимуществом является простота изготовления и возможность заблаговременного изготовления коллектора с блоками. Для использования коллектора необходимо лишь установить его и соединить с контурами. После этого происходит автобалансировка системы регулирования распределения текучей среды и система готова к использованию.
Предпочтительно по меньшей мере один из коллекторов имеет муфты для присоединения к контурам, и каждая муфта содержит один из блоков регулирования давления. Адаптации самого коллектора не требуется, так как блоки регулирования давления расположены в муфтах. Кроме того, предусмотрена возможность несложной модернизации существующих систем. В случае неисправности одного из блоков регулирования давления легко произвести его замену посредством замены муфты.
Система регулирования распределения текучей среды предпочтительно включает в себя исполнительные механизмы для поконтурного регулирования расхода текучей среды. Посредством этих исполнительных механизмов, например, переключающих клапанов, имеется возможность производить отдельную регулировку величины расхода и, следовательно, теплопроизводительности в каждом контуре. Повышение теплопроизводительности возможно за счет увеличения времени открытия исполнительных механизмов. Таким образом, обеспечена возможность отдельной регулировки температуры в каждом помещении здания.
Предпочтительно исполнительные механизмы расположены в том же коллекторе, что и блоки регулирования давления. Таким образом, все функциональные элементы расположены централизованно, в одном коллекторе. Обеспечен легкий доступ к этому коллектору и, следовательно, к исполнительным механизмам и блокам регулирования температуры. Следовательно, обеспечено предпочтительное удобство технического обслуживания и монтажа системы.
Предпочтительно все блоки регулирования давления имеют одинаковую уставку перепада давления, превышающую значение наибольшего перепада давления в контурах. Таким образом обеспечена равномерность распределения текучей среды во всех контурах. Достаточно незначительного превышения установленного перепада давления над значением наибольшего перепада давления в контурах. Влияние блока регулирования давления в контуре с наибольшим перепадом давления минимально, а в контуре с наименьшим перепадом давления - максимально. Балансировка происходит автоматически.
Предпочтительной является нелинейная характеристика блока регулирования давления. Возрастающий перепад давления вызывает "чрезмерное закрытие" блока регулирования давления. Таким образом имеется возможность обеспечения в наименьшем контуре меньшей скорости текучей среды, чем в самом большом контуре. Результатом является повышенный комфорт.
Предпочтительно каждый блок регулирования давления содержит клапан регулирования давления, имеющий затвор клапана, седло клапана и пружину, действующую на затвор в направлении открытия. Давление в коллекторе или на выходе контура действует в направлении закрытия затвора. Это давление обеспечено в области между блоком регулирования давления и исполнительным механизмом. Таким образом предоставлена возможность простой регулировки перепада давления в каждом контуре. Незначительный перепад давления в контуре приводит к высокому давлению на затворе в направлении закрытия и, следовательно, к повышенной степени закрытия затвора. Это обеспечивает увеличение гидравлического сопротивления в блоке регулирования давления. Большой перепад давления в контуре создает небольшое усилие на затворе, действующее в направлении закрытия. Следовательно, в этом контуре влияние блока регулирования давления незначительно. Что касается входного давления, то есть давления на входе контура или распределительного коллектора, то предпочтительной является независимость системы от состояния исполнительных механизмов в других контурах. Скорость потока и, следовательно, теплопроизводительность, остается постоянной.
В затворе клапана предпочтительно имеется канал, соединяющий камеру с наружной стороны элемента, регулирующего давление, с областью внутри коллектора. Этот регулирующий давление элемент закреплен на затворе клапана. При этом благодаря указанному каналу давление в камере, действующее в направлении открытия, равно по величине или незначительно меньше давления в упомянутой области. Если смотреть в направлении потока, эта область расположена за блоками регулирования давления. Обычно эта область расположена между блоком регулирования давления и исполнительным механизмом.
Предпочтительно произведение силы входного давления на площадь поверхности ее приложения больше, чем произведение силы выходного давления на площадь поверхности ее приложения. Входное давление - это давление перед блоком регулирования давления, а выходное давление - это давление за блоком регулирования давления, если смотреть в направлении потока. Площадь поверхности приложения - это площадь поверхности, которая является частью затвора или регулирующего давление элемента, так что сила давления, приложенного к этой площади, влияет на положение затвора клапана относительно седла клапана. Если произведение силы входного давления на площадь поверхности ее приложения превышает произведение силы выходного давления на площадь поверхности ее приложения, то обеспечено закрытие блока регулирования давления с уменьшением расхода текучей жидкости, когда указанное превышение превосходит усилие пружины, действующей в направлении открытия.
Некоторые варианты осуществления описаны со ссылками на приложенные чертежи, перечисленные ниже.
Фиг.1 - схема системы регулирования распределения текучей среды.
Фиг.2 - коллектор, содержащий муфту и блок регулирования давления, вид в разрезе.
Фиг.3 - местный разрез Фиг.2.
Фиг.4 - местный вид блока регулирования давления.
На Фиг.1 показана схема системы 1 регулирования распределения текучей среды, содержащей три контура 2, 3, 4 регулирования температуры. Каждый контур 2, 3, 4 содержит трубопровод 5, 6, 7 для теплоносителя, установленный в полу, потолке или стене, подводящий трубопровод 8, 9, 10 и обратный трубопровод 11, 12, 13.
Подводящие трубопроводы 8, 9, 10 соединены с распределительным коллектором 14, а обратные трубопроводы 11, 12, 13 соединены с обратным коллектором 15. Коллекторы 14, 15 соединены посредством магистрального трубопровода 16, имеющего тепловой насос 17, обеспечивающий циркуляцию текучей среды в контурах 2, 3, 4.
В каждом обратном трубопроводе 11, 12, 13 каждого контура 2, 3, 4 установлен блок 18, 19, 20 регулирования давления. Каждый блок 18, 19, 20 регулирования давления поддерживает перепад давления в соответствующем контуре 2, 3, 4 на постоянном уровне, независимо от его длины, вместе с гидравлическим сопротивлением контура 2, 3, 4. Таким образом, в контурах 2, 3, 4 обеспечено однородное распределение текучей среды.
Исполнительные механизмы 21, 22, 23 установлены на обратном коллекторе 15. Исполнительные механизмы 21, 22, 23 регулируют расход текучей среды в контурах 2, 3, 4. Блок управления исполнительными механизмами 21, 22, 23 на чертеже не показан. Предусмотрена возможность установки беспроводной системы с термостатом для каждого помещения, измеряющим фактическую температуру в помещении. В этих термостатах предусмотрена возможность задания требуемой уставки температуры в помещении; при несовпадении измеренной и заданной температуры происходит открытие или закрытие соответствующего клапана. Связь между термостатами и соответствующим блоком управления предусмотрена, в частности, по радио.
Исполнительные механизмы 21, 22, 23 возможно установить также на распределительном коллекторе 14. Как вариант, исполнительные механизмы возможно установить как в распределительном коллекторе 14, так и в обратном коллекторе 15.
Исполнительные механизмы 21, 22, 23 необходимы только для обеспечения функции включения и выключения.
Текучая среда представляет собой горячую или холодную воду, либо является другой пригодной жидкостью, и содержит, например, гликоль.
Разность давлений между распределительным коллектором 14 и обратным коллектором 15 составляет, например, 0,6 бар. Контуры 2, 3, 4 имеют разную длину, поэтому в этих контурах предусмотрены разные перепады давления. Перепад давления в контуре 2, самом длинном и, следовательно, имеющим самое большое гидравлическое сопротивление, составляет 0,5 бар. Перепад давления в контуре 3 составляет 0,3 бар, в контуре 4 перепад давления составляет 0,1 бар.
Указанные выше значения приведены в описании системы только в качестве примера.
Если блоки регулирования давления не установлены, то большая часть потока протекает через самый короткий контур 4, имеющий самое низкое гидравлическое сопротивление и самый низкий перепад давления. Это приводит к неудовлетворительному распределению тепла в отдельных контурах. Чтобы обеспечить достаточное количество текучей среды во всех контурах, требуется большой расход. Обычно для этого необходим сравнительно мощный насос.
Чтобы устранить эти недостатки, в каждом контуре 2, 3, 4 установлен блок 18, 19, 20 регулирования давления. Непосредственный эффект заключается в том, что перепад давления и, следовательно, скорость потока в отдельных контурах 2, 3, 4 в такой конструкции практически одинаковые. Другими словами, блоки регулирования давления обеспечивают однородное распределение расхода. Они балансируют равномерный перепад давления 0,6 бар во всех контурах. Блоки регулирования давления имеют уставкой одну и ту же величину перепада давления, в данном примере 0,6 бар. Следовательно, блок 18 регулирования давления в контуре 2 создает дополнительный перепад давления 0,1 бар. Блок 19 в контуре 3 создает перепад давления 0,3 бар, а блок 20 в контуре 4 создает перепад давления 0,5 бар.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок регулирования давления имеет нелинейную характеристику. При этом возрастающий перепад давления вызывает повышение гидравлического сопротивления в блоке регулирования давления, своего рода чрезмерное закрытие. В результате скорость потока в коротких контурах меньше, чем скорость потока в более длинных контурах. В итоге обеспечено улучшенное распределение тепла.
На Фиг.2 на виде в разрезе показан обратный коллектор 15, содержащий связанный с ним исполнительный механизм 21 и блок 18 регулирования давления. Блок 18 регулирования давления установлен в муфте 24 обратного коллектора 15. Коллектор 15 имеет муфты 24, 25, 26, по одной муфте на каждый контур 2, 3, 4. В альтернативном варианте осуществления изобретения блок регулирования давления встроен в коллектор.
На Фиг.3 на местном разрезе показан блок 18 регулирования давления. Блок 18 регулирования давления содержит клапан регулирования давления, имеющий затвор 27 клапана и седло 28 клапана. Пружина 29 действует на затвор 27 клапана в направлении открытия. Давление текучей среды в области 30, расположенной за блоком 18 регулирования давления, если смотреть в направлении потока, действует в направлении закрытия. Область 30 образована во втулке 35, которая соединяет муфту 24 с коллектором 15 и образует седло 31 клапана для исполнительного механизма 21.
Кроме того, блок 18 регулирования давления содержит чувствительный к давлению элемент 32. В примере чувствительный к давлению элемент 32 является мембраной, но как вариант, чувствительный к давлению элемент 32 представляет собой сильфон.
Чувствительный к давлению элемент 32 находится в соприкосновении с затвором 27 клапана, так что давление, действующее на наружную поверхность мембраны, приводит к возникновению силы, закрывающей затвор 27 клапана.
В затворе 27 клапана образован канал 34, соединяющий область 30 с камерой 33 с наружной стороны мембраны. Давление в области 30 приложено в направлении закрытия затвора 27 клапана. Давление в камере 33 приложено в направлении открытия затвора 27 клапана. Давление на входе 36 муфты 24 приложено как в направлении открытия, так и в направлении закрытия. Вследствие взаимодействия затвора 27 клапана с седлом 28 клапана между входом 36 и областью 30 существует перепад давления.
Предусмотрено изготовление мембраны, как правило, из резины, а остальных компонентов, в частности, из латуни или пластика. Нет необходимости вводить шланги в коллектор в вертикальном направлении. Таким образом предотвращено занятие шлангами слишком большого пространства в помещении. Кроме того, возможно решение, при котором муфта 24 расположена по оси коллектора 15, образуя с ним единую корпусную деталь.
Теперь подробнее о функции блока 18 регулирования давления, изображенного на Фиг.4. Блок предназначен для снижения расхода при повышении на нем перепада давления. Блок предусмотрено использовать для балансировки скорости потока в контурах систем обогрева пола, имеющих разную длину.
На седле 28 клапана внешний насос 17 создает перепад давления. Пружина 29 стремится сохранить блок 18 регулирования давления в открытом положении.
Результирующая сила, действующая в направлении открытия на затворе 27 клапана, является результатом сложения силы давления Р1 на входе 36, приложенной к площади поверхности А2, силы выходного давления Р2 в области 30, приложенной к площади поверхностей А4 и A3, и силы F пружины 29.
Результирующая сила, приложенная в направлении закрытия на затворе 27 клапана, является результатом сложения силы давления Р1, приложенной к площади поверхности А4, и силы давления Р2 на выходе, приложенной к площади поверхности Р2.
Эти результирующие силы описаны функциями:
Открывающая сила: (A2·P1)+(A4·P2)/2+(A3·P2)+F
Закрывающая сила: (А1·Р2)+(А4·Р1)/2
Произведение силы входного давления Р1 на площадь поверхности А2, А4 ее приложения должно превышать произведение силы выходного давления Р2 на площадь поверхности А1, A3, А4 ее приложения. На величину указанного превышения возможно влиять регулировкой площадей поверхностей А1, А2, A3, А4 приложения указанных сил давления.
Если это превышение превосходит силу пружины 29, то происходит закрытие блока 18 регулирования давления с уменьшением расхода. Регулировка площадей поверхности и коэффициента жесткости пружины, представляющего собой изменение усилия при сжатии пружины на один миллиметр, обеспечивает регулировку дросселирования пропускной способности, то есть авторитета клапана, как функции перепада давления.