УСТРОЙСТВО КЛАПАНА ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННИКА, СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ
VALVE DEVICE FOR A HEAT EXCHANGER, HEATING SYSTEM AND METHOD OF HEATING SYSTEM CONTROL

Изобретение относится к устройству клапана, в частности такому, как устройство клапана для теплообменника, содержащему клапан регулирования давления, причем указанный клапан регулирования давления содержит элемент клапана, взаимодействующий с дросселирующим элементом и регулирующий перепад давления.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе отопления и/или охлаждения, содержащей подающий трубопровод, обратный трубопровод и циркуляционный насос, регулируемый устройством регулирования и соединенный с указанным подающим трубопроводом, а также по меньшей мере два теплообменника, соединенных с указанным подающим трубопроводом и указанным обратным трубопроводом.
Кроме того, изобретение относится к способу управления системой отопления и/или охлаждения, причем указанная система отопления содержит подающий трубопровод, обратный трубопровод и циркуляционный насос, регулируемый устройством регулирования и соединенный с указанным подающим трубопроводом и по меньшей мере двумя теплообменниками, соединенными с указанным подающим трубопроводом и указанным обратным трубопроводом. Клапан для теплообменника упомянутого выше вида известен, например, из документа ЕР 1353254 В1. В этом известном клапане клапан регулирования давления расположен выше по потоку относительно указанного клапана регулирования расхода. Клапан регулирования давления содержит пустотелый поршень, который соединен с диафрагмой и нагружен пружиной в том направлении, в котором поршень удаляется от дросселирующего элемента и приближается к седлу клапана регулирования расхода. Внутренняя часть поршня образует промежуточную область, в которой давление ниже, чем на входе устройства клапана. В этой промежуточной области диафрагма нагружена давлением по направлению к дросселирующему элементу. Наружная сторона диафрагмы нагружена давлением ниже по потоку относительно клапана регулирования расхода. Вследствие этого перепад давления на клапане регулирования расхода соответствует усилию пружины. Такое устройство клапана имеет преимущество в том, что поток, проходящий через устройство клапана, зависит только от степени открытия клапана регулирования расхода, что обеспечивает простоту регулирования расхода в системе отопления, в которой применяется ряд теплообменников. Все устройства клапанов для теплообменников могут обладать одинаковой возможностью регулирования независимо от длины труб между циркуляционным насосом системы отопления и теплообменником.
Циркуляционный насос должен создавать давление, которое является достаточным для снабжения всех теплообменников достаточным количеством теплоносителя, в результате чего требуется много энергии для перекачки. Потребление энергии для перекачки сильно зависит от необходимого перепада давления или от того, какой напор насоса он должен обеспечивать. В основу изобретения поставлена задача создания средств, с помощью которых можно было бы поддерживать энергию для перекачки системы отопления на низком уровне.
Эта задача решается с помощью описанного выше устройства клапана, такого как устройство клапана для теплообменника, за счет того, что предусмотрены детектирующие средства, выявляющие превышение указанным перепадом давления заданной минимальной величины.
Такое устройство клапана может применяться для выявления того, является ли перепад давления достаточным по величине для определенных целей. Если это не имеет место, детектирующие средства могут, например, подавать в насос сигнал на повышение давления, так что перепад давления может снова увеличиться настолько, что превысит заданную минимальную величину. В варианте осуществления последовательно с указанным клапаном регулирования давления соединен клапан регулирования расхода, при этом указанный клапан регулирования давления регулирует перепад давления на указанном клапане регулирования расхода. В этом случае поток через клапан регулирования расхода зависит только от расстояния между элементом клапана и седлом клапана регулирования расхода.
Как описано выше, конструктивное выполнение устройства клапана для теплообменника с клапаном регулирования расхода и клапаном регулирования давления имеет целью поддержание постоянного перепада давления или разности давлений на клапане регулирования. Однако для этого необходимо, чтобы давление на всем устройстве клапана было достаточно высоким для обеспечения возможности регулирования перепада давления. Когда разность давлений на устройстве клапана в целом, то есть разность давлений между впускным отверстием и выпускным отверстием устройства клапана меньше заданной минимальной величины, невозможно регулировать перепад давления на клапане регулирования расхода. Этот факт легко может быть выявлен с помощью детектирующих средств. Когда детектирующие средства выявляют, что перепад давления не превышает заданную минимальную величину, ясно, что снабжение устройства клапана для теплообменника теплоносителем является недостаточным. Указывающий на это сигнал может быть подан в насос, и в результате давление на его выходе может повыситься. Если же, с другой стороны, все устройства клапанов для теплообменников имеют такие перепады давления, которые превышают заданную величину, это давление насоса может быть понижено.
В варианте осуществления указанный элемент клапана нагружен усилием пружины в одном направлении и указанным перепадом давления в направлении, противоположном направлению действия усилия пружины, причем указанная минимальная величина соответствует минимальной величине указанного усилия пружины. Другими словами, если на элемент клапана будет действовать только перепад давления, он будет создавать такую же силу, как усилие указанной пружины в состоянии ее наибольшего растяжения. Поскольку усилие пружины известно, легко зафиксировать заданную минимальную величину. Предпочтительно указанные детектирующие средства представляют собой датчик положения. В этом случае нет необходимости в применении датчика перепада давления или реле давления, применение которых было бы менее эффективным с точки зрения стоимостных затрат.
В варианте осуществления указанные детектирующие средства содержат датчик Холла. Датчик Холла вырабатывает электрический сигнал, зависящий от расстояния до магнита. От датчика положения не требуется, чтобы он обладал высокой точностью. В общем случае достаточно, чтобы датчик положения мог предоставлять информацию в форме «да/нет», другими словами, чтобы он мог определять, упирается ли элемент клапана в упор или же он удален от упора. В данном случае предпочтительно, чтобы указанные детектирующие средства содержали магнит, при этом магнит соединен с указанным элементом клапана. Для магнита не нужны ни питающие линии, ни сигнальные линии. Он может быть легко прикреплен к элементу клапана.
В другом варианте осуществления датчиком является потенциометр. В варианте осуществления указанный датчик положения выдает максимальный сигнал в случае нахождения указанного элемента клапана на максимально возможном расстоянии от указанного дросселирующего элемента. Такой максимальный сигнал легко может быть обнаружен и дает достоверную информацию о том, что элемент клапана находится на максимально возможном расстоянии от дросселирующего элемента.
В варианте осуществления указанный элемент клапана выполнен в виде пустотелого поршня, соединенного с диафрагмой, причем внутреннее пространство поршня образует промежуточную область, при этом указанная диафрагма нагружена давлением в указанной промежуточной области в направлении удаления от указанного дросселирующего элемента и давлением ниже по потоку относительно указанного клапана регулирования расхода в направлении к указанному дросселирующему элементу. Как правило, поршень нагружен в направлении удаления от указанного дросселирующего элемента усилием пружины, упомянутой выше. Поршень в таком случае занимает положение, в котором перепад давления на клапане регулирования расхода и усилие поршня уравновешивают друг друга.
В варианте осуществления изобретения указанный элемент клапана содержит напорные отверстия для соединения противоположных сторон диафрагмы с линиями прохождения потока системы отопления или охлаждения, такими как, например, сквозные импульсные трубы, или одна или обе противоположные стороны могут быть соединены с внутренним проходом для потока клапана через внутренние напорные коммуникации. Кроме того, указанная диафрагма может быть нагружена давлением в указанной промежуточной области в направлении удаления от дросселирующего элемента или приближения к нему и при этом через шток клапана связана с работой элемента клапана в связи с дросселирующим элементом.
Задача решается с помощью системы отопления, упомянутой выше, тем, что каждый теплообменник снабжен устройством клапана, которое описано выше, и указанные детектирующие средства соединены с указанным устройством регулирования.
Таким образом, детектирующие средства могут сигнализировать устройству регулирования о том, что давление циркуляционного насоса является слишком низким, когда по меньшей мере в одном устройстве клапана для теплообменника перепад давления находится ниже заданной минимальной величины. В этом случае устройство регулирования может управлять насосом таким образом, что давление немного повышается. С другой стороны, когда во всех устройствах клапанов для теплообменников перепад давления превышает заданную минимальную величину, возможно, что давление теплоносителя является слишком высоким. В этом случае устройство регулирования может управлять циркуляционным насосом для понижения создаваемого им давления.
Задача решается с помощью способа управления системой отопления, которая описана выше, тем, что давление указанного циркуляционного насоса понижают до тех пор, пока устройство клапана, которое описано выше, не выявит, что указанный перепад давления в этом устройстве клапана находится ниже указанной заданной минимальной величины, и затем давление указанного циркуляционного насоса повышают до заданной величины разности давлений. Таким образом, существует возможность управления циркуляционным насосом при наиболее низком потреблении энергии для перекачки.
В этом случае предпочтительно, чтобы указанная величина разности давлений соответствовала указанной заданной минимальной величине. Давление циркуляционного насоса повышают постепенно или шаг за шагом. Когда разность давлений увеличивается на указанную заданную минимальную величину и по меньшей мере одно устройство клапана выдает сигнал, указывающий на то, что заданная минимальная величина не превышена, разность давлений еще раз увеличивают на указанную заданную минимальную величину.
Ниже приведен предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на графические материалы, на которых:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение системы отопления, и
на фиг. 2 представлено схематическое изображение устройства клапана для теплообменника, а также
на фиг. 3 представлено схематическое изображение другого устройства клапана.
На фиг. 1 схематически показана система 1 отопления, содержащая подающий трубопровод 2 и обратный трубопровод 3. Между подающим трубопроводом 2 и обратным трубопроводом 3 подсоединен ряд теплообменников 4, 5, 6. Каждый теплообменник 4, 5, 6 снабжен устройствами 7, 8, 9 клапанов, которые будут описаны более подробно применительно к фиг.2. Подающий трубопровод 2 и обратный трубопровод 3 соединены с отопительным котлом 10. В контуре, образованном подающим трубопроводом 2 и обратным трубопроводом 3, расположен циркуляционный насос 11.
Циркуляционный насос 11 регулируется устройством 12 регулирования. Циркуляционный насос 11 осуществляет циркуляцию теплоносителя, например сетевой воды, которая нагрета в отопительном котле 10. Для этого циркуляционному насосу 11 необходимо повышать давление теплоносителя в подающем трубопроводе 2. Это давление должно быть достаточно высоким для того, чтобы все теплообменники 4, 5, 6 могли отвечать этому требованию. Потребление энергии циркуляционного насоса сильно зависит от необходимого перепада давления или напора насоса, который он должен обеспечивать. Касательно потребления энергии для перекачки оптимальным является уменьшение напора насоса до минимума, при этом все устройства 7, 8, 9 клапанов могут обеспечивать необходимый поток. Для этого необходимо, чтобы во все устройства 7, 8, 9 клапанов поступал теплоноситель с достаточным давлением.
Поскольку падение давления в системе отопления изменяется в зависимости от падения давления в трубах и в теплообменниках, в большинстве случаев невозможно прогнозировать падение давления на устройствах 7, 8, 9 клапанов или прогнозировать, на входе какого из устройств 7, 8, 9 клапанов давление будет самым низким.
На фиг. 2 схематически показано устройство 7 клапана. Устройства 7, 8, 9 клапанов имеют одинаковое конструктивное выполнение.
Устройство 7 клапана содержит корпус, имеющий первую часть 13 и вторую часть 14. Корпус имеет впускное отверстие 15 и выпускное отверстие 16. Впускное отверстие 15 соединено с циркуляционным насосом 11 посредством подающего трубопровода 2. Теплоноситель, доходящий до впускного отверстия 15, имеет давление Р1.
Клапан 17 регулирования давления расположен ниже по потоку относительно впускного отверстия 15 и содержит элемент 18 клапана в виде пустотелого поршня и дросселирующий элемент 19.
На элемент 18 клапана действует пружина 20 в направлении удаления от дросселирующего элемента 19. Кроме того, элемент 18 клапана соединен с диафрагмой 21.
Полая внутренняя часть элемента 18 клапана образует промежуточную область 22. Теплоноситель в этой промежуточной области 22 имеет давление Р2. Ниже по потоку относительно указанного клапана 17 регулирования давления расположен клапан 23 регулирования расхода. Клапан 23 регулирования расхода содержит элемент 24 клапана и седло 25 клапана. Выпускное отверстие 16 расположено ниже по потоку относительно клапана 23 регулирования расхода. Теплоноситель в выпускном отверстии 16 имеет давление Р3.
Давление Р2 промежуточной области 22 воздействует на диафрагму 21 в направлении к дросселирующему элементу 19. Выпускное отверстие 16 соединено через канал 26 с пространством 27, так что давление РЗ выпускного отверстия 16 воздействует на диафрагму в направлении, противоположном давлению Р2 промежуточной области 22.
Можно видеть, что давление Р1 во впускном отверстии 15 выше давления Р2 в промежуточной области 22. Давление Р2 в промежуточной области 22 выше давления Р3 в выпускном отверстии 16.
Из фиг. 2 к тому же видно, что перепад давления Р2-Р3 на клапане 23 регулирования расхода такой же, как и перепад давления Р2-Р3 на диафрагме 21. Это перепад давления Р2-Р3 создает на диафрагме 21 усилие, соответствующее усилию пружины 20. Элемент 18 клапана занимает положение, в котором перепад давления Р2-Р3 и усилие 20 пружины уравновешивают друг друга. Когда давление Р1 во впускном отверстии 15 повышается, давление Р2 в промежуточной области 22 тоже повышается и вызывает смещение элемента 18 клапана по направлению к дросселирующему элементу 19, в результате чего давление Р2 в промежуточной области 22 понижается. Когда давление Р1 во впускном отверстии 15 понижается, давление Р2 в промежуточной области 22 тоже понижается, в результате чего элемент 18 клапана перемещается в сторону удаления от дросселирующего элемента 19 под действием усилия пружины 20, в результате чего давление Р2 в промежуточной области 22 снова повышается. Во второй части 14 корпуса расположен датчик 28 Холла. К элементу 18 клапана прикреплен магнит 29, предпочтительно на конце элемента 18 клапана, обращенном к клапану 23 регулирования расхода.
Элемент 28 Холла вместе с магнитом 29 служат в качестве детектирующих средств, предназначенных для выявления, может ли элемент 18 клапана выполнять функцию регулирования давления. Другими словами, датчик 28 Холла вместе с магнитом 29 образует датчик положения, выдающий максимальный сигнал в случае, если элемент 18 клапана отстоит на наибольшем расстоянии от дросселирующего элемента 19.
Когда циркуляционный насос 11 не обеспечивает давление, являющееся достаточным для устройства 7 клапана для теплообменника, давление Р1 во впускном отверстии 15 тоже является слишком низким. Ввиду того, что давление Р2 в промежуточной области 22 не может быть выше давления Р1 во впускном отверстии 5, усилие пружины 20 вызывает перемещение элемента 18 клапана в сторону удаления от дросселирующего элемента 19 до тех пор, пока он не упрется в промежуточную стенку 30, в которой образовано седло 25 клапана 23 регулирования расхода. В этом случае давление Р1 во впускном отверстии 15 является таким же, как давление Р2 в промежуточной области 22, и элемент 18 клапана не может перемещаться по направлению к дросселирующему элементу 19 для регулирования перепада давления или разности давлений Р2-Р3 на клапане 23 регулирования расхода. Эта ситуация легко может быть выявлена датчиком 28 Холла, который выдает соответствующий сигнал в устройство 12 регулирования циркуляционного насоса 11. Вследствие этого устройство 11 регулирования циркуляционного насоса всегда информировано о перепаде давления всех устройств 7, 8, 9 клапанов, точнее оно информировано о том, является ли давление Р1 во впускном отверстии 15 каждого устройства клапана достаточным для выполнения функции регулирования перепада давления. Давление циркуляционного насоса 11 может непрерывно регулироваться до уровня, при котором устройства 7, 8, 9 клапанов для теплообменника с наибольшим перепадом давления имеют именно такой перепад давления, который является достаточным для регулирования расхода. Это будет зависеть от тепловой нагрузки помещений, обогреваемых теплообменниками 4, 5, 6. Датчик 28 Холла легко может выявить, может ли элемент 18 клапана перемещаться под действием давления Р2 в промежуточной области 22. Если перепад давления Р2-РЗ меньше заданной минимальной величины, которая соответствует минимальному усилию пружины 20, тогда не может осуществляться регулирование перепада давления. В случае применения датчика 28 Холла и магнита 29 не нужны ни датчик давления, ни реле давления. Это будет давать тот же результат, но будет менее затратным. Дополнительную выгоду можно извлечь из того, что легче осуществляется наладка системы отопления. Если, например, зафиксировано присутствие инородного материала в питающем трубопроводе 2, датчик 28 Холла устройства 7, 8, 9 клапана может помочь распознать момент, когда зафиксировано его присутствие.
Датчики 28 Холла всех устройств 7, 8, 9 клапанов соединены с устройством 12 регулирования циркуляционным насосом 11. Когда давление циркуляционного насоса 11 слишком низкое, в результате чего по меньшей мере в одном из устройств 7, 8, 9 клапанов не может осуществляться регулирование давления, что выявляется с помощью датчика 28 Холла и магнита 29, давление должно быть повышено. В предпочтительном варианте осуществления изобретения такое повышение давления осуществляется пошагово или постепенно, при этом каждый шаг приращения соответствует заданной минимальной величине, которая в показателях соответствует минимальному усилию пружины 20. Как описано выше, когда давление Р1 во впускном отверстии 15 является слишком низким, элемент 18 клапана 17 регулирования давления упирается в промежуточную стенку 30. Когда давление циркуляционного насоса 11 повышается в достаточной степени, элемент 18 клапана начнет удаляться от промежуточной стенки 20 по направлению к дросселирующему элементу 19. Это перемещение немедленно выявляется датчиком 28 Холла и сигнал о нем подается в устройство 12 регулирования. Если в устройство 12 регулирования от всех устройств 7, 8, 9 клапанов поступает информация о том, что соответствующий элемент 18 клапана снова может перемещаться и вследствие этого может осуществлять регулирование давления, устройство регулирования «замечает», что давление циркуляционного насоса 11 является достаточным. На фиг. 3 показано другое устройство 7' клапана. Элементы, соответствующие элементам по фиг. 2, обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Устройство 7' клапана по фиг. 3 содержит только клапан 17 регулирования давления. Такое устройство клапана предназначено для поддержания постоянного заданного перепада давления. Через внутреннее соединение и вместе с пружиной 20 давление в выпускном отверстии 16 воздействует на внутреннюю сторону диафрагмы 21, тогда как через импульсную трубу 26 давление в напорной трубе воздействует на верхнюю часть диафрагмы 21, а именно в пространстве 27. Таким образом, балансировочный клапан поддерживает регулируемый перепад давления.
Этот перепад давления может регулироваться путем поворота рукоятки 31, который вызывает изменение усилия пружины 20.
В этом устройстве 7' клапана тоже имеются датчик 28 Холла и магнит 29, образующие детектирующие средства, которые предназначены для выявления превышения перепадом давления, регулируемым с помощью устройства 7' клапана, заданной минимальной величины.