АВТОНОМНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ БЕСПРОВОДНОЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
AUTONOMOUS AUTOMATIC WIRELESS TEMPERATURE REGULATOR FOR HEATING SYSTEM

Изобретение относится к автономным автоматическим беспроводным терморегуляторам сльфонного типа для отопительной системы, устанавливаемым на радиаторы водяного отопления.
Известен терморегулятор для отопительной системы по авторскому свидетельству СССР №1104475, содержащий корпус, термочувствительный сильфон и клапан. Корпус устройства выполнен с перегородкой, разделяющей его на камеры, в первой камере установлен термочувствительный сильфон, связанный с клапаном, установленным во второй камере над седлом, выполненным в перегородке, каждая из камер снабжена входным патрубком, каждый из которых соединен через соответствующий трубопровод с установленным в нем вентилем настройки с прямым трубопроводом системы отопления от тепловой сети, причем первая камера снабжена выходным патрубком, соединенным с прямым трубопроводом системы отопления для подключения к потребителю.
К недостаткам устройства следует отнести:
- термочувствительный сильфон измеряет температуру воды непосредственно;
- конструкция корпуса допускает протечки.
Известен также другой терморегулятор для отопительной системы по авторскому свидетельству СССР №1595192, состоящий из двух камер, к первой камере подходит два патрубка от подающей линии горячего водоснабжения и к обратной линии теплосети, вторая камера подключена к прямой линии теплосети, между первой и второй камерами расположен регулирующий орган, выполненный в виде сопла и дроссельной иглы, соединенной с термосильфоном, связанным с регулировочным элементом, термосильфон размещен в третьей камере, вход которой связан с патрубком, подключенным к подающей линии водоснабжения, а выход - с первой камерой.
Недостаток данного регулятора заключается в том, что термосильфон измеряет непосредственно температуру воды.
Известен также терморегулятор для отопительной системы по патенту РФ RU 2072465 С1, наиболее близкий к предлагаемому устройству и выбранный в качестве прототипа.
Терморегулятор содержит вентильный кран с патрубком входа и выхода теплоносителя и соединенный с ним посредством накидной гайки термостат, при этом вентильный кран имеет подпружиненный шток с запорным органом, контактирующим с седлом, размещенным внутри полости крана, а термостат состоит из соединенных между собой на резьбе основания и рукоятки, внутри которой расположен термопреобразователь, включающий герметично заделанный с одного конца в тонкостенный корпус сильфон, образующий с корпусом наполненную парожидкостным рабочим телом кольцевую полость и выполненный с глухим дном с другого конца, нажимного штока, установленного с возможностью возвратно- поступательного перемещения в отверстии основания термостата, взаимодействующего с подпружиненным штоком вентильного крана, и установленной внутри сильфона пружины сжатия, разгружающей сильфон и охватывающей шток, которая заперта между крышкой корпуса термостата и законцовкой штока, взаимодействующей с глухим дном сильфона. При этом пружина сжатия выполнена с толщиной витков и шагом, обеспечивающими возможность образования в полностью сжатом состоянии механического упора, предотвращающего сложение гофр сильфона.
Недостатками терморегулятора являются:
- опирающаяся на крышку термостата пружина термопреобразователя создает постоянную дополнительную нагрузку на шток и вызывает необходимость применения дополнительных усилий к сильфону и использованию рабочего тела со значительными давлениями насыщенного пара (например, хладон-22), что увеличивает габариты и массу терморегулятора и приводит к применению экологически неперспективного рабочего тела;
- противодействующая ходу сильфона пружина, опертая на крышку термостата, по мере своего сжатия дает увеличенное сопротивление движению штока на закрытие. Такое неравномерное по ходу штока сопротивление пружины определяет неравномерность перемещения запорного органа клапана, препятствует организации гарантированного перекрытия клапана в конце его хода.
Целью изобретения является решение технической задачи по улучшению динамических характеристик терморегуляторов, повышению надежности, долговечности, экологической и эксплуатационной безопасности, адаптированного к конструкциям систем теплоснабжения с разным диаметром труб, составу и качеству теплоносителя (наличие солей и окислов металлов), работающих при повышенных температурах окружающей среды более 35°С и в условиях нестабильного рабочего давления теплоносителя, а также уменьшению габаритно-массовых характеристик.
Сущность изобретения заключается в изменении кинематической схемы терморегулятора, состоящая в том, что терморегулятор содержит вентильный кран с патрубком входа и выхода теплоносителя и соединенный с ним посредством накидной гайки термостат, при этом вентильный кран содержит клапан с запорным органом, взаимодействующим с седлом, выполненным в корпусе крана, а термостат состоит из соединенных между собой на резьбе корпуса и рукоятки, внутри которой расположен термопреобразователь, включающий герметично заделанный с одного конца в тонкостенный корпус сильфон, образующий с корпусом кольцевую полость, заполненную парожидкостным рабочим телом (ПРТ), и выполненный с глухим дном с другого конца, штока, установленного с возможностью возвратно - поступательного перемещения в отверстии основания корпуса термостата, взаимодействующего со штоком клапана вентильного крана, и пружины сжатия, установленной внутри сильфона и охватывающей шток, которая зажата с расчетным усилием между жестко прикрепленным к штоку упором и свободно перемещающейся вдоль штока втулкой, удерживаемой законцовкой штока, взаимодействующей с глухим дном сильфона, к законцовке которого, жестко зафиксированной относительно корпуса термопреобразователя, приварен тонкостенный цилиндр, являющийся механическим упором и препятствующий сжатию сильфона при повышенных температурах окружающей среды более 35°С.
Такое выполнение терморегулятора позволяет повысить равномерность перемещения запорного органа клапана при температурных изменениях окружающей среды и управляющих сигналах оператора, а также снизить контактные усилия на клапане при его перекрытии.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид терморегулятора, обеспечивающего работу в автоматическом режиме; на рисунке 2 изображен терморегулятор ручного исполнения.
Терморегулятор для отопительной системы (фиг. 1) содержит вентильный кран 1 и термостат 2, соединенные с помощью накидной гайки 3. Фиксация термостата 2 относительно вентильного крана 1 в окружном направлении осуществлена посредством зубчатой насечки 4, выполненной на соответствующих сопрягаемых поверхностях вентильного крана 1 и термостата 2. Вентильный кран 1 включает корпус 5, представляющий собой тройник с полостями для входа 6, выхода 7 теплоносителя (горячая вода) и размещения клапана 8. Полости для входа 6 и выхода 7 теплоносителя расположены соосно и разделены перегородкой 9, расположенной на уровне общей оси входа 6 и выхода 7. Перегородка 9 образует отверстие 10. Клапан 8 состоит из запорного органа 11, штока 12, пружины 13.
Отверстие 10 выполнено соосно с термостатом 2 и в месте контакта с клапаном 8 образует седло 37. Шток 12 подпружинен в аксиальном направлении пружиной сжатия 13, опирающейся на шайбу 15. Шайба 15 удерживается на штоке 12 с помощью пружинного фиксирующего кольца 16. Шток 12 и обойма 14 уплотнены с помощью круглых резиновых уплотнительных колец 17, 18. Резиновое кольцо 18, уплотняющее стык штока 12 и обоймы 14, заделано в обойме 14 по ее внутренней цилиндрической поверхности при помощи шайбы 19, которая в свою очередь, фиксируется в обойме 14 посредством завальцовки 20 кольцевого выступа обоймы 14. Обойма 14 зафиксирована в корпусе 5 вентильного крана 1 при помощи пружинного кольца 21. Законцовка 22 штока 12 выполнена в виде сферы для предотвращения затираний и перекосов со стороны движущихся органов термостата 2.
Термостат 2 состоит из корпуса 23, рукоятки 24, термопреобразователя 25, штока 26.
Корпус 23 представляет собой полый цилиндр с внутренней резьбой 27, предназначенной для установки рукоятки. Корпус 23 имеет поперечные щелевые вырезы 28 для обеспечения теплообмена с окружающей средой. В основании 29 корпуса 23 выполнено цилиндрическое отверстие 30 для центровки штока 26. Для соединения термостата 2 с вентильным краном 1 в основании 29 корпуса 23 предусмотрена зубчатая насечка 4, ответная насечке вентильного крана. Посредством размещения зубьев насечки термостата 2 во впадинах между зубьями насечки вентильного крана 1 и, соответственно, наоборот, и затяжки накидной гайкой 3 осуществляется надежное соединение корпуса вентильного крана с термостатом. Кольцевой зазор 31 корпуса служит для размещения и свободного перемещения рукоятки 24.
Рукоятка 24 служит для установки требуемого режима работы путем перемещения подвижных элементов относительно седла 37 клапана 8. Рукоятка 24 соединена с обоймой 32 с помощью кольца 33 и имеет резьбу 27, которая обеспечивает перемещение относительно корпуса 23 в осевом направлении.
На рукоятке 24 нанесена шкала 34, которая при вращении рукоятки 24 и совмещении с лимбом 35 на корпусе 23 определяет положение подвижных элементов терморегулятора относительно седла 37 клапана 8. Начальное положение рукоятки 24 в корпусе 23 фиксируется винтом 36.
Для обеспечения вращения рукоятки в определенном секторе применен сухарь 38. Для улучшения теплообмена с окружающей средой рукоятка 24 и обойма 32 имеют продольные щелеобразные вырезы 39. Внутри рукоятки 24 установлен термопреобразователь 25. Его фиксация в полости рукоятки 24 произведена с помощью обоймы 32 и кольца 40. Крышка 41 установлена в корпусе рукоятки 24 через прорези (на фиг. 1 не показаны) и фиксируется отбортовками 42. Термопреобразователь 25 служит для перемещения подвижных элементов (26.46,53) термостата в зависимости от температуры окружающей среды.
Термопреобразователь 25 состоит из тонкостенного корпуса 43, в котором установлен сильфон 44 с законцовками 45, 46, при этом законцовка 45 жестко зафиксирована (приварена) относительно корпуса 43, а законцовка 46 имеет возможность перемещения относительно корпуса 43 в осевом направлении. Полость, образуемая наружной поверхностью сильфона 44 с внутренней поверхностью корпуса 43, заполняется парожидкостным рабочим телом (ПРТ) 47. К законцовке 45 приварен тонкостенный цилиндр 48, ограничивающий перемещение сильфона. К законцовке 46 приварено глухое дно 49, закрывающее внутреннюю полость сильфона 44. Внутри сильфона 44 размещена пружина сжатия 50, зажатая с расчетным усилием между жестко прикрепленным с помощью разжимного кольца 51 к штоку 26 упором 52 и свободно перемещающейся вдоль штока 26 втулкой 53. Втулка 53 удерживается законцовкой 54 штока 26 и под воздействием пружины сжатия 50 упирается в глухое дно 49 сильфона 44. Пружина сжатия 50 работает совместно с сильфоном 44, увеличивая его жесткость. Шток 26, сцентрированный в отверстии 30 корпуса 23, передает усилие на шток 12 клапана вентильного крана 1. ПРТ 47 представляет собой углеводородное соединение, агрегатное состояние которого определяется наличием как жидкости, так и ее паров. Количество вещества каждого агрегатного состояния определяется равновесием процессов испарения и конденсации и находится в строго определенной зависимости от температуры нагрева ПРТ 47.
Терморегулятор для отопительной системы может быть использован в "ручном" исполнении (фиг. 2), что позволяет также производить замену термостата 2. В этом случае на место термостата временно устанавливается крышка 55, имеющая ответную резьбу на внутренней поверхности. Крышка 55 позволяет при этом осуществлять ручное регулирование путем перемещения штока 12 при контакте сферической законцовки 22 с ответным выступом 56 внутри крышки 55.
Терморегулятор для отопительной системы (фиг. 1) работает следующим образом. Потребитель, желая задать определенную температуру в помещении, вращает рукоятку 24 термостата 2, устанавливая при этом нужное деление шкалы 34 относительно лимба 35 корпуса 23, тем самым задается определенное положение клапана 8 относительно седла 37 и величина проходного сечения вентильного крана, изменяющая расход теплоносителя, что приводит к изменению температуры батареи и, соответственно, окружающего воздуха, вследствие чего изменяется давление паров ПРТ 47 термопреобразователя, и клапан занимает положение, соответствующее заданной температуре потребителем.
Принцип действия терморегулятора заключается в следующем.
При повороте рукоятки 24, для задания определенного температурного режима, происходит осевое перемещение и опускание (или подъем) термопреобразователя 25, установленного в обойме 32, и штока 26, относительно корпуса 23 термостата 2. Шток 26 воздействует на шток 12 клапана вентильного крана 1, вызывая перемещение запорного органа 11 относительно седла 37 и изменение площади проходного сечения отверстия 10 и, соответственно, расхода теплоносителя, при этом, пружина 13 клапана вентильного крана 1 работает на сжатие (растяжение) в зависимости от положения рукоятки. В этой фазе терморегулятор работает в режиме ручного управления, а запорный орган 11 занимает равновесное положение, соответствующее заданному температурному режиму. С изменением расхода теплоносителя меняется температура батареи и окружающего воздуха, давление ПРТ 47 термопреобразователя 25 меняется, и включается в работу сильфон 44 и пружина сжатия 50 термостата 2.
Терморегулятор начинает работать в автоматическом режиме. При этом создается статическое равновесие всех сил, действующих на подвижные элементы (11,12,26,46,53), за счет установления определенного перепада давлений на клапане 8, определяемого упругими силами пружин 13 и 50, сильфона 44, давлением ПРТ 47, теплоносителя и сил трения в подвижных элементах, и обеспечивается поддержание температурного режима на заданном уровне.
Для повышения надежности и безопасности работы терморегулятора в конструкции предусмотрены полость 57 для свободного перемещения штока 26 с расчетным усилием пружин 13 и 50, а также увеличенный зазор между законцовкой 46 и дном корпуса термопреобразователя 43, исключающие гидроудар при несанкционированных скачках давления теплоносителя в магистрали. Также предусмотрен упор в виде цилиндра 48, ограничивающий перемещение сильфона и обеспечена подвижность втулки 53, исключающие поломку сильфона и передачу нерасчетных усилий на клапан при температурах окружающего воздуха, превышающих 35°С и, соответственно, избыточных давлениях ПРТ 47.
Конструкция терморегулятора позволяет отключить радиатор от стояка, а также производить сезонные профилактические работы по устранению в магистрали загрязняющих фракций без повреждения терморегулятора за счет увеличенного вдвое хода шока 26, по сравнению с существующими образцами. Увеличенный ход штока также позволяет производить более точную регулировку термостата 2.
Для снижения воздействия температуры радиаторов отопительной системы на работу термопреобразователя 25 конструкция терморегулятора позволяет установку выносного температурного датчика (фиг. 1).
Термопреобразовать 25 содержит ПРТ 47, которое представляет собой углеводородное соединение, не содержащее хлора и фтора, имеет значительные экологические преимущества по сравнению с хладонами марок R22, R134A, R407C, R407C и др., термодинамические характеристики которого позволили уменьшить габаритно-массовые характеристики терморегулятора.
Конструкция и примененные материалы узлов обеспечивают хороший теплообмен с окружающей средой, герметичность и теплоизоляцию термостата, адаптированы к условиям применения в отечественных теплосетях (повышенная загрязненность теплоносителя солями и окислами металлов).
Предложенный терморегулятор улучшает характеристики терморегулятора в целом, повышает надежность и безопасность его работы в условиях повышенных давлений и загрязнений теплоносителя, исключает непосредственное воздействие температуры теплоносителя на работу термопреобразователя, позволяет использовать унифицированные конструкции систем теплоснабжения с разным диаметром труб (от  до 1 дюйма), автономен, не содержит электротехнических и дорогостоящих электронных систем, связанных с центральной системой управления, высоким расходом электроэнергии, обслуживание и затраты на которые сводят к нулю экономический эффект, в связи с чем неприемлемы для частного потребителя.